本文摘要:摘要:地下洞室围岩支护效果检验分析对于地下工程运行具有重要意义.本文在围岩监测分析基础上,采用FLAC3D对乌东德水电站左岸地下主厂房洞室开挖过程与支护效果进行数值模拟,通过对比分析位移
摘要:地下洞室围岩支护效果检验分析对于地下工程运行具有重要意义.本文在围岩监测分析基础上,采用FLAC3D对乌东德水电站左岸地下主厂房洞室开挖过程与支护效果进行数值模拟,通过对比分析位移场、应力场及塑性区等基本场与围岩变形监测数据的变化特征,定量评价围岩支护效果.分析结果表明,围岩支护效果显著,尤其是对顶拱围岩的位移变形遏制十分有效:支护后,顶拱累计位移量值最大下降幅度达96.4%,边墙累计位移值下降幅度达18%~25%,且变形趋于稳定;边墙拉应力逐渐减小,局部拉应力逐步变为压应力,缓解了应力集中效应,量值最大下降幅度达32.89%;边墙部位塑性区深度减小,范围缩小,塑性区深度下降50%;支护前后边墙的累计位移值的一致性说明了边墙围岩的自承能力较顶拱围岩强,且实际施工对边墙的支护是及时的.
关键词:地下厂房;FLAC3D;变形监测;支护效果;数值模拟
随着我国能源结构改革的不断推进,我国水电站迎来重大发展机遇期[1],依据施工地质、监测成果分析,能够为动态优化设计提供依据[2].胡旭阳等[3]对开挖全过程变形监测资料分析,得出开挖过程对围岩变形的影响范围.李帅军等[4]结合地质资料、施工情况,分析主厂房围岩变形规律与机制.肖诗荣[5]研究了三峡水利工程主厂房围岩发育的特大型块体,并为施工安全调整了工程布置.房倩等[6]系统分析了围岩变形量、围岩变形稳定时间与围岩级别、隧道开挖面积等因素之间的关系.李金河等[7]总结了溪洛渡工程开挖与支护设计过程中的监测资料反演分析及动态设计过程,监测数据实时分析与科学决策之间执行也是分析评价的影响因素[8-9].随着技术上得到飞跃式提升的数值模拟方法[10],结合工程监测数据进行工程问题分析的手段逐渐成熟.如王克忠等[11]基于数值模拟和原位监测,研究了在挂网喷射混凝土支护系统中改善强柔性支护技术.
杨为民等[12]对围岩开挖后的基本场变化特征进行了比较分析,为应用数值模拟评价围岩支护效果打下了良好的基础.上述文献分析表明,地下工程研究主要集中在围岩稳定性、围岩支护措施、围岩监测方法等方面,对于围岩支护效果分析评价的文献并不多,且现有文献多停留在利用监测数据分析对工程支护效果进行评价,由于监测手段及监测布置的不完善及局限性,支护效果评价结果存在较大误差.本文综合监测数据及数值模拟结果进行乌东德左岸主厂房围岩支护效果分析评价,为地下工程建设提供较为典型的工程案例,具有一定的学术和工程意义.
1工程概况
1.1乌东德水电站左岸地下主厂房地质概况
乌东德水电站左岸主厂房位于峡谷岸坡内,上覆岩体厚度160~540m.外侧端墙距水垫塘边坡水平距离最小为75m,与大坝拱端在850m高程上的最小水平距离为90m.主厂房顶、底开挖高程分别为855m、765.5m,开挖尺寸:333.00m×32.50m×89.80m(长×宽×高).左岸主厂房洞室开挖后影像图如图1所左岸主厂房区域地层岩性由洞室向外依次为落雪组第二段第三亚段(Pt2l2-3)、第三段第一亚段(Pt2l3-1)、少许为第三段第二亚段(Pt2l3-2)地层,岩性为大理化白云岩及灰岩;岩层走向一般为270~280°,倾向S,倾角75~85°;主厂房轴线走向60°,与岩层走向夹角以30~40°为主,靠江侧局部夹角小于30°,山内侧局部夹角40~50°.
1.2开挖与支护方案
主厂房开挖方案(以典型界断面左岸主厂房5号机断面为例)如下:整个主厂房总体分9步开挖完成,第1步主要完成拱顶部分开挖,第2~7步主要是完成边墙部分开挖,第8、9步为最后收尾开挖.支护措施以系统锚杆为主,针对局部失稳部位加锚索支护,工程选定以下支护方案:整个主厂房洞周设计直径32长6m和9m交替布置的系统锚杆,锚杆间距2.5m×2.5m,结合挂网喷砼,混凝土选用C30,钢筋网设计参数为32@15cm×15cm.岩锚梁部位加强预应力锚索支护,设计吨位1700~2000kN,主厂房洞室块体部位采用预应力锚杆支护,锚杆设计预应力50kN,长度视块体厚度而定,一般在8~15m不等,主厂房上下游边墙部位均设计预应力锚索支护,设计预应力为1800kN左右,长度35m,间距3.5m×3.5m.
2支护前后围岩变形特征
在洞室内布置多点位移计监测围岩位移变形情况.根据多点位移计监测资料,分析主厂房洞周的变形特征,主要对顶拱中心线位置、上下游边墙位置进行分析.5号机断面多点位移计监测数据.监测数据如下:为多点位移计M01Z05过程曲线.M01Z05布置在5号机拱顶高程855m处,设置3个测点位置,分别为孔口位置,距离孔口7m、14m位置.最初孔口位置出现些许的压缩变形,变形量不大,只有0.15mm左右,随后孔口位置开始出现较小的拉伸变形,且随着开挖与支护不断地交替推进,孔口监测结果说明,支护前顶拱最大累计位移量1.7mm,支护后位移减少47%,稳定在0.9mm;上游边墙支护前位移量持续增加,支护后最大累计位移量稳位置变形呈缓慢增加,最大累计变形量为2017年3月的1.7mm,随着顶拱支护的完成最终稳定在0.9mm左右.而距离孔口位置7m、14m处围岩变形一直为压缩变形,直到2017年9月25日测值分别为-0.8mm、-1.9mm.
为多点位移计M24Z05过程曲线,M24Z05布置在主厂房上游边墙位置高程812m位置处,共布置有3个监测点位置,分别是孔口位置,距离孔口3.0m、7.0m处.到2015年1月中旬M24Z05监测点附近围岩变形突然增大,其中孔口位置测点反应较灵敏,位移监测值从0.08mm直接突变到4.86mm,后孔口位置测点变形迅速增大,直到开挖支护完成后于2017年10月测得的累计变形量值稳定在25mm左右.分析距离孔口3.0m以及7.0m位置处的测点变形可知,与孔口位置变形规律具有一致性,且距离孔口位置越远变形越小.距离孔口位置3.0m处的变形值为12mm,测得距离孔口位置7.0m处的变形值为8.0mm.为多点位移计M14Z05过程曲线,M14Z05布置在主厂房下游边墙位置高程812m位置处,共布置有3个监测点位置,分别是孔口位置,距离孔口3.0m、7.0m处.
到2015年1月中旬M14Z05监测点附近围岩变形突然增大,其中孔口位置测点反应较灵敏,位移监测值从0.9mm直接突变到8.8mm,后孔口位置测点变形迅速增大,直到开挖支护完成后于2017年10月测得的累计变形量值稳定在45mm左右.距离孔口3.0m以及7.0m位置处的测点变形与孔口位置变形规律具有一致性,且距离孔口位置越远变形越小,最后都趋近稳定.于2017年10月测得距离孔口位置3.0m处的变形值为25mm,测得距离孔口位置7.0m处的变形值为14mm定在25mm;下游边墙支护前位移量亦持续增加且大于上游边墙,支护后最大累计位移量稳定在45mm.开挖导致的边墙位移大于顶拱位移,衬砌支护有效遏止了围岩变形.由于监测手段的不完善,未能有效监测支护前后围岩应力场及塑性区的变化情况,未能更充分地说明围岩支护效果.
3基于围岩稳定性数值模拟的围岩支护效果分析
3.1计算方法
本研究应用ANSYS软件建立乌东德左岸主厂房三维地质简化模型,并用FLAC3D软件对主厂房5号机横断面开挖地质概化模型进行数值分析[13],模拟主厂房开挖及支护后的位移场、应力场、塑性区等基本场并加以对比,对围岩支护效果进行评价.考虑围岩岩性坚硬,为简化及方便计算,本次模拟不考虑洞群效应.
3.2计算参数
计算模型选取莫尔-库伦本构关系作为理论基础,不同岩层采用的物理力学参数.
3.3计算工况
依据左岸主厂房开挖支护方案,为对比分析开挖过程与支护后围岩变形特征,为方便计算分析,数值计算选取以下5个概化的计算工况:工况1:第1步开挖(第1阶段拱顶部分开挖);工况2:第2步开挖(第2阶段边墙部分开挖);工况3:第7步开挖(第2阶段边墙部分开挖);工况4:第9步开挖(第3阶段机窝部分开挖);工况5:一次性全断面支护.与实际工况有差别的是,工况1实际上是顶拱支护后再进行边墙开挖的,工况2~工况4也是边墙边开挖边支护的,工况5虽实际上不存在,但可以充分比较支护效果.
4支护效果综合评价
4.1数值模型分析结果可靠性评价与讨论
监测数据与模拟支护后的累计位移量值在边墙保持较高一致性,顶拱支护后模拟计算值2.7mm大于实际监测值0.9mm,其偏差虽较大但与监测值在一个量级内,而顶拱支护前的模拟位移值高达75mm,远远高于支护后的模拟值和实际监测值.顶拱模拟计算值与实际监测值偏差较大的原因在于模拟支护方式为一次性支护,而实际施工是顶拱支护后才开挖边墙.支护前后边墙的累计位移值的一致性既说明数值模型的合理和模拟的成功,又说明了边墙围岩的自承能力较顶拱围岩强,且实际施工对边墙的支护是及时的.总体来看,本次数值模拟模型较合理,模拟结果较可靠.
4.2开挖与支护两种工况下计算结果对比分析
综合对比开挖过程与支护后两种工况下数值模拟结果,见表3.支护后最大位移区域明显减小,顶拱累计位移量值最大下降幅度达96.4%,边墙累计位移值下降幅度达18%~25%,且变形趋于稳定.围岩开挖支护后,边墙拉应力逐渐减小,局部拉应力逐步变回压应力,缓解了应力集中效应,量值最大下降幅度达32.89%.边墙部位塑性区深度减小,范围缩小,塑性区深度下降约50%.支护后的塑性区最大深度为2.4m,而支护前松动区深度为4.8m.两种工况数值模拟结果说明了围岩支护效果显著,尤其是对顶拱围岩的位移变形遏制十分有效.
5结论
1)开挖与支护两种工况下的数值模拟结果说明了围岩支护效果显著,尤其是对顶拱围岩的位移变形遏制十分有效.顶拱累计位移量值最大下降幅度达96.4%,边墙累计位移值下降幅度达18%~25%,且变形趋于稳定.边墙拉应力逐渐减小,局部拉应力逐步变回压应力,缓解了应力集中效应,量值最大下降幅度达32.89%.边墙部位塑性区深度减小,范围缩小,塑性区深度下降50%.
2)支护前后边墙的累计位移值的一致性说明了边墙围岩的自承能力较顶拱围岩强,且实际施工对边墙的支护是及时的.
3)本次数值模拟围岩位移值较好地拟合了实际监测值,说明了模拟模型的合理性和工况选择的基本适宜性.
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