三峡电源电站施工期地下厂房稳定分析.doc

精品论文推荐三峡电源电站施工期地下厂房稳定分析杨明化 河海大学水利水电工程学院，南京 （210098） e-mai：摘要：三峡电源电站地质条件复杂，施工干扰大,为保证施工期和运行期的安全，在地下 厂房布置了大量的监测仪器，对厂房施工期的围岩的变形性态与稳定性进行跟踪监测。通过 监测成果分析和运用 abaqus 有限元软件进行模拟计算分析，表明地下厂房工作性态正常， 监测仪器能真实反映所监测部位的受力变形特点,起到工程安全监测和验证设计的效果,为电 站安全运行管理奠定了良好的基础。关键词：三峡，施工期，安全监测，abaqus1.工程概况三峡电源电站是三峡水利枢纽的重要组成部分，是枢纽运行期用电的主供电源。厂址位 于升船机冲沙闸与左岸电站之间山体内，山体两侧坡度较大，且要受到水流的冲刷。引水系 统进水口设于升船机上游引航道隔流堤上，尾水系统出口位于左岸电站尾水渠。主厂房开挖 跨度 14m，总长度 58.5m，其中机组段长度 17m；顶拱高程 80.472m，开挖跨度 16.2m，桥 机轨顶高程为 72.5m，采用岩壁轨道梁型式。发电机层高程 62.8m，水轮机安装高程 52.0m， 尾水管底板高程 43.569m。从地质资料统计，电源电站地下厂房洞室顶拱上的微风化带及弱 风化带下部较完整岩体厚 24.24m31.34m，最小厚度为 22.58m，平均厚度为 26.60m，为最 大开挖度的 1.411.96 倍，存在局部地段上覆盖岩体厚度小于最大开挖度的 1.5 倍洞跨的规 范要求。施工期监测是随着施工进展，对厂房进行的位移、应力、应变、裂缝等监测，并及 时反馈，以保证施工安全和修改设计、指导施工，并为运行期监测积累前期资料。所以对电 源电站施工期的监测及研究就显得尤为重要，反馈分析对监控建筑物安全及降低工程造价等 方面有显著作用。三峡电源电站地下洞室位于岩体和各种软弱结构面组合的天然岩体中，依靠围岩和支护 共同作用保持洞室的稳定性。所以，厂房的稳定性和支护的工作状态是监测的重点。2.厂房监测系统电源电站装有两台混流式水轮机组，在两台机组中心线各设一个监测剖面，每个剖面布 设 3 点式多点位移计 8 套。布设在主厂房顶 2 套、上层排水洞 4 套、下层排水洞 4 套、岩锚 梁 4 套和尾水管顶板 2 套。通过对现场观测资料进行时序分析，结果表明：电源电站地下主厂房顶板呈现压缩变形， 其变形量随洞室开挖的结束逐渐趋于稳定；主厂房的侧壁有呈压缩变形也有呈松弛变形，但变形量不大。多数测点的位移变化平缓，说明其变形逐渐趋于稳定，其典型的测点位移变化时序曲线如图 1 所示。从监测数据可以看出，目前地下厂房运行并未出现异常。-5-主厂房号机组下游侧壁 桩号:x=20+224.381,y=47+928.841,z=71.0m4035 吊车梁浇筑302520151050位移(mm)0.40.350-0.05-0.1-0.1538204 38354 38504 38654 3880438954 温度()1#点(3m) 2#点(8m)3#点(15m)图 1 m7dydz 位移及温度变化过程线fig1 the change process of m7dydz displacement and temperature3.厂房非线性有限元仿真模拟三峡工程地应力的测量重点在左岸永久船闸和右岸地下电站，电源电站所在地未进行地 应力实测。电源电站区引用下式进行地应力计算微新岩体的地应力值；全强风化带可近似的 按散体自重引起的水平应力考虑；弱风化带可按下列直线方程 0.28 倍作为弱风化带的水平 应力。x=5.2641+1.159610-2 h y=5.475+1.178110-2 h z=0.975+3.192010-2 h xy=0.3466-6.111710-2h（式 1） yz=0.9901-6.280310-4 hzx=0.1279+1.46510-4 h本模型采用 abaqus 有限元分析软件对厂房及周围岩体进行分析计算。模型中计算范围：厂房上下游计算范围取 2 倍厂房宽度；厂房左右面方向计算范围取 2 倍厂房长度；房底板以下取 2 倍厂房高度；操作室顶拱至地面。采用整体笛卡儿直角坐标系： y 轴铅直向上为正；z 轴平行于洞室厂房布置轴线，指向左岸为正；x 轴垂直于厂房布置轴 线，指向下游为正。岩石物理力学参数2如下表所示表 1 三峡电站岩体物理力学参数tab.1 the physical and mechanical parameter of the three gorges power station rock岩石 名称风化分带 容重 岩体弹性 泊松比岩体抗剪强度 屈服强度 (kn/m3) 模量(gpa) f c(mpa)y(mpa)闪云斜长 花岗岩微风化带 27.00 40.00 0.20 1.70 2.20 0.2572 1.7297 弱风化带26.80 29.00 0.25 1.30 1.40 0.2402 1.3444强风化带 26.50 1.00 0.30 1.00 0.40 0.2182 0.4536 全风化带26.50 0.05 0.40 0.80 0.20 0.1959 0.2545构造 岩煌斑岩脉 26.70 19.00 0.25 1.00 1.10 0.2182 1.2473 碎裂岩26.00 15.00 0.25 0.95 0.93 0.2133 1.0852花岗岩脉 27.00 26.00 0.23 0.90 0.90 0.2080 1.0809计算中模型的边界条件均取位移边界条件：上、下游边界和左、右边界及约束其 y 方下边界均采用固定约束的约束方式，模型的顶面不施加任何约束。三维计算模型单位总数：节点总数 102988 个，单元总数 101316 个。 初始地应力主要是岩体自重和地质构造作用的结果，有时还存在地下水应力和温差应力等，一般由现场量测结合反演分析的方法确定3。本文借鉴“边界荷载调整法”的主导思想， 考虑到地应力的基本分布规律：（1）地应力是一个具有相对稳定的非稳定场，它是时间和空间的函数；（2）实测垂直应力等于上覆岩层的重量；（3）水平应力普遍大于垂直应力；（4）平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减少，但在不同地区，变化的速度 很不相同。故本文的应力场计算中，上覆岩体以自重应力场为主（v =h ），模型水平向构造 作用大小为侧压力系数为 k 的水平应力场(y=x = kv)，通过调整 k 值来模拟实际初始 地应力场。通过调整 k 值，得到的厂房位移云图与实际的监测数据比较，在 k=1 时，位移 变化时序曲线拟合的最好。岩体整体剖面图如下所示。图 2 岩体位移剖面图图 3 岩体应力剖面图fig2 the cutaway view of rock displacementfig3 the cutaway view of rock stress从计算结果可以看出，在厂房 2 号机组断面的位移最大值为 7.92mm,岩体为压缩变形， 出现在厂房顶端，与实测监测数据比较，位移最大值为 7.22mm（m11dydz）;在厂房侧壁 处，最大位移出现在岩锚梁部位，最大值为 5.28mm，此部位的多点位移计所监测的最大值 为 4.58mm，变形均为压缩变形。其位移及其对应的应力云图如图 4、图 5 所示。整个厂房区的围岩在地下厂房开挖后，经过应力重分布，应力场由原来模拟的均匀场变 为明显的不均匀场。厂房开挖造成周围的岩体内地应力产生释放，有的地方则发生应力集中 现象，但影响的范围不是很大。从模型的计算结果来看，厂房岩体处于稳定状态。图 4 2 号机组断面位移云图图 5 2 号机组断面应力云图fig4 the figure of 2# unit section displacementfig5 the figure of 2# unit section stress4.厂房计算结构反馈分析将现场量测数据和计算数据相比较，计算结果普遍大于监测结果，这是由以下几方面造 成的：仪器埋设未能与开挖同时进行，一般的，多点位移计大多是在掌子面埋设，即在开 挖至一定程度时才埋设，这就造成由开挖卸荷引起的岩体变形未被监测设备记录下来；本 文开挖计算时，未考虑支护作用的影响，充分考虑了地应力的释放。但支护一般对岩体掌子 面的变形有较大的约束影响，而对深层次则影响较小，尤其是对质量较好的岩体；由于地 下岩体的复杂、多样和模糊性，建模时要进行适当的简化，不可能做到非常客观的、精确的 模拟。鉴于以上三点原因，计算数据普遍大于监测数据，这也正好验证了该计算结果有很好 的参考价值。需要指出的是，在实际的监测中，处理数据时认为仪器埋设最深测点位移为零，因为我 们认为最深处测点为不动点，显然绝对的不动点是不存在的，但如果以位移值较大部位作为 位移计的不动点也是不合理的。所以在设定不动点时，应该结合地质勘探，考虑掌子面、断 层和裂隙等软弱结构面，不动点不能设在靠近这些面处。从计算结果可知，地下厂房上下游 侧靠近开挖面的测点值较大，上游侧位移相对下游侧更大，这与监测数据相吻合，主要原因 是由于上游侧有岩层交界面等结构弱面通过，可见，岩层交界面等软弱结构面对洞室岩体变 形影响显著，是关系洞室稳定的主要因素之一。5.结语通过对监测资料的分析及对厂房岩体的有限元模拟计算，对厂房岩体稳定性的初步评是 整体稳定性较好，目前未出现异常现象。参考文献1 吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用m 北京:高等教育出版社,2003. 2 岩石力学参数手册，北京:水利电力出版社，1991.5，p4095243 刘元勋，邓抒豪，地下厂房围岩稳定分析探讨j，人民珠江，2005，1：40-42stability analysis in construction period of three gorges underground powerstationyang minghuahohai university，nanjing （210098）abstractbecause of complex geological conditions and construction interference in the three gorgespowerstation, to ensure the construction and operation of the safety, lay a lot of monitoring equipment in the underground to monitor the construction state of rock deformation and stability of the state track. through analyzing the monitoring data and abaqus, the results truly reflect the characteristics of stress and deformation at the moni