摘 要:設(shè)計(jì)中的溪洛渡、小灣工程地下廠房洞室群有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。通過(guò)對(duì)設(shè)計(jì)理論、計(jì)算方法和數(shù)學(xué)模型等方面深入廣泛的研究,除對(duì)傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法及其計(jì)算軟件進(jìn)行了全面系統(tǒng)的完善和改進(jìn)外,在初始地應(yīng)力場(chǎng)的分析研究、滲流控制與優(yōu)化研究、圍巖穩(wěn)定與支護(hù)方式研究、地下洞室群合理布置研究、合理施工順序研究、施工系統(tǒng)仿真與進(jìn)度研究及抗震穩(wěn)定性研究等方面都有所創(chuàng)新,在某些方面取得了突破性進(jìn)展,提高了我國(guó)超大型地下洞室群的設(shè)計(jì)水平,并具有較好的應(yīng)用價(jià)值,從而取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。
調(diào)壓室結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)型式,從水力過(guò)渡過(guò)程的角度優(yōu)化尾1 攻關(guān)內(nèi)容水調(diào)壓室和水道系統(tǒng)的布置。本專題結(jié)合溪洛渡、小灣工程地下洞室群設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵2 攻關(guān)的主要成果技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān),攻關(guān)目標(biāo)和內(nèi)容為:
(1) 超大型地下洞室群的圍巖穩(wěn)定與支護(hù)方式研究。
超大型地下洞室群復(fù)雜巖體滲流問(wèn)題分析系統(tǒng)
究項(xiàng)目有:數(shù)值計(jì)算模型和計(jì)算方法、洞室圍巖應(yīng)力、變形仿針對(duì)溪洛渡工程特點(diǎn)及解決巖體復(fù)雜滲流問(wèn)題的需要, 真分析技術(shù)和方法,溪洛渡地下洞室群圍巖整體及局部穩(wěn)定研究復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)生成方法,以及對(duì)性、合理布置、穩(wěn)定加固措施,地下廠房防滲排水系統(tǒng)研究。大區(qū)域、高密度、多變化的防滲排水系統(tǒng)精細(xì)的有限元模擬
(2) 超大型地下洞室群合理施工順序研究。
包括開挖施方法、滲流應(yīng)力耦合模型工程應(yīng)用進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)滲流控工順序、不同的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)及支護(hù)時(shí)間對(duì)圍巖穩(wěn)定制優(yōu)化和滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析計(jì)算,證明該滲流控制的影響研究,提出合理的開挖方式、開挖順序、支護(hù)方式、支分析系統(tǒng)具有的實(shí)用性。護(hù)時(shí)間和支護(hù)參數(shù),開挖爆破三維分析方法研究,探討施工
(1) 對(duì)溪洛渡電站地下廠房區(qū)的防滲排水系統(tǒng)進(jìn)行了多爆破對(duì)超大型地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響,使超大型地下洞室方案比選,為滲控設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。圍巖穩(wěn)定與支護(hù)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。
(2) 給出了裂隙的非線性彈塑性本構(gòu)模型,采用全耦合
(3) 超大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真及進(jìn)度研究。運(yùn)用理論對(duì)溪洛渡工程問(wèn)題進(jìn)行了耦合計(jì)算分析,對(duì)滲流場(chǎng)的控循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。計(jì)劃分析與優(yōu)化技術(shù)和動(dòng)態(tài)演示技術(shù),尋求合理的機(jī)械設(shè)備
(4) 提出了三維有限元計(jì)算網(wǎng)格自動(dòng)生成的“ 斷面節(jié)點(diǎn)配置、施工支洞配置、施工順序、經(jīng)濟(jì)可行的施工進(jìn)度?？刂品ā薄?duì)前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備只需在少量的控制斷面上完成。
(5) 高烈度地震區(qū)超大型地下洞室群的抗震穩(wěn)定性研三維計(jì)算網(wǎng)格的剖分是在全計(jì)算域上進(jìn)行;并可根據(jù)需要調(diào)究。結(jié)合溪洛渡工程研究地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點(diǎn)及其合理的計(jì)算模型,對(duì)超大型地下洞室群進(jìn)行抗震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
基金項(xiàng)目:
“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(962221205203)
(6) 溪洛渡水電站地下廠房洞室設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。這項(xiàng)研作者簡(jiǎn)介: 王仁坤(1962 —),男,四川達(dá)縣人,國(guó)家電力公司成究包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等三大洞室的合理布置都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院副總工程師, 教授級(jí)高級(jí)工程師; 李杰男(1962 與經(jīng)濟(jì)合理斷面的研究?！?,男,四川安岳人,國(guó)家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院高工,主任
(7) 小灣水電站地下廠房洞室設(shè)計(jì)研究。研究?jī)?nèi)容包括工程師;尹曉林(1964 —),男,四川南充人,國(guó)家電力公司成都勘測(cè)地下廠房縱軸線布置和各洞室之間的間距優(yōu)化,提出合理的設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師，室主任
(8) 提出了“高密度排水系統(tǒng)快速模擬生成法”。該方法“比“以溝代井”、排水子結(jié)構(gòu)法”,具有靈活快速的特點(diǎn)。
拓展了超大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定靜力分析系統(tǒng)
1. 提出了巖體工程仿真建模原則。
① 幾何仿真、本構(gòu)仿真、應(yīng)力狀態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真,提出了具有不連續(xù)介質(zhì)巖體變形和應(yīng)力分析的分區(qū)界面元有限元、無(wú)限元的混合計(jì)算方法。
② 采用連續(xù)計(jì)算的廣義統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò),既可反映巖體的軟弱面和施工流程的時(shí)變結(jié)構(gòu),又可進(jìn)行滲流場(chǎng)和變形場(chǎng)(應(yīng)力場(chǎng)) 的耦合計(jì)算。
③ 建立了圍巖穩(wěn)定性廣角度量化評(píng)判體系的理論和準(zhǔn)則,給出了穩(wěn)定分析的靜力法、超變形法、干擾能量法及其聯(lián)合方法,為量化評(píng)判圍巖的穩(wěn)定性奠定了力學(xué)基礎(chǔ)。④ 提出了基于偽初始地應(yīng)力的三維非線性位移反分析方法,根據(jù)信息反演出逼近實(shí)際初始地應(yīng)力場(chǎng)的新框架。
2. 建立了適應(yīng)于大型結(jié)構(gòu)計(jì)算的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)研究了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)并行計(jì)算環(huán)境和計(jì)算語(yǔ)言,在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)中,完成了適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的“ 有限元并行子結(jié)構(gòu)預(yù)條件共軛梯度法”、 “有限元多波前子結(jié)構(gòu)并行分析算法”、 “求解大型結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的有限元并行解法”及“ 巖石力學(xué)參數(shù)反分析并行算法”等新的計(jì)算方法。
3. 完成了超大規(guī)模計(jì)算的有限元數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)。在有限單元法基礎(chǔ)上發(fā)展出多體有限元法,解決層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和活動(dòng)塊體的計(jì)算問(wèn)題;根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析洞室的可能破壞區(qū)域,并提出了關(guān)于錨索布置的建議。
4.建立了非線性塊體單元法的基本理論。推導(dǎo)了有關(guān)縫面應(yīng)力、單元?jiǎng)哦?、整體支配方程等公式;建立了模擬錨桿作用的桿單元與塊體元統(tǒng)一的力學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算公式; 編寫了三維非線性塊體單元法的數(shù)值分析程序,對(duì)洞室松動(dòng)區(qū)的范圍及錨桿作用進(jìn)行了理論分析;它可以模擬分期開挖的施工過(guò)程和支護(hù)的加固作用。以溪洛渡水電站超大型地下洞室群為背景,研究了圍巖變形和應(yīng)力,洞室的穩(wěn)定性及松動(dòng)圈巖體變形模量對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響。
發(fā)展了超大型地下洞室群抗震計(jì)算分析系統(tǒng)
(1) 提出了二維動(dòng)力時(shí)域邊界元、可變形體離散元耦合模型及相應(yīng)的分析軟件。分析輻射阻尼和地震輸入對(duì)洞室群動(dòng)力變形穩(wěn)定的影響,對(duì)溪洛渡地下廠房洞室群抗震穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià);提出的耦合分析軟件不僅能模擬巖體本體、構(gòu)造面的線性、非線性力學(xué)特性,而且能在模型中統(tǒng)一考慮靜力、動(dòng)力荷載效應(yīng),該模型可對(duì)離散巖體的動(dòng)力變形、穩(wěn)定分析進(jìn)行仿真模擬,使地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力仿真分析向前推進(jìn)一大步。
(2) 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究。指出圍巖無(wú)限介質(zhì)的動(dòng)力相互作用以及洞室周邊地震波的散射作用,是計(jì)算地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素;建議的多重子結(jié)構(gòu)阻尼影響抽取法及其時(shí)域分析的簡(jiǎn)化途徑,可使計(jì)算在較大程度上得到簡(jiǎn)化,便于工程應(yīng)用;地下洞室結(jié)構(gòu)考慮地震動(dòng)空間隨機(jī)變化的隨機(jī)分析方法,研究了地震波的頻譜、波形、激勵(lì)主頻率、入射方向等多種因素對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地下洞室群地震響應(yīng)的影響,為工程設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。
超大型地下洞室群非線性非定值分析系統(tǒng)
(1) 提出了基于三維彈塑性有限元的可靠度計(jì)算方法。采用的基于增量理論的三維彈塑性偏微分法隨機(jī)有限元計(jì)算格式,可綜合反映多種隨機(jī)因素模擬施工開挖步序。
(2) 提出了地應(yīng)力場(chǎng)概率回歸分析方法。地應(yīng)力場(chǎng)是影響地下洞室圍巖穩(wěn)定主要因素,通常只能根據(jù)有限現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得出,具有較大的不確定性。本專題提出的方法考慮了地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與回歸計(jì)算模型的不確定性。
(3) 提出了圍巖錨桿(索) 加固的隨機(jī)力學(xué)分析方法。該方法可考慮錨桿間距和錨桿材料特性的隨機(jī)性,有利于對(duì)地下洞室圍巖的錨桿加固效果分析。
(4) 考慮滲流荷載的隨機(jī)性影響,研究出了相應(yīng)的隨機(jī)有限元分析方法和可靠度計(jì)算方法。
(5) 研究了在材料彈塑性效應(yīng)的影響下,圍巖可靠度對(duì)參數(shù)(彈模和強(qiáng)度及地應(yīng)力系數(shù)) 的敏感性。
(6) 針對(duì)溪洛渡地下廠房模擬了施工開挖步序。對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出的理論方法,對(duì)洞室開挖加錨前后及滲流場(chǎng)作用前后圍巖位移和應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)分布,進(jìn)行了計(jì)算分析,為溪洛渡水電站的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行提供參考的依據(jù)。
超大型地下洞室群施工仿真分析系統(tǒng)
(1) 改善了圍巖穩(wěn)定分析理論和計(jì)算方法。包括三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法; 三維彈塑性損傷有限元的計(jì)算方法;錨桿、錨索支護(hù)的計(jì)算方法; 施工分期開挖優(yōu)化評(píng)估方法;爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定影響的計(jì)算方法。
(2) 完成了溪洛渡左、右岸洞室群圍巖穩(wěn)定和施工開挖分析。包括三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律;地下廠房洞室群合理的開挖施工順序;洞室群合理錨固支護(hù)方式;洞室群施工爆破因素對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響等。
(3) 開發(fā)了三維洞室群圍巖穩(wěn)定的CAD 技術(shù)。包括用Auto CAD 剖分有限元網(wǎng)格的技術(shù);三維空間等值線自動(dòng)繪制方法;三維空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力顯示方法。
(4) 提出了集多種技術(shù)于一體的地下洞室群施工系統(tǒng)分析理論。即集循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析與優(yōu)化技術(shù)及動(dòng)態(tài)演示,使之更適合超大型地下洞室群施工的模擬計(jì)算分析。
社會(huì)效益及推廣應(yīng)用前景
本專題主要研究成果已應(yīng)用于溪洛渡和小灣工程的設(shè)計(jì)論證中。優(yōu)化后的地下廠房工程量與預(yù)可研階段同機(jī)組臺(tái)數(shù)比較,共節(jié)省石方洞挖量40 萬(wàn)m3 、鋼筋112 萬(wàn)t 、錨桿17 萬(wàn)根、錨索1 280 根、噴混凝土6 100 m3 , 共節(jié)省投資1181 億元,其中攻關(guān)成果的應(yīng)用共節(jié)省投資約6 000 萬(wàn)元。專題成果應(yīng)用于小灣尾水系統(tǒng),工程量初步計(jì)算可節(jié)省石方洞挖約11 萬(wàn)m3 、混凝土量約1 萬(wàn)m3 、噴混凝土量約4 500 m3 、錨索約570 根,經(jīng)濟(jì)效益估計(jì)在3 000 萬(wàn)元以上。本專題通過(guò)研究超大型地下洞室群有關(guān)共性的科研成果,具有廣泛的應(yīng)用前景,為我國(guó)在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下修建超大型地下廠房提供設(shè)計(jì)及科學(xué)依據(jù),具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
原作者：王仁坤,李 杰,尹曉林
調(diào)壓室結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)型式,從水力過(guò)渡過(guò)程的角度優(yōu)化尾1 攻關(guān)內(nèi)容水調(diào)壓室和水道系統(tǒng)的布置。本專題結(jié)合溪洛渡、小灣工程地下洞室群設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵2 攻關(guān)的主要成果技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行攻關(guān),攻關(guān)目標(biāo)和內(nèi)容為:
(1) 超大型地下洞室群的圍巖穩(wěn)定與支護(hù)方式研究。
超大型地下洞室群復(fù)雜巖體滲流問(wèn)題分析系統(tǒng)
究項(xiàng)目有:數(shù)值計(jì)算模型和計(jì)算方法、洞室圍巖應(yīng)力、變形仿針對(duì)溪洛渡工程特點(diǎn)及解決巖體復(fù)雜滲流問(wèn)題的需要, 真分析技術(shù)和方法,溪洛渡地下洞室群圍巖整體及局部穩(wěn)定研究復(fù)雜地層結(jié)構(gòu)有限元計(jì)算網(wǎng)格的自動(dòng)生成方法,以及對(duì)性、合理布置、穩(wěn)定加固措施,地下廠房防滲排水系統(tǒng)研究。大區(qū)域、高密度、多變化的防滲排水系統(tǒng)精細(xì)的有限元模擬
(2) 超大型地下洞室群合理施工順序研究。
包括開挖施方法、滲流應(yīng)力耦合模型工程應(yīng)用進(jìn)行研究。通過(guò)對(duì)滲流控工順序、不同的支護(hù)方式和支護(hù)參數(shù)及支護(hù)時(shí)間對(duì)圍巖穩(wěn)定制優(yōu)化和滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)的耦合分析計(jì)算,證明該滲流控制的影響研究,提出合理的開挖方式、開挖順序、支護(hù)方式、支分析系統(tǒng)具有的實(shí)用性。護(hù)時(shí)間和支護(hù)參數(shù),開挖爆破三維分析方法研究,探討施工
(1) 對(duì)溪洛渡電站地下廠房區(qū)的防滲排水系統(tǒng)進(jìn)行了多爆破對(duì)超大型地下洞室圍巖穩(wěn)定的影響,使超大型地下洞室方案比選,為滲控設(shè)計(jì)優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。圍巖穩(wěn)定與支護(hù)達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。
(2) 給出了裂隙的非線性彈塑性本構(gòu)模型,采用全耦合
(3) 超大型地下洞室群施工系統(tǒng)仿真及進(jìn)度研究。運(yùn)用理論對(duì)溪洛渡工程問(wèn)題進(jìn)行了耦合計(jì)算分析,對(duì)滲流場(chǎng)的控循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)制有了進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。計(jì)劃分析與優(yōu)化技術(shù)和動(dòng)態(tài)演示技術(shù),尋求合理的機(jī)械設(shè)備
(4) 提出了三維有限元計(jì)算網(wǎng)格自動(dòng)生成的“ 斷面節(jié)點(diǎn)配置、施工支洞配置、施工順序、經(jīng)濟(jì)可行的施工進(jìn)度?？刂品ā薄?duì)前期數(shù)據(jù)準(zhǔn)備只需在少量的控制斷面上完成。
(5) 高烈度地震區(qū)超大型地下洞室群的抗震穩(wěn)定性研三維計(jì)算網(wǎng)格的剖分是在全計(jì)算域上進(jìn)行;并可根據(jù)需要調(diào)究。結(jié)合溪洛渡工程研究地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的特點(diǎn)及其合理的計(jì)算模型,對(duì)超大型地下洞室群進(jìn)行抗震穩(wěn)定性評(píng)價(jià)。
基金項(xiàng)目:
“九五”國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目(962221205203)
(6) 溪洛渡水電站地下廠房洞室設(shè)計(jì)優(yōu)化研究。這項(xiàng)研作者簡(jiǎn)介: 王仁坤(1962 —),男,四川達(dá)縣人,國(guó)家電力公司成究包括主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室等三大洞室的合理布置都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院副總工程師, 教授級(jí)高級(jí)工程師; 李杰男(1962 與經(jīng)濟(jì)合理斷面的研究?！?,男,四川安岳人,國(guó)家電力公司成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院高工,主任
(7) 小灣水電站地下廠房洞室設(shè)計(jì)研究。研究?jī)?nèi)容包括工程師;尹曉林(1964 —),男,四川南充人,國(guó)家電力公司成都勘測(cè)地下廠房縱軸線布置和各洞室之間的間距優(yōu)化,提出合理的設(shè)計(jì)研究院高級(jí)工程師，室主任
(8) 提出了“高密度排水系統(tǒng)快速模擬生成法”。該方法“比“以溝代井”、排水子結(jié)構(gòu)法”,具有靈活快速的特點(diǎn)。
拓展了超大型地下洞室群圍巖穩(wěn)定靜力分析系統(tǒng)
1. 提出了巖體工程仿真建模原則。
① 幾何仿真、本構(gòu)仿真、應(yīng)力狀態(tài)仿真和動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真,提出了具有不連續(xù)介質(zhì)巖體變形和應(yīng)力分析的分區(qū)界面元有限元、無(wú)限元的混合計(jì)算方法。
② 采用連續(xù)計(jì)算的廣義統(tǒng)一網(wǎng)絡(luò),既可反映巖體的軟弱面和施工流程的時(shí)變結(jié)構(gòu),又可進(jìn)行滲流場(chǎng)和變形場(chǎng)(應(yīng)力場(chǎng)) 的耦合計(jì)算。
③ 建立了圍巖穩(wěn)定性廣角度量化評(píng)判體系的理論和準(zhǔn)則,給出了穩(wěn)定分析的靜力法、超變形法、干擾能量法及其聯(lián)合方法,為量化評(píng)判圍巖的穩(wěn)定性奠定了力學(xué)基礎(chǔ)。④ 提出了基于偽初始地應(yīng)力的三維非線性位移反分析方法,根據(jù)信息反演出逼近實(shí)際初始地應(yīng)力場(chǎng)的新框架。
2. 建立了適應(yīng)于大型結(jié)構(gòu)計(jì)算的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)。開發(fā)研究了相應(yīng)的計(jì)算機(jī)并行計(jì)算環(huán)境和計(jì)算語(yǔ)言,在計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)絡(luò)中,完成了適用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)并行計(jì)算的“ 有限元并行子結(jié)構(gòu)預(yù)條件共軛梯度法”、 “有限元多波前子結(jié)構(gòu)并行分析算法”、 “求解大型結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的有限元并行解法”及“ 巖石力學(xué)參數(shù)反分析并行算法”等新的計(jì)算方法。
3. 完成了超大規(guī)模計(jì)算的有限元數(shù)據(jù)處理程序設(shè)計(jì)。在有限單元法基礎(chǔ)上發(fā)展出多體有限元法,解決層間、層內(nèi)錯(cuò)動(dòng)帶和活動(dòng)塊體的計(jì)算問(wèn)題;根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析洞室的可能破壞區(qū)域,并提出了關(guān)于錨索布置的建議。
4.建立了非線性塊體單元法的基本理論。推導(dǎo)了有關(guān)縫面應(yīng)力、單元?jiǎng)哦?、整體支配方程等公式;建立了模擬錨桿作用的桿單元與塊體元統(tǒng)一的力學(xué)模型及相應(yīng)的計(jì)算公式; 編寫了三維非線性塊體單元法的數(shù)值分析程序,對(duì)洞室松動(dòng)區(qū)的范圍及錨桿作用進(jìn)行了理論分析;它可以模擬分期開挖的施工過(guò)程和支護(hù)的加固作用。以溪洛渡水電站超大型地下洞室群為背景,研究了圍巖變形和應(yīng)力,洞室的穩(wěn)定性及松動(dòng)圈巖體變形模量對(duì)洞室穩(wěn)定性的影響。
發(fā)展了超大型地下洞室群抗震計(jì)算分析系統(tǒng)
(1) 提出了二維動(dòng)力時(shí)域邊界元、可變形體離散元耦合模型及相應(yīng)的分析軟件。分析輻射阻尼和地震輸入對(duì)洞室群動(dòng)力變形穩(wěn)定的影響,對(duì)溪洛渡地下廠房洞室群抗震穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià);提出的耦合分析軟件不僅能模擬巖體本體、構(gòu)造面的線性、非線性力學(xué)特性,而且能在模型中統(tǒng)一考慮靜力、動(dòng)力荷載效應(yīng),該模型可對(duì)離散巖體的動(dòng)力變形、穩(wěn)定分析進(jìn)行仿真模擬,使地下結(jié)構(gòu)動(dòng)力仿真分析向前推進(jìn)一大步。
(2) 地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的研究。指出圍巖無(wú)限介質(zhì)的動(dòng)力相互作用以及洞室周邊地震波的散射作用,是計(jì)算地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的關(guān)鍵因素;建議的多重子結(jié)構(gòu)阻尼影響抽取法及其時(shí)域分析的簡(jiǎn)化途徑,可使計(jì)算在較大程度上得到簡(jiǎn)化,便于工程應(yīng)用;地下洞室結(jié)構(gòu)考慮地震動(dòng)空間隨機(jī)變化的隨機(jī)分析方法,研究了地震波的頻譜、波形、激勵(lì)主頻率、入射方向等多種因素對(duì)地下結(jié)構(gòu)和地下洞室群地震響應(yīng)的影響,為工程設(shè)計(jì)提供了基本依據(jù)。
超大型地下洞室群非線性非定值分析系統(tǒng)
(1) 提出了基于三維彈塑性有限元的可靠度計(jì)算方法。采用的基于增量理論的三維彈塑性偏微分法隨機(jī)有限元計(jì)算格式,可綜合反映多種隨機(jī)因素模擬施工開挖步序。
(2) 提出了地應(yīng)力場(chǎng)概率回歸分析方法。地應(yīng)力場(chǎng)是影響地下洞室圍巖穩(wěn)定主要因素,通常只能根據(jù)有限現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析得出,具有較大的不確定性。本專題提出的方法考慮了地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與回歸計(jì)算模型的不確定性。
(3) 提出了圍巖錨桿(索) 加固的隨機(jī)力學(xué)分析方法。該方法可考慮錨桿間距和錨桿材料特性的隨機(jī)性,有利于對(duì)地下洞室圍巖的錨桿加固效果分析。
(4) 考慮滲流荷載的隨機(jī)性影響,研究出了相應(yīng)的隨機(jī)有限元分析方法和可靠度計(jì)算方法。
(5) 研究了在材料彈塑性效應(yīng)的影響下,圍巖可靠度對(duì)參數(shù)(彈模和強(qiáng)度及地應(yīng)力系數(shù)) 的敏感性。
(6) 針對(duì)溪洛渡地下廠房模擬了施工開挖步序。對(duì)地下結(jié)構(gòu)提出的理論方法,對(duì)洞室開挖加錨前后及滲流場(chǎng)作用前后圍巖位移和應(yīng)力、圍巖塑性區(qū)分布,進(jìn)行了計(jì)算分析,為溪洛渡水電站的設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行提供參考的依據(jù)。
超大型地下洞室群施工仿真分析系統(tǒng)
(1) 改善了圍巖穩(wěn)定分析理論和計(jì)算方法。包括三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算方法; 三維彈塑性損傷有限元的計(jì)算方法;錨桿、錨索支護(hù)的計(jì)算方法; 施工分期開挖優(yōu)化評(píng)估方法;爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定影響的計(jì)算方法。
(2) 完成了溪洛渡左、右岸洞室群圍巖穩(wěn)定和施工開挖分析。包括三維初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律;地下廠房洞室群合理的開挖施工順序;洞室群合理錨固支護(hù)方式;洞室群施工爆破因素對(duì)圍巖穩(wěn)定的影響等。
(3) 開發(fā)了三維洞室群圍巖穩(wěn)定的CAD 技術(shù)。包括用Auto CAD 剖分有限元網(wǎng)格的技術(shù);三維空間等值線自動(dòng)繪制方法;三維空間結(jié)構(gòu)內(nèi)力和應(yīng)力顯示方法。
(4) 提出了集多種技術(shù)于一體的地下洞室群施工系統(tǒng)分析理論。即集循環(huán)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)、可視化面向資源建模技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃分析與優(yōu)化技術(shù)及動(dòng)態(tài)演示,使之更適合超大型地下洞室群施工的模擬計(jì)算分析。
社會(huì)效益及推廣應(yīng)用前景
本專題主要研究成果已應(yīng)用于溪洛渡和小灣工程的設(shè)計(jì)論證中。優(yōu)化后的地下廠房工程量與預(yù)可研階段同機(jī)組臺(tái)數(shù)比較,共節(jié)省石方洞挖量40 萬(wàn)m3 、鋼筋112 萬(wàn)t 、錨桿17 萬(wàn)根、錨索1 280 根、噴混凝土6 100 m3 , 共節(jié)省投資1181 億元,其中攻關(guān)成果的應(yīng)用共節(jié)省投資約6 000 萬(wàn)元。專題成果應(yīng)用于小灣尾水系統(tǒng),工程量初步計(jì)算可節(jié)省石方洞挖約11 萬(wàn)m3 、混凝土量約1 萬(wàn)m3 、噴混凝土量約4 500 m3 、錨索約570 根,經(jīng)濟(jì)效益估計(jì)在3 000 萬(wàn)元以上。本專題通過(guò)研究超大型地下洞室群有關(guān)共性的科研成果,具有廣泛的應(yīng)用前景,為我國(guó)在復(fù)雜地形、地質(zhì)條件下修建超大型地下廠房提供設(shè)計(jì)及科學(xué)依據(jù),具有重大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益。
原作者：王仁坤,李 杰,尹曉林
