（水工结构工程专业论文）三峡地下电站围岩稳定分析及其变形预测研究.pdf

摘要 地下工程围岩体系是高度非线性复杂大系统，它与外界环境存在着物质和能 量交换，是一个不断变化着的开放系统，并处在不可逆演化之中，非线性是围岩力 学行为的本质特征。地下洞室围岩稳定问题的实质，是研究洞室开挖后，围岩内 初始地应力的重分布问题，因此获得满足工程要求的初始地应力场是围岩稳定分 析的前提。国内外许多学者对地下工程做了大量的理论和实践研究工作。在研究 中，许多数值模拟计算模型被采用，计算结果表明了数值模拟的合理性。 本文基于a n s y s 有限元仿真分析软件，首先研究了地下洞室的非线性有限 元的弹塑性基本理论，明确了在弹塑性基本理论下材料的基本方程、本构关系和 屈服准则，并重点探讨了该方法在地下洞室结构性态分析中的应用技术。在此基 础上大量阅读已有的有关水利工程数值模拟方面的文章，结合三峡电站地下厂房 工程，研究了有限元的建模技术，并探讨了在a n s y s 软件中的具体实现方法。 建立了三蛱电站地下厂房工程三维有限元分析模型，计算了不同侧压系数下洞室 的应力和位移，分析了围岩的结构性态，计算结果分析表明围岩是趋于稳定。预 测了地下厂房关键部位个别典型测点的位移，位移预测结果是收敛的，围岩趋于 稳定，与实际情况相符合。 本文的分析与研究都基于三峡电源电站地下厂房工程，有明确的工程实践背 景。研究表明，岩体变形预测、地应力模拟结果都较符合客观事实。 关键词：初始地应力、围岩稳定、地下洞室、a n s y s 、非线性有限元 a b s t r a c t u n d e r g r o u n dw a l lr o c k ss y s t e mi s ah i g h l y c o m p l e xn o n l i n e a rs y s t e m ，a c o n s t a n t l yo p e ns y s t e me x i s t i n g i nt h ei r r e v e r s i b l ee v o l u t i o n ，t h ee x c h a n g eo f m a t e r i a l sa n de n e r g yo c c u r r i n gb e t w e e nw h i c ha n dt h ee x t e m a le n v i r o n m e n t ，a n d n o n l i n e a ri se s s e n c eo fm e c h a n i c sf e a t u r e s t h er e d i s t r i b u t i o no ft h ei n i t i a ls t r e s s w i t h i nt h ew a l lr o c k sa f t e re x c a v a t i o ni st h ee s s e n c ef o rt h es t a b i l i t yo fu n d e r g r o u n d c a v i t i e s w a l lr o c k s ，t h e r e f o r et h ep r e r e q u i s i t ei st oo b t a i nt h ei n i t i a ls t r e s sf i e l d m e e t i n ge n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s n l et h e o r ya n dp r a c t i c eo fr e s e a r c hh a v ed o n eo n u n d e r g r o u n de n g i n e e r i n g ，i nw h i c hm a n yn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm o d e sw e r eu s e da n d t h er e s u l t ss h o w sr e a s o n a b l e b a s e do nt h ea n s y ss i m u l a t i o ns o f t w a r e t h et e x ts t u d i e sn o n l i n e a r e l a s t i c p l a s t i c f i n i t ee l e m e n tt h e o r i e sa b o u tt h eu n d e r g r o u n dc a v e r n s ，a n dt h e n u n d e r s t a n d st h eb a s i ce q u a t i o n , t h es t r e s s - s t r a i nr e l a t i o na n dy i e l dc r i t e r i o no f m a t e r i a l u n d e re l a s t i c p l a s t i ce l e m e n t a lt h e o r i e s ，a n d f i n a l l yf o c u s e s o nt h em e t h o di n u n d e r g r o u n dc a v e r n ss t r u c t u r a la n a l y s i so ft e c h n o l o g y m a k ear e s e a r c ho i lm o d e l i n g t e c h n o l o g ya n ds t u d yt h em e t h o di nw h i c hm o d e l i n gt e c h n o l o g yh a sb e e na c t u a l i z e d w i t ha n s y st h r o u g hr e a d i n ga r t i c l e so nt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o nt oh y d r a u l i c p r o j e c t sa n dc o m b i n i n gt h e t h r e eg o r g e su n d e r g r o u n dp o w e rs t o l o n p r o j e c t e s t a b l i s h i n gt 1 1 e3 df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lt ou n d e r g r o u n dp o w e rh o u s eo f t h r e eg o r g e sh y d r o p o w e rs t a t i o n ，c a l c u l a t et h ed i s p l a c e m e n ta n ds t r e s ss t a t eo fw a l l r o c k s ，a n a l y z et h es t a b i l i t yo fw a l lr o c k sa n dt h er e s u l t sp r o v et h es t a b i l i t yo fw a l l r o c k s p r e d i c tt h er e p r e s e n t a t i v em e a s u r e dp o i n t s d i s p l a c e m e n to ft h eu n d e r g r o u n d p o w e r h o u s e sk e yc o m p o n e n t sw h i c hs h o w st h ed i s p l a c e m e n tc o n s t r i n g e n c ya n dw a l l r o c k ss t a b i l i t ya c c o r d i n gw i t ht h er e a lp r a c t i c e s n ea n a l y s e sa n dr e s e a r c ha r eb a s e do nu n d e r g r o u n dp o w e rh o u s eo ft h r e e g o r g e sh y d r o p o w e rs t a t i o nw h i c hh a st h es p e c i f i cb a c k g r o u n do fe n g i n e e r i n g t h e s t u d i e ss h o wt h er e s u l t so ft h er o c km a s sd e f o r m a t i o n sp r e d i c t i o na n dt h ee a r t hs t r e s s s t i m u l a t i o na c c o r d i n gw i t ho b j e c t i v ef a c t s k e yw o r d s ：i n i t i a lg e o s t r e s s ，s t a b i l i t yo fw a l lr o c k ，u n d e r g r o u n dc a v i t y , a n s y s ， n o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者签名k 乏碍毒誓一弘刁年 g - , 9p日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或 电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外， 允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ：。盈竿簟芝丞一7 川年 ，月炉日 第一章绪论 1 1 研究背景和现实意义 第一章绪论 我国水力资源丰富，可开发的水电容量达3 7 8 亿k w ，居世界首位。受地形 和气候条件的控制，中国的水力资源大部分集中在西南高山峻岭地区。由于这一 地区雨量充沛，河谷狭窄陡峻，适宜修建许多高水头大容量的水电站。为了集中 高水头落差，常需布置长引水隧洞或高坝。据统计，中国已建成长度4 k m 以上引 水发电隧洞2 2 座，不少2 0 k m 以上直至l o o l a n 以上的引水发电隧洞将待修建。同 时高山狭谷地区修建高坝，地下厂房常是经济的，有时是唯一的选择m 。因为在 地上空间利用有限的条件下，采用地下厂房有利于施工导流布置、枢纽泄洪消能 布置、大坝主体混凝土快速浇筑，又可减少溢洪时雨雾对水电站运行的影响、缩 短建设周期、节省工程总投资等m 。 随着我国水电建设的发展，水电站地下厂房的规模也愈来愈大。2 0 世纪5 0 年代所建地下厂房单机容量不超过i o i v l w ，厂房跨度仅l o m 左右。至2 0 世纪9 0 年代，地下厂房的最大跨度已达2 5 5 m ( 二滩) 和2 6 4 m ( 大朝山) ，甚至在一些河 谷较宽的高坝也采用地下厂房布置，如百色水电站、向家坝水电站等。据统计， 目前已建成水电站厂房1 0 0 多座而装机超过i o o m w 以上的地下厂房水电站就有 2 0 多座( 其中最大的已建地下厂房尺寸为2 8 0 3 2 5 5 x 6 3 9 m ( 二滩水电站) 0 1 ， 最大的在建地下厂房尺寸为3 9 7 x3 2 8 7 8 2 m ( 溪洛渡水电站) ) ，积累了较丰富 的地下厂房设计、施工及运行的经验。随着我国水电建设向高山地区的发展，今 后将必然兴建更多的规模更大、技术难度也更大的地下厂房式水电站。对于这种 超大型地下洞室群，如何解决好众多洞室在开挖过程中的洞室围岩稳定问题，确 保地下厂房能长期、安全、稳定的运行；如何达到设计和施工经济性、合理性， 已成为当前工程界十分关注和亟待解决的问题。因此，超大型地下洞室群的开挖、 稳定、设计等问题的研究对于提高国家水力水电、岩土建设水平，推动国家特别 是西南地区的水电事业发展，改善工程所在地区的经济状况，有着非常重要的现 实意义。其中表1 1 为我国已建成大于l o o m w 的地下厂房水电站统计资料。 高水头、大流量是我国大型水电站的特点。由于河谷狭窄，常要大断面泄洪 洞来渲泄洪水，施工期需要大断面隧洞来导流。例如，雅砻江上的二滩水电站导 流隧洞断面达1 7 5 2 3 m 。小浪底泄洪隧洞直径1 4 5 m ，泄洪时洞内最高流速达 3 0 5 0 m s 。同时我国幅源辽阔，但水资源相对贫乏且分布极不均一。为了解决 干旱地区工农业用水，需要进行跨流域调水。不少跨流域调水工程输水干线穿过 分水岭及山岭地带，主要依靠水工隧洞引水。几十年来，仅在水利水电工程中已 河海大学硕士学位论文 建成水工隧洞总长度超过5 0 0 k i n ( 包括有压洞、无压洞、压力钢管道、压力竖井 及斜井等) “ ”。从岩体力学来看，我国水电工程地下洞室建设的重大发展在于 以下几点随”： ( 1 ) 设计理论的发展。过去将地下洞室的围岩视为外载，采用普氏或者太沙 基散粒体理进行稳定分析。2 0 世纪6 0 年代以来，设计理论有了重大的改革，即 将围岩由外载转变为承载结构，设计理论则由散粒体理论变为弹塑性体理论，建 立了岩体支护的概念。 表1 1 我国已建水电站地下厂房统计表( 装机容量大于i o o m w ) 装机容量 覆盖层 序号名称地质厚度 开挖尺寸( 长宽衬砌 ( 砌高) ( m )形式 ( m ) l刘家峡2 2 2 5 = 4 5 0石英片岩5 58 5 1 2 3 9 x 6 0 9a 2 映秀湾 3 4 5 = 1 3 5花岗闪长岩2 0 08 1 8 1 6 3 4 8a 3渔子溪 4 x 4 0 = 1 6 0 花岗闪长岩 2 5 06 1 6 x 1 4 3 3 4a 4龚咀3 1 0 0 = 3 0 0花岗岩5 01 0 6 x 2 4 5 5 5 a 5 西洱河 3 x 3 5 = 1 0 5 片麻岩 5 05 6 2 1 8 3 0a 6 自山 3 3 0 0 = 9 0 0 混合岩 l l o1 2 1 5 2 5 x 5 4 3a 7明湖4 2 5 0 = 1 0 0 0砂岩1 2 7 ，2 x 2 1 2 x 4 5 5 a 8 渔子溪 4 x 4 0 = 1 6 0 花岗岩 5 6 4 1 8 3 1 9b 9 鲁布革 4 1 6 0 = 6 0 0 自云岩 3 0 01 2 5 x1 8 3 8 4b 1 0广蓄一4 3 0 0 = 1 2 0 0花岗岩4 0 51 4 5 x 2 1 4 5 6 b i i 东风 3 1 7 0 = 5 i 0 灰岩 1 2 01 0 5 5 2 1 5 5 2b 1 2 大广坝 3 x 6 0 = 1 8 0 花岗岩 1 48 7 1 4 3 5 7b 1 3太平驿4 6 5 = 2 6 0花岗岩2 4 01 5 6 x 2 1 4 6 b 1 4 明潭 6 2 6 7 = 1 6 0 2 砂岩 3 0 01 4 9 2 0 7 4 4 6 1 5 十三陵 4 2 0 0 = 8 0 0 砾岩 2 5 01 1 2 1 1 9 7 x 4 1 4 1 6= 滩6 5 5 0 = 3 3 0 0玄武岩3 5 08 0 3 2 5 5 x 6 3 9 b 1 7 天荒坪 6 3 0 0 = 1 8 0 0 凝灰岩 3 0 02 0 0 2 1x 4 6b 1 8 小浪底 6 3 0 0 ：1 8 0 0 砂岩l l o 1 5 5 2 6 2 x 6 1 4b 1 9 广蓄二 4 3 0 0 = 1 2 0 0 花岗岩 1 4 5 x 2 l 4 5 6 b 2 0江垭 3 x1 0 0 = 3 0 0 灰岩 1 5 01 0 7 x1 9 4 6 5b 2 1 大朝山 6 2 2 5 = 1 2 5 0 玄武岩 2 3 4 x 2 5 4 x 6 3b 注：衬砌代号：a 钢筋混凝土：b 一喷锚。本表按建造时序排列 ( 2 ) 地下洞室的计算方法已由定性经验法发展到数值模拟法，其中两类方法 贡献最大：一为不连续体即块体法，将岩体分为一系列的块体，运用关键块法、 2 第一章绪论 d i ) a 法、不连续变形法、d e m 、离散单元法对地下洞室围岩进行分析；二是将围 岩看成连续介质，即按弹塑性模型进行分析。一般分析在地应力、渗水等作用下 进行开挖时，对围岩稳定进行评定。计算机的运用为地下洞室的计算开辟了新的 道路。 ( 3 ) 稳定的判据：地下洞室的稳定分析和地面结构有很大的不同。地面结构 用安全系数作为判据，分析结构的安全度。而地下结构则根据不连续介质及连续 介质的变形稳定进行分析，根据弹塑性理论和不连续体理论计算岩体的屈服变 形、块体滑动变形、看是否达到稳定收敛作为判据。岩体失稳的因素甚为复杂， 计算岩体稳定要以多种方法多种力学模型进行分析。目前，分叉理论、局部化理 论及稳定局部化问题已经成为研究的新课题。 ( 4 ) 地下洞室群的施工优化：水电工程的地下洞室往往成群出现，如主厂房、 引水管及副厂房、交通洞、调压并等，规模巨大，在施工安排上，可以有许多不 同的配置，如主厂房分为几层施工。引水管分为不同层次施工，诸管道互相组合 施工，从中可以找出有利于围岩稳定而且经济的施工方案。从全局出发，求出优 化方案，找出最优的分析施工模拟系统，这也是近期的发展。 1 2 围岩稳定分析的研究方法 1 2 1 围岩稳定分析方法 根据地下洞室围岩稳定性分析模型，大致可以将常有的围岩稳定分析方法分 为以下几类： ( 1 ) 围岩分类法 围岩分类法为定性分柝法，是根据拟建地下洞室的工程地质条件、岩体特性 和动态观测资料结合具有类似条件的已建工程，开展资料的综合分析和对比，从 而判断工程区岩体的稳定性，取得相应的资料进行稳定计算。由于岩体地质条件 十分复杂，其稳定性和影响因素之间的关系是一个典型的多维非线性系统，很难 用一个数学公式准确地概括所有情况。对于具体的地下工程，各影响因素的影响 程度也不尽相同，岩石力学的理论至今发展不够成熟。所以，应用工程地质类比 方法对围岩的整体稳定性进行综合评价，确定围岩类别对地下工程有着重要的作 用。围岩分类的实质就是正确认识和反映客观实际，从工程地质的角度对围岩的 各种差异进行概括、简化和归纳，然后加以分类，并结合工程特征进行稳定性分 析和评价，为设计、施工提供科学的依据。对围岩分类的基本要求是类别明确， 便于使用，能够体现已有的工程经验和认识。目前已有二十多种围岩分类法脚， 常用的有普氏分级法、岩芯质量指标法( r q d ) 、r m r 分类法、r s r 分类法、q 分类 河海大学硕士学位论文 法、围岩位移量分类法、围岩稳定性指数分类法、岩体工程地质力学分级和煤炭 部五类围岩分类表法等。 ( 2 ) 解析法 解析分析法是指采用数学力学计算求取闭合解的方法。弹性、黏弹性及弹塑 性介质中圆形洞室的封闭解和椭圆形的弹性理论解通过复变函数法可以求得 ”，可直接运用到工程实际之中。对于其它形状( 如矩形、马蹄形等) 洞室， 可通过复变函数法求取近似解。运用复变函数进行非圆形洞室分析的前提是获取 洞室的复变函数，因此如何求取简单合理的映射函数成为近年来研究的一个热 点，如范广勤等( 1 9 9 3 ) “”应用三个绝对收敛级数相乘法求解非圆形洞室的外域映 射函数，朱大勇等( 1 9 9 9 ) “”提出了一种新的可以求解任意形状洞室映射函数的 计算方法，并将其用于复杂形状洞室围岩应力的弹性解析分析。解析法具有精度 高、分析速度快和宜于进行规律性研究等优点，所以在工程实践中仍不失为一种 基本的围岩稳定分析方法。 ( 3 ) 物理模拟法 根据相似性原理和量纲分析原理，通过模型或模拟试验的手段来研究围岩中 的应力应变状态，进而研究其稳定性。常用的方法主要包括模型试验、离心试验 和光测弹性法。其中模拟试验是广泛应用的方法，它能较好地模拟岩体及工程的 实际情况，还能模拟多种支护结构的有效性。尽管地下工程围岩稳定性问题的研 究始终与模型试验相伴随，但是模型与实际工程问题的相似性是模型试验解决问 题的关键。理论分析时，往往需对原型进行一定的简化和假定，且分析中所用参 数的精度和可靠度也有限，由此导致理论分析结果与工程实际状况往往存在一定 偏差。针对理论分析中的种种缺陷和不足，国内外不少学者开展了大量的模型试 验研究工作，得出了许多有益的结论。如荷兰s c b a n d i s “”等在模拟高地应力 条件下的圆形洞室开挖模型试验后，认为即使在超高应力条件下，围岩的各向异 性性质还是很明显，其二次应力和变形都由岩体构造控制。模型试验方法多用于 重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。 ( 4 ) 数值模拟法 数值模拟法是通过对地质原型的抽象并借用有限元等数值分析方法来分析 计算不同工况下岩体中的应力状态以及围岩稳定性等课题。2 0 世纪7 0 年代以来， 随着数学、力学理论以及计算机技术的发展，数值分析方法在工程地质和岩土工 程领域得到应用，并作为解决复杂介质、复杂边界条件下这类工程问题的重要工 具而逐渐得以推广“”。大量的实践经验说明，工程岩体稳定问题主要是一个岩体 结构的问题。因此，结构面的处理就成为地下工程岩体稳定数值模拟的重点。就 目前的数值计算而言，从分析原理、基本思路和适用条件等方面可分为以下几种： 有限元法 第一章绪论 1 9 6 6 年，b l a k e w 最先应用f e m 解决地下工程岩石力学问题。经过几十年的发 展，有限元已经成为一种相当成熟的数值分析技术，可用于求解线弹性、弹塑性、 黏弹塑性、黏塑性等问题，是地下工程岩体应力、应变分析最常用的方法“”。 其优点是可以部分考虑地下结构岩体的非均质和不连续性，可以给出岩体的应 力、变形大小和分布，并可近似地依据应力、应变规律去分析地下结构的变形破 坏机制。为了模拟岩体中存在的断层、节理、裂隙等结构面，考虑其非连续性， 可按结构面的特征采用不同的处理方法脚1 。有限元法的应用是否真正有效主要取 决于二个条件啪：一是对地质条件的准确了解，如岩体深部岩性变化界限、断层 的延展情况、节理裂隙的实际分布规律等；二是对介质物性的深入了解，即岩体 各组成部分在复杂应力及其变化的作用下的变形特性、强度特性及破坏规律等。 d o a 方法 不连续变形分析方法d d a 是石根华与g o o d m a n 提出的一种新的数值分析方法 。它是基于岩体介质非连续性发展起来的，其目的是研究非连续块体系统不连 续位移和变形。主要分析对象是大小不同、形状任意的弹性块体集合体，以其天 然存在的不连续面( 如岩体的节理、断层，砂砾之间等) 分割集合体，形成形状 任意的单个块体单元。在该模型中，各块体之间满足平衡方程，但放松了对变形 的协调性要求，块体接触面上采用合适的摩擦方式来消耗能量，可以发生脱离、 开裂和滑移，但不容许相互嵌入，且不能承受拉力。通过块体间的接触条件和运 动学的约束条件，将各个块体有机地联系起来，形成一个块体系统，用最小势能 原理建立了单个块体的单元刚度矩阵及块体系统的总刚度矩阵。与有限元法不同 之处是，它可以计算不连续面的位错、滑移、开裂和旋转等大位移的静力和动力 问题脚1 。目前，二维d d a 法已经形成了比较完善的理论体系，但是在三维情况下， 由于块体之间的接触关系十分复杂，突出的问题就是难以建立三维d d a 的接触理 论。因此，三维d d a 的研究还未完善，还未形成一套完整的可以支配诸多三维块 体之间的完整的接触理论m “。 边界元法 边界元法b e m 又称为边界积分方程法，由英国学者b r i b b i a 总结提出，并从 2 0 世6 0 年代开始在工程计算中得到应用。该法只在求解区域的边界上进行离散， 这样就把考虑问题的维数降低了一维，这也是边界元法的优点。另外，边界元法 计算精度高，应力和位移具有同样的精度。当仅需要知道物体内部个别点的解时， 有限元仍不得不剖分整个物体才能确定个别点的解；而边界元则可以在已知边界 上的解后，根据需要去求物体内部预知点的解，可以比有限元大大节省计算量和 费用。但边界元法的系数阵是满阵，远比有限元剐度矩阵的结构复杂。对于面体 比比较大的薄壁结构等物体，边界元法就不如有限元优越了，而且边界元法对奇 异边界难于处理。另外，边界元法对变系数、非线性等问题较难适应，且它的 河海大学硕士学位论文 应用是基于所求解的方程有无基本解，因此限制了边界元法在更广泛领域的应 用。然而，边界元法和其它数值方法如有限元法的联合使用，却为解决愈来愈广 泛的问题开辟了新的途径。 离散单元法 离散单元法d e m 是1 9 7 1 年由c u n d a l l 首先提出的嘲“特别适用于节理岩体及 其与锚杆( 索) 的应力分析随叫。其基本思想是岩块之间的相互作用，同时受表征 位移一力的物理方程和反映力一加速度( 速度、位移) 的运动方程的支配，通过迭 代求解显示岩体的动态破坏过程。该方法以结构面切割而成的离散体为基本单 元，其几何形状取决于岩土结构中不连续面的空间位置及其产状，应用牛顿运动 定律描述各块体的运动过程，块体可以发生有限移动与转动，体现了变形和应力 的不连续性。离散单元法中一个基本假定是块体运动时动能将转化成热能而耗散 掉，因此，在计算中即使是静力问题也必须人为地引入黏性阻尼器以使系统达到 平衡，块体运动趋于稳定。与有限元等数值方法不同，在这类方法中，块体单元 的划分不同就会得出不同的、甚至是截然不同的结果。尽管如此，在结构面已将 岩体完全切割成块体状的情况下，采用该方法仍是十分有效的，如用来分析边坡 及裂隙发育地区工程的坍方和支护等。但当岩体并未被结构面切割成块体的集合 时，该方法就不甚适合。 有限差分法 为了克服有限元等方法不能求解大变形问题的缺陷，c u n d a l l 根据有限差分 法的原理，提出了f l a c 数值分析方法。该方法采用了混合离散方法、动态松弛 方法和显式差分方法，不形成刚度矩阵，适合于模拟地质材料在达到强度极限或 屈服极限时发生的破坏和塑性流动的力学行为；适合于模拟地质材料的大变形、 失稳、动力、流变、支护与加固、建造及开挖等问题；同时还可以模拟渗流场和 温度场对岩土工程的影响。作为新型数值方法之一，有限差分法已与离散元法、 不连续变形分析法和半解析元法等一起成为分析岩土力学问题的强有力的工具， 得到了广泛的应用o 。“。它的求解方法虽同离散元法的显式按时步迭代求解，但 是结点的位移连续，本质上仍属于求解连续介质范畴的方法。 块体单元法 任青文等提出的块体单元法以块体单元的刚体位移为基本未知量，根据块体 在外力和缝面应力作用下的平衡条件、变形协调条件和缝面材料的本构关系，采 用变分原理导出块体单元的支配方程嘲。根据缝面材料不同的本构关系，可以对 结构进行弹性、弹塑性或流变分析1 。这种方法可以解决非连续介质问题，特别 适用于解决具有众多节理、裂隙岩体的变形、应力和稳定分析，具有效率高、精 度好等优点。 ( 5 ) 系统工程法 第一章绪论 常规的围岩稳定分析方法一般将围岩的地质因素、工程结构因素、洞室开挖 支护过程等尽可能地细分，通过理论分析建立数学模型，进行确定性因果关系的 力学分析，以分析结果可供精确定量使用为目标进行数学模拟。但是随着地下工 程规模的扩大和新奥法的产生与发展，出现了传统的概念和方法难以解决的难 题。由于地下工程建设系统具有多层次、多因素等特点，结构非常复杂，每一结 构的几何物理状态和力学性质等是逐点变化的，地下工程充满了复杂性与模糊 性。对岩体中结构面的历史和现状，实际上无力查清并作精确描述。而地下工程 建设系统各个组成部分又是有组织的、形成有特定功能的整体，因此隧道力学分 析完全具备系统科学中所研究的“系统”的特征，围岩稳定分析应该是对复杂的 围岩系统的稳定性的模糊化认识和控制所作的数学模拟。它的对象是一个具有大 量的处于相互作用之中的元素的复杂系统，其结构与信息等具有一定的模糊性， 因此要求以系统科学作指导、以系统工程方法结合岩石力学常规理论来进行地下 工程围岩的稳定分析滔一。文献m 详细分析了围岩稳定分析系统的输出围岩 变形曲线的规律，并给出了具体的灰色系统分析方法及建模步骤。文献渊在将地 下工程围岩视为一个灰色系统的基础上，用灰色关联方法进行了地下工程围岩稳 定分析。 ( 6 ) 不确定性方法 影响地下洞室围岩稳定性的因素主要为地层岩性及其产状、构造结构面组合 形态、地应力状态以及水的赋存情况等，这些因素具有很大的不确定性。传统 分析方法用一个笼统的安全系数来考虑众多不确定性的影响，虽然某些参数( 如 材料强度等) 取值时也用数理统计方法找出其平均值或某个分位值，但未能考虑 各参数的离散性对安全度的影响。数理统计和概率方法在结构设计中的成功应 用，鼓励和启发了隧道工作者寻求用概率方法研究地下工程中各种不确定性并估 计它们的影响。目前分析方法主要有随机有限元法、蒙特卡罗法和响应面法。对 于结构可靠度分析来说，就是通过尽可能少的一系列确定性试验或者有限元数值 计算模拟试验来拟合一个响应面函数，以替代未知的真实的极限状态曲面，从而 可以利用已经比较成熟的方法来分析。虽然可靠度分析方法应用已扩大到很广的 领域，但是仍然受到一些岩土工作者的反对和质疑。原因在于岩土工程本身的机 理比较复杂，有些问题还未充分认识。岩土工程概率分析方法还处于发展阶段， 不少概念还很不明确，计算方法也不够简便。这些困难也促使一些岩土科技工作 者潜心钻研，他们吸收地面结构概率分析的成果，针对地下工程的特点开展专题 研究，虽未完全解决技术上的关键，但也取得了许多可喜成果“。研究表明， 概率和可靠度分析方法对不确定性越严重的问题越能显示其活力。 ( 7 ) 其他方法 河海大学硕士学位论文 除上述常用方法外，其它一些理论与方法在围岩稳定分析中也得至应用。如 文献m 1 中认为软岩巷道稳定性应采用动态支护的观点分析，用巷道周边位移表达 的损伤因子来描述围岩阶段性交形特征及破坏过程文献帆“采用断裂和损伤力 学方法来评价节理裂隙岩体的稳定性和变形行为。为尽可能消除在隧道围岩稳定 性识别过程中人为因素的影响，有学者引入神经网络方法，形成了一条实用、可 靠的隧道围岩稳定性识别的新途径州。另外，还有许多由多种方法融合起来的 分析方法，如半解析元法呻1 、离散边界元法“”等。 1 2 2 围岩稳定判据 在分析围岩稳定时，各类计算理论一般都采用了屈服准则，但是一点的屈服 并不意味着围岩承载能力的丧失，屈服区不一定就是破坏区，因此目前的设计理 论一般只能对围岩的应力状态作描述性判断，而不能做出供设计采用时的判断结 论。从国内外有关围岩稳定性判据的规范可以看出：大多数标准均是以定性的方 式给出的，部分定量指标的给出，通常也是根据经验和统计资料得出。 同济大学收集并计算分析了国内外新奥法施工的6 1 条隧道的1 9 7 个量测断 面的数据资料，归纳提出了以围岩强度、围岩极限应变和围岩向洞内收敛及收敛 比这3 个判据作为围岩稳定的基本判据： ( 1 ) 围岩强度判据 该判据在隧道地下结构围岩稳定性的数值分析中得到了广泛应用，理论基础 是强度破坏理论，即在低约束压力条件下，当岩体内某斜截面的剪应力超过破坏 理论规定的滑动界限范围时，岩体就发生剪切屈服破坏。文献”1 也提出：“破碎 软弱岩体由于裂隙极度发育，岩石切割成碎石块体，往往裂隙间夹大量泥质物， 所以具有非线性应力应变关系，屈服强度低，对于这类围岩可以用弹塑性和抗拉 分析评价围岩稳定性”。因此，如果将有限元数值分析结果绘制成图线，根据围 岩在洞室开挖成形后的主应力分布和塑性区分布，按以往设计、施工的经验，就 可以定性地判定围岩的受力状态和破坏机理。 ( 2 ) 围岩极限应变判据 极限应变是岩体破坏极限时的应变，一般由岩石的单轴压缩试验得到。许多 试验证明，室内试验和原位试验结果几乎一致，也就是说可通过室内试件的实验 求得原位岩体的极限应变值。 用岩石单轴抗压强度o 。和初始弹性系数e 来定义极限应变： 铲 对于岩石，。一般在0 1 1 0 的范围内变动( 下限值为硬岩，上限值为 软岩) 。 8 第一章绪论 ( 3 ) 围岩向洞内收敛位移及收敛比根据施工现场量测，可以得到围岩向洞内 的收敛位移。定义收敛比为洞室内收敛位移和洞室开挖宽度之比，利用收敛比这 一参数，能够较全面地反映围岩应变形态和喷锚支护效果。根据对前述隧道的数 据分析，收敛比2 后，洞室趋于稳定。定义给定时间内的收敛位移为收敛率， 一般认为： 当收敛率6 ( 姗d ) - - 0 时，位移呈减速收敛趋势，最终趋于稳定； 当收敛率6 = 常数，为收敛比，需要施作支护； 当收敛加速度6 0 ，位移呈加速变化趋势，意味着围岩将急速失稳。 有人认为，收敛位移或收敛率判据用于软弱围岩往往时效不佳。根据牛顿运 动定律，物体从运动转变为静止状态的必要条件是，加速度由负值渐趋为零。因 此，围岩稳定性判据应以加速度为主，收敛位移或收敛率作为参考。 1 2 3 围岩稳定和围岩压力理论的发展和现状 5 1 , 5 2 1 人类对围岩稳定和围岩压力理论的提出和深入研究，还是随着科学和大工业 的发展开始的。松散地层( 主要是土层) 围岩稳定和围岩压力理论的研究，至今 已有百余年的历史，它与土力学的发展密切相关。随着采矿事业的发展，坚硬岩 层的围岩稳定和围岩压力理论的研究也有近百年的历史。而岩石力学作为一门学 科提出，则是上世纪五十年代的事。特别是最近四十年来。这门学科发展极其迅 速。岩石力学的发展，一方面是由于采矿、交通、水利水电、战备和其他民用地 下工程开发发展的需要，另一方面也与量测技术及其他学科的发展是分不开的， 尤其是弹性、塑性和流变理论等基础理论，以及有限单元法、电子计算机技术的 应用，使岩石力学的理论分析与计算，获得了有效的手段。 以前主要是古典的压力理论阶段，这类理论认为，作用在支护结构上的压力 是其上覆岩层的重量yh ( 其中：，为岩体的容重，日是地下工程的埋深) 。可 以作为代表的有海姆( a h a i r a ) 、朗金( w j m r a n k i n e ) 、和金尼克( a h ) 理论。 他们的不同之处在于对地层水平压力的侧压力系数有不同的理解。海姆认为侧压 力系数为1 。朗金根据松散体理论认为是辔2 ( 4 5 4 一要) ，而金尼克根据弹性理论 z 认为是l ( 其中，妒表示岩体的内摩擦角；p 表示岩体的泊松比) 。由于当 l 一 时地下工程埋藏深度不大，因而曾一度认为这些理论是正确的。 随着歼挖深度的增加，越来越多地发现，古典压力理论不符合实际情况。 于是有提出了散体压力理论。这类理论认为，当地下工程埋藏深度较大时，作用 在支护结构上的压力，不是上覆岩层重量，而只是围岩塌落拱内的松动岩体重量。 9 河海大学硕士学位论文 可以为代表的有太沙基( k t e r z a h i ) 和普氏理论。他们的共同观点认为塌落拱 的高度与地下工程跨度和围岩性质有关。不同之处，前者认为塌落拱是矩形，后 者认为是抛物线性。普氏理论理论把复杂的稳定岩体和塌落之间的联系用一个似 摩擦系数来描述，显然太粗糙，在实践过程中也经常有失败的情况，但由于这个 方法比较简单，所以一直到现在这个理论仍在使用。 散体压力理论是相应于当时的支护形式和施工水平发展出来的。由于当时的 掘进和支护需要的时间较长，支护与围岩不能及时紧密相贴，致使围岩最终往往 有一部分破坏、塌落。但当时没有认识到围岩的塌落并不是形成围岩压力的唯一 来源，亦即不是所有的地下空间都存在塌落拱。更没有认识到通过稳定围岩，以 充分发挥围岩的自承作用问题。此外，这类理论也没有能科学地确定塌落拱的高 度及其形成过程。但是，这类理论中塌落拱的存在暗示了“围岩塌落能自行稳定， 自行稳定的围岩具有自承能力。” 上世纪五十年代以来，岩石力学开始成为一门独立的学科，围岩稳定的弹性、 弹塑性、及粘弹性解答逐渐出现。如史密德( h s c h m i d ) 和温德斯( r w i n d e l s ) 按连续介质力学方法计算圆形衬砌的弹性解；徐干成、郑颖人等利用弹性力学获 得了在非均匀地应力作用下围岩与支护共同作用的线弹性解。 实践证明，围岩常常进入塑性状态。所以研究围岩稳定就不能不考虑塑性问 题。于是从上世纪五十年代后期开始有人引用弹塑性理论来研究围岩稳定问题。 著名的有芬纳( f e n n e r ) 一塔罗勃( j t a l o b r e ) 公式和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 公式 就是这方面的代表性例子。塔罗勃( s t a l o b r e ) 和卡斯特奈( h k a s t n e r ) 得出 了圆形洞室的弹塑性解。 此外，由于岩土的流变特性，也有人将流变理论引用到围岩稳定分析的研究 中来，以研究围岩应力、变形的时间效应。 现在我国科研、设计和教育等部门，以及重大工程的设计中，引用共同作用 理论求解的实例，已经逐渐普遍起来。例如1 9 8 7 年俞裕泰，肖明对大型地下洞 室围岩稳定进行了三维弹塑性有隈元分析；1 9 9 2 年，河海大学卓家寿、张勤、 陈志坚等人考虑了各种不连续面结构的影响，对黄河小浪底水利枢纽底下厂房建 立的概化的地质模型，并进行了仿真数值分析，得到了较客观的分析。2 0 0 0 年 武汉水利电力大学的肖明用有限单元法对层状各向异性岩体中洞群围岩稳定性 进行了分析论证，并对洞室施工开挖做了三维动态过程数值模拟分析。 1 2 4 当前洞室围岩稳定性研究的不足 通过以上对目前围岩稳定性国内外研究现状的分析可知，有以下不足： ( 1 ) 围岩分类法被广泛采用，且国内外已有的分类方案也较多，与其他评价 方法相比，其研究程度已超出其他评价方法。尤其在大中型水电工程洞室围岩的 1 0 第一章绪论 稳定性评价中，更多的采用围岩分类法来评价洞室的稳定性。这反映出，相对而 言，定量评价的方法还有待于进一步地完善和发展。 ( 2 ) 目前解析法通常都是在均匀场中假设围岩为均质、各向同性的连续介质。 对工程实际中经常遇到的多孔、不均质及各向异性等问题，几乎无法解决。另外 当岩体的应力、应变超过峰值应力和极限应交，围岩进入全应力、应变曲线峰后 段的刚体滑移和张裂状态时，解析法也不再适宜。 ( 3 ) 当前在均匀应力场中，圆形洞室开挖以后，洞周围岩变形大小变化及其 分布规律等方面，研究程度和重视程度还不够，研究成果也不多。尽管目前已有 对围岩变形特征的研究，并建立了不同应力状态下的位移解析解，但是目前还没 有学者按位移解析解计算出围岩位移量的大小，以此评价围岩的稳定性。 ( 4 ) 用数值法进行洞室围岩稳定性评价过程中，目前应用最广泛的还是有限 元法，其方法如离散元法、边界元法、d d a 方法和f l a c 方法等研究还未完善。 如二维d d a 法已经形成了比较完善的理论体系，但是在三维情况下，由于块体之 间的接触关系十分复杂，突出的问题就是难以建立三维d d a 的接触理论。f l a c 方法缺点是计算边界、单元网格的划分带有很大的随意性。块体单元法将岩体完 全离散化，与实际岩体情况不太相符。 ( 5 ) 有限元数值分析和模型试验是从两个不同角度定量分析地下洞室围岩稳 定性。但这些计算和实验都是把复杂的围岩条件简化为某种抽象的数学模型，与 工程实际有差别。在数值法中，回归统计的概率模型往往过于简单，位移反分析 力学模型的假设也缺少理论支持“。另外，反映岩体特性的岩石力学参数不容 易准确选取或模拟，对计算和试验结果会产生较大影响。因此计算和试验都只能 近似的反映本工程围岩稳定情况，与原型有一定的差异。 ( 6 ) 采用不同的围岩稳定判据得到的稳定安全度一般是不相同的，如何建立 一个具有理论基础的、可得到唯一解的围岩稳定判据是今后需要解决的问题。 l 2 5 当前洞室围岩稳定性研究的趋势 任何一种方法的合理性都建立在一个合理的本构模型基础上，采用合理的本 构模型是解决围岩稳定问题的关键。围岩稳定性研究虽己取得重大进步，但是各 种围岩稳定性分析方法均没有真正圆满解决工程实际问题，对理论模型的辩识、 本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体的研究。 由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此依托于 计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。同时由于地 下工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多 种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。同时，任何一种 分析方法都不是万能的、唯一的、排他的方法，而把两种或多种方法融合起来， 河海大学硕士学位论文 取长补短，也将是未来发展的一种趋势。比如常规的有限元法由于方法本身的要 求使得在解决非连续介质不是很理想，所以如何将有限元法与解决非连续介质的 d d a 等方法结合起来可能有助于问题更好地解决。 地下洞室围岩稳定性问题的研究始终与模型试验相伴随，模型与实际工程问 题的相似性是模型试验解决问题的关键。模型试验方法现一般用于重要的难以用 现场试验方法解决的复杂工程，虽有效但费用高，而且模型试验尚难实现时空模 拟，因而将地层岩性类似的地区，结合工程类比法建立可重复利用的模型应该是 一个值得关注的方向。 1 3 本文主要研究工作 本人在查阅大量的资料，了解当前地下洞室群的发展、有限元分析方法的基 础上，结合三峡电站地下厂房工程的实际情况做了一些研究。本论文主要完成了 以下的工作： ( 1 ) 通过查阅大量资料，系统的阐述地下洞室群围岩稳定研究的意义、方 法、以及目前发展的现状。 ( 2 ) 研究了非线性有限元的基本理论，并重点探讨了该方法在地下洞室结 构性态