（水工结构工程专业论文）富水区深埋隧洞围岩稳定分析.pdf

摘要我国西部地区水力资源丰富，随着该地区水电能源的开发，长隧洞引水式水电开发方式被广泛采用。由于该地区山高谷深，地下水极其丰富，隧洞建设过程中遇到的高地应力、高外水压力和突涌水问题已成为目前隧洞设计和施工中亟待解决的难题。本文以位于富水区的锦屏二级水电站深埋弓l 水隧洞为工程背景，针对高地应力、高外水压力作用下围岩稳定问题开展研究。主要工作如下：( 1 ) 对a b a q u s 有限元软件在岩土工程方面的处理及渗流分析方面作了一些探讨，为锦屏二级水电站引水隧洞三维菲线性分析计算提供理论依据和技术铺垫。( 2 ) 在将围岩作为主要承载结构，支护与围岩共同作用的现代隧洞设计理论的基础上，采用a b a q u s 有限元软件，对高地应力和高外水压力作用下隧洞开挖后围岩动态变化过程进行数值模拟，分析开挖后渗流场、位移场和应力场分布特征。研究了不同的灌浆圈渗透系数和不同的灌浆圈深度及不同锚杆支护时机与涌水量、灌浆加固圈外水压力、围岩及支护结构的应力、位移和塑性区的关系。另外，模拟过程中考虑洞周围岩进入塑性区后材料弱化的影响，编制用户子程序自动同步降低进入塑性区后围岩力学参数，使计算结果对围岩稳定性评价更具参考性。( 3 ) 采用正交试验设计的方法对围岩材料多参数进行敏感性分析，区分了影响计算结果的主要参数和次要参数。以探讨通过提高主要参数的准确性来改善数值模拟精度的可能性。关键词：深埋隧洞高地应力高外水压力围岩稳定a b a q u sa b s t r a c tw i t ht h ee x p l o i t a t i o no fh y d r o p o w c rr e s o u r c e si nw e s t e r nl e g i o ni nc h i n a , l o n gd i v e r s i o nt u n n e l s 躺w i d e l ya d o p t e d s i n c et h em o u n t a i n si nw e s t e r nr e g i o na l eh i g ha n da b u n d a n ti ng r o u n d w a t e r s o m es p e c i a lg e o l o g i c a lh a z a r d sa l ee n c o u m 硎d u r i n gt h et u n n e lc o n s t r i c t i o n , s u c h 弱h i g hg e n s t l e s s ，h i g he x t e r n a lw a t e r p r e s s u l e ，w a t e r g n s h i n ga n ds oo n , w h i c hh a v eb e c o m ep r o b l e m sd e m a n d i n gp r o m p ts o l u t i o ni nt u n n e ld e s i g na n dc o n s t r u c t i o n i nt h i sp a p e r , t h ed i v e r s i o nt u u n c li nj i n p i n gc a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i o n ,w h i c hi sl o c a t e di nt h er e g i o na b u n d a n c eo fg r o u n d w a t e r , i st a k e na st h ee n g i n e e r i n gb a c k g r o u n d t h es t a b i l i t yo fs u r o u n d i n gr o c ku n d e rh i g hg e o s t r e s sa n dh i g he = a t e m a lw a t e r p r e s s u r ci ss t u d i e di nd e t a i l t h em a i nc o n t e n t sa r e 鼬f o l l o w s ：( 1 ) h a n d l i n go fg e o t e c h n l c a le n g i l l e e r i n ga n ds e e p a g ea n a l y s i sw i t ha b a q u s - f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i ss o r w a r ea l ed i s c u s s e d , w h i c hp r o v i d et h e o r e t i cb a s i sa n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r tf o r3 dn o n l i n e a ra n a l y s i so fj i n p i n gc a s c a d e2h y d r o p o w e rs t a t i o n ( 2 ) b a s e do nt h em o d e r nd e s i g nt h e o r yo f t u n n e l sc o n s t r u c t i o nt h a tt h es u r o u n d i n gr o c kb er e g a r d e d 硒p r i m a r yl o a d - b e a r i n gs t r u c t u r e ，s e c p a g ef i e l d ，s t r e s sd i s t r i b u t i o na n dd e f o r m a t i o no f h i g hg c o s t l e s sa n dh i g he x t e r n a lw a t e r p r e s s u r ez o n ea f t e re x c a v a t i o no ft u n n e l sa r ea n a l y z e db yt h en u m e r i c a ls i m u l a t i o n 谢t l la b a q u s b yt h i sm e a i l s t h er e l a t i o n sb e t w e e nt h ed i f f e r e n tp e r m e a b i l i t yc o e f f i c i e n t , d i f f e r e n td e p t ho f t h eg r o u t i n gr o c k , d i f f e r e n ta n c h o rs l z u c t u l ei n s t a l l i n gt i m ea n d $ t l e s sd i s t r i b u t i o n ，d e f o r m a t i o n , a n dp l a s t i cr a n g eo ft h es u r r o u n d i n gr o c ka r eo b t a i n e d ，i na d d i t i o n , p h y s i c a lm e c h a n i c sp r o p e r t i e sw e a k e n i n gb e h a v i o rf o rs u r r o u n d i n gr o c kw h i c ha r ei nt h ep l a s t i cz o n e si st a k e ni n t oa c c o u n tt h r o u g ht h eu s e rs u b r o u t i n ep r o g r a m ，w h i c hm a k et h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d em o l er e f e r e n c ef o rs u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t ye v a l u a t i o n ( 3 ) t oi m p r o v en u m e r i c a ls i m u l a t i o np r e c i s i o nb ye n h a n c i n gt h ea c c u r a c yo ft h em a i np a r a m e t e r s ，t h es e n s i t i v i t yo fm e c h a n i c a lp a r a m e t e r so fs u r r o u n d i n gr o c k si sa n a l y z e dw i t ht h eu s eo fo r t h o g o n a lt e s td e s i g nm e t h o d , w h i c hd i s t i n g u i s ht h em a i np a r a m e t e r sf r o mt h es c c o r l d 越v yp a r a m e t e r s k e y sw o r d s ：d e e p - l y i n gt u n n e l ；h i g hg e o s t l e s s ；h i g he x t e r n a lw a t e rp r e s s u r e ：s u r r o u n d i n gr o c ks t a b i l i t y ：a b a q u s学位论文独创性声明：本人所里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傲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) ：葱磁a 力年6 月多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论文作者( 签名) ：毒四年6 月多日第一章绪论1 1 研究的目的及意义第一章绪论我国水力资源丰富，但受地形和气候条件的限制，绝大部分水力资源都集中在西南地区长江干流及其支流澜沧江、南盘江等流域。随着西部大开发的进行，我国水电建设也进入了一个黄金发展期。由于硬南水电基地多处予高山峡谷地区，水工地下工程数量多、规模大将成为明显趋势。其中以南水北调、西电东送、青藏铁路、西气东输以及西部交通基础设施建设等为代表的一系列重大工程中不可避免地涉及到深埋长大隧道的建设i 。深部岩体的地质力学特性决定了深部开挖与浅部开挖的明显区别在于深部岩体所处的特殊环境，即“三高”的复杂力学环境。“三高”主要是指高地应力、高地下水压和高她温。随着隧道和地下工程埋深的增加、跨度和长度的增大，地应力、地温和地下水渗透压将进一步升高，岩爆风险将进一步加大、岩体变形的时间效应将进一步显现，另外还可能出现塌方、岩溶塌陷、有害气体及瓦斯突出、突涌水程活断层等地质灾害。这些闯题是当前国际岩石力学研究的热点和难点，这些根本性的问题尚未得到很好的解决。我国目前正在兴建的锦屏二级水电站引水隧洞工程正是遇到了高地应力与高外水压力双重难题，具体而言主要包括以下几个关键点。( 1 ) 高地应力下结构性流变问题1 5 】随着深度增加，地应力、温度和地下水渗透压将显著增加，导致岩体的流变特性更加显著。在高地应力条件下，甚至在坚硬岩体里也会出现类似软岩流交的特点。对于西部地区深埋长隧洞，在持续高地应力作用下，由于岩体流变而导致围岩成洞困难、变形过大以及衬砌结构破坏等问题将显得更加突出。( 2 ) 地下水渗流的影响西部地区断裂构造十分发育，裂隙水发育。某些顺河发育断层内水量丰富，易于形成集中渗流又与地表水有密切的水力联系，地下水源补给充沛。隧洞的开挖可能出现高压涌水甚至爆发突水及碎屑流灾害。此外，深埋隧洞可能有很高的衬砌外水压力，锦屏二级探洞最大外水压力就高达i o m p a 。因此需研究隧洞开挖河海大学硕士学位论文过程中的涌水量、外水压力变化情况，以选择合理的渗控方案。( 3 ) 地下水渗流与围岩稳定性的相互影响地下水的渗流除对地下洞室的排水及周围环境的地下水位有影响外，由于它本身会在洞室周围产生不利于洞室稳定性的力学的、物理和化学的影响。因此，工程区岩体渗流场及其对地下洞室围岩稳定性影响也需进行研究。上述问题均十分复杂，而且同时遇到高地应力和高外水压力作用下的深埋隧洞的建设在国内外水电建设中尚不多见，这给隧洞的设计和施工带来了巨大挑战。因此，研究高地应力和高外水压力下的深埋洞室围岩的稳定性，研究合理有效的渗控措施，增强对地质灾害的预测预报和防灾减灾的能力，是有着非常重要的现实意义。1 2 围岩稳定性分析方法研究现状与发展1 2 1 围岩稳定分析方法现状目前，地下洞室围岩稳定性的分析方法多种多样，概括起来可大致归纳为以下几类；( 1 ) 围岩分类法地下洞室围岩分类，实际上就是应用工程类比法，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，为地下工程的设计和旄工提供依据，所以有很重要的实用价值。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1 6 1 ，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。地下洞室的围岩分类在国外四十年代就很通用，随着对岩体物理力学特性认识的不断深入、地下工程经验的积累和地下工程施工技术的发展，围岩分类的原则和方法在不断地改进和完善。从单因素分类发展到综合的多因素分类；从定性分析过渡到采用多种手段获取定量指标的定量与定性相结合的分类：从单纯的现象学分类向采用数理统计，模糊数学和人工智能等理论相结合分类的方向发展1 7 。第一章绪论( 2 ) 解析法弹性力学的解析法有分离变量法、积分变换法、积分方程法、变分法及复变函数法等嗍对于岩性坚硬、节理不发育、完整性较好的围岩，经常采用复变函数法进行围岩应力与变形计算，并能得出弹性解析解 9 - 】。解析方法多用于圆形隧道的求解，当漏室是非圆形时，就需要通过保角变换将单位匾外域映射到洞室外域，从而洞室的映射函数成为问题的关键。近年来不少学者在如何求取简单合理的映射函数问题上取得了一些成果，如范广勤等( 1 9 9 3 ) f 1 2 1 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 ) i o l 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，分析速度快和易于进行规律性研究等优点。但解析法分析围岩应力和变形目前多限于深埋地下工程，对于受地表边界和地面荷载影响的浅埋隧道围岩分析在数学处理上存在一定的困难。( 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者中的应力应变状态，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。其中模型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 n l 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。模型试验方法多用予重要的难以用现场试验方法解决的复杂工程。( 4 ) 数值模拟法近年来，应用到围岩稳定性的分析中的数值计算方法越来越多，如有限差分法、有限元法、边界元法、半解析元法、离散元法和无界元法等。有限差分法是最早出现的数值计算方法，在计算机出现以前就有了，但至今在解决一些工程地质问题中仍然有效。有限单元法从2 0 世纪5 0 年代开始盛行，河海大学硕士学位论文现已十分普及，可用于求解线弹性、弹塑性、粘弹塑性、粘塑性等问题，是地下工程岩体应力、应变分析最常用的方法l 悼1 9 1 。边界单元法是7 0 年代兴起的一种数值计算方法，由于它具有降维作用，且计算精度高，对于解决无限域或半无限域问题尤为理想，所以很适用于分析岩土体工程地质问题。半解析元法的基本思想是y k c h e u n g 在1 9 6 8 年提出来的，即有限元法，它是数理方程的解析方法与数值计算方法相结合的求解方法，借用部分解析解以减少纯数值计算方法的计算工作量，适用于解决高维，无限域及动力场问题。离散单元法最早是c u n d a l l 在1 9 7 1年提出来的，与有限单元和边界单元等方法相比，特别适用于节理岩体的大位移和大变形分析，能够很好地解决岩土工程的许多相关问题，因而近年来发展非常迅速。无界元法是为了解决有限元法所遇到的“计算范围和边界条件不易确定”而提出来的，是解决岩石力学问题的另一类有效方法。鉴于围岩体的非连续性和多变性，单纯应用一种数值计算方法有时不能完全满足要求。为了尽量表现岩体的工程特性和分析结果的准确性，许多学者在研究围岩稳定性的过程中越来越来多地应用多种数值计算方法的耦合进行分析，如有限元与边界元的耦合，离散元与边界元的耦合以至有限元、边界元和离散元三者的耦合。通过多种数值计算方法的耦合，能充分发挥不同数值计算方法的优点，同时克服了各自的缺点，提高了计算的速度和精度。显然，地下工程围岩稳定性问题比其他工程力学问题复杂得多，迫切需要建立更加简捷有效的数值计算方法。因此，新的数值计算方法一直是国际上的研究热点，近年来发展迅速。新出现的数值方法主要有：有限单元法中的节理单元法( j o i n t e l e m e n t ，j e ) 、块体理论( b l o c kt h e o r y ，a t ) 、不连续变形分析法( d i s c o n t i n u o u sd e f o r m a t i o na n a l y s i s ，d d a ) 2 0 1 、快速拉格朗日法( f a s tl a g r a n g i a na n a l y s i so fc o n t i n u a ，f l a c ) 1 2 1 捌、块体弹簧元法0 , 1 0 c ks p r i n gm e t h o d ，b s m ) 、无网络伽辽金法( e l e m e n tf r e eg a l e r k i nm e t h o d ，e f g m ) 和数值流形法( m a n i f o l dm e t h o d ，m m ) 等1 2 3 - 2 s 。( 5 ) 系统工程法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4第一章绪论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p 6 ，2 1 。文献【2 8 】详细分析了围岩稳定分析系统的输出一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【2 9 】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0 0 ，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1 3 ”。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p ”卦。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。河海大学硕士学位论文( 7 ) 反分析法自奥地利地质学家l 缪勒提出以充分发挥围岩自稳能力为基本原理，以锚喷支护及复合式柔性衬砌为主要特征的新奥法以来，改变了过去隧道设计与施工的传统思路，它依据现场监控量测结果和信息反馈来指导隧道的设计和施i t 3 4 j 。近年来以现场监控信息为依据，通过反演计算围岩物理力学参数来评价隧道围岩稳定性的反演分析方法日趋完善。印度的b s i n g h 等认为由于隧洞围岩裂隙传播受到周围岩体约束及初始地应力对围岩体的预应力作用，其强度将会有显著的提高，并通过反分析得出了变化的强度参数及变形模量。李世辉提出了典型类比分析法隧道位移反分析技术，并编制了反分析程序( b m p 9 0 ) 。针对用隧道位移量测结果进行反分析中存在的结果可靠度与精度问题，日本的谷河正也等提出用三维反分析及双重反分析来提高结果的可靠度与精度t 2 4 l 。李晓红等结合工程实例深入研究了隧道位移的智能化反分析及其在隧道围岩稳定性评价中的工程应, 睡l t 3 5 1 。( 8 ) 其他方法除上述常用方法外，其它一些理论与方法在围岩稳定分析中也得到应用。如文献【3 6 】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变形特征及破坏过程。文献 3 7 ，a s 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【3 9 , 4 0 1 。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【4 “、离散边界元法4 2 】等。1 2 2 围岩的失稳判据在围岩稳定性的数值分析中，常需要失稳判据，以表明岩体处于极限平衡状态。目前围岩稳定性判别方法较多，可以归纳为以下两类判据。( 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，该判据理论基础是强度破坏理论，如德鲁克一普拉格准则或莫尔库仑准则等，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，岩体就发生剪切极限破坏。从力学观点来看，围岩丧失稳定就是其中应力达到或超过岩体强度的范围比较大，最后形成一个连续贯通的塑性6第一章绪论区和滑裂面，因而这部分岩体将会产生很大位移，因此，隧道围岩稳定性评价实质上说就是岩体应力和变形的分析( 4 3 1 文【9 】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一应变关系，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”。类似用强度理论分析围岩稳定性的文献有很多。( 2 ) 围岩变形量或变形率判据。在国内外有关规范中，围岩稳定性判据多以变形值或变形速率为主，认为围岩变形量或变形速率超过一定值岩体即发生破坏。具体的有围岩极限应变判据、围岩向内收敛位移和收敛比判据等。有人认为，变形值或变形速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，辅以变形值或变形速率，据此提出了变形速率比值判据【鹌】。然而采用不同的失稳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、可得到唯一解的失稳判据是今后需要解决的问题。1 2 3 发展趋势纵观围岩稳定性分析方法的发展，各种方法均没有达到真正完满解决工程实际问题，对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。同时，由于各种技术革新、数学、力学及计算机技术的快速发展等均向理论分析不断提出新挑战【4 5 】。围岩失稳是一个相当复杂的过程，通常伴随着变形的非均匀性、非连续性和大位移等特点，是一个高度非线性科学问题。因此，要对它的力学行为进行预测和控制，必须诺助当代非线性科学。2 0 世纪7 0 年代以来发展起来的非线性理论如分形、分叉、突变理论等正成为解决非线性复杂大系统问题的有力工具l 拍j 近年来，有关岩石破坏、突变、失稳的分叉与混沌研究，也为围岩失稳分析提供了全新的理论与方法。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。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嘲。7河海大学硕士学位论文1 3 本文所做的主要工作本文结合锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩稳定和支护结构设计研究的课题，在现已取得的成果基础上，对富水区深埋隧洞开挖后的渗流场和围岩稳定进行了深入的研究。所开展的主要工作如下：1 在阅读大量文献的基础上，对目前围岩稳定分析的各种方法做了归纳总结，对它们的优缺点进行了比较研究，探讨分析了它们的适用范围，对理论的发展现状及未来趋势作了概括。2 对a b a q f f s 有限元软件在岩土工程方面的处理及渗流分析方面作了一些探讨。3 以a b a q u s 有限元软件为计算平台，考虑7 降雨入渗及塑性区围岩材料弱化，对位于富水区的锦屏二级水电站深埋引水隧洞进行了高地应力与高渗透压力作用下的围岩稳定性分析。4 ，以锦屏工程为实例，采用正交试验设计的方法对围岩材料多参数进行敏感性分析，区分了影响计算结果的主要参数和次要参数。以探讨通过提高主要参数的准确性来改善数值模拟精度的可能性。s第二章围岩弹塑性分析原理与数值模拟第二章围岩弹塑性分析原理与数值模拟岩体作为一种特殊的材料，具有典型的非线性与非均质特征。影响该特征的因素主要包括：岩体本身的物理特性、应力水平和应力历史、加荷过程、荷载特性、渗流压力及其运动特性、与时间有关的粘性和流变效应、岩体的地质特征( 如断层、裂隙、节理、岩脉、褶皱和夹层、破碎带及其它地质构造缺陷等) 、岩体天然状态( 地壳造山运动) 引起的地壳构造应力、区域构造应力( 与地震有关) 和构造运动等。为了计算地下洞室的位移和应力，不管是在天然地应力、地下水压力、地震波或者爆炸波等何种压力作用下，都要求首先了解该洞室围岩的非线性本构关系( 应力一应变关系) ，然后根据岩体的应力水平和应力路径用相应的屈服模型来进行后述的非线性的静、动力分析。2 1 非线性问题的分类实际工程中所遇到的岩土问题基本上都为非线性力学问题，非线性力学问题可以分为三类：材料非线性、几何非线性和边界条件的非线性【艟】。( 1 ) 材料非线性非线性材料的存在是非常普遍的。例如金属材料在低应变值时都具有良好的线性应力应变关系，但是在高应变时材料发生屈服：又如长期处于高温条件下工作的结构，将发生蠕变，即在荷载或应力保持不变的情况下，交形或应变仍随着时问的进程而继续增长。上述现象均属于材料非线性问题，不是线弹性的物理方程所能描述的。( 2 ) 几何非线性在研究线性问题时，我们都是基于小变形的假设，即假定物体所发生的位移远远小于物体自身的几何尺度，应变远远小于l 。在此前提下，建立物体或微元体的平衡条件时，可以不考虑物体的位置和形状的变化，因此分析中不必区分变形前和变形后的位移和变形。同时在加载和变形过程中的应变可用一阶无穷小的线性应变进行量度。然而实际上，我们会遇到很多不符合小变形假设的问题，例如板、壳等薄壁结构在一定荷载作用下，若挠度较大或者“突然翻转”，结构的形9河海大学硕士学位论文状乃至其刚度都会发生改变，另外，如果由于大的变形导致载荷不能保持原来的作用方向，载荷对结构的作用也将发生明显的改变。这种由于大位移和大转动引起的非线性问题称为几何非线性问题。( 3 ) 边界非线性如果边界条件在分析过程中发生变化，就会产生边界非线性问题。举一个简单的例子( 如图2 1 ) 悬臂梁受到集中力的作用，发生挠曲，直至碰到障碍物。在梁端接触到障碍物以前，其竖向挠度与载荷成线性关系( 如果挠度是小量) ，当自由端与障碍物一接触，边界非线性是极度的不连续，整个悬臂梁受力的线性问题就变成了非线性问题。图2 1 将碰到障碍物的悬臂粱2 2 弹塑性分析基本原理弹塑性问题研究系统的应力和变形需要根据力的平衡关系、变形的几何关系和材料的物理关系( 本构关系) 联合求解。由于弹塑性材料和线弹性材料一样，都属于小变形问题，因而形函数的选取、应变矩阵及刚度矩阵的形式都是相同的，不同的仅在于刚度矩阵是按弹塑性计算的。其中，平衡关系和几何关系并不涉及材料的力学性质，所以与弹性力学中的一样，所不同的是塑性状态下材料的本构方程，因此弹塑性材料的非线性是由本构关系的非线性引起的。对大多数岩土工程材料来说，当其应力低于比例极限时，应力一应变关系是线性的，表现为弹性行为，也就是说，当移走荷载时，其应变也完全消失。当应力超过屈服点时叫做塑性部分，也叫做应变强化部分，弹塑性分析即是考虑了材料塑性区域的特性。塑性是一种在某种给定荷载下材料产生永久变形的材料特性。方面，塑性是不可恢复的，因此与加载历史有关，这种特性称作路径相关性，路径相关性是指对一种给定的边界条件，可能有多个正确的解( 内部的应力，应变分布) 存在，为了得到真正正确的结果，必须按照系统真正经历的加载过程加第二章围岩弹塑性分析原理与数值模拟载。另一方面，塑性应变的大小可能是加载速度快慢的函数，与应变率无关的塑性叫做与率无关的塑性，相反，与应变率有关的塑性叫做与率相关的塑性。大多数的弹塑性材料都有某种程度上的率相关性，但在大多数静力分析所经历的应变率范围内，两者的应力一应变曲线差别不大，所以在一般的分析中，可以认为是与率无关的 4 9 1 。2 2 1 屈服准则在岩石力学中，考虑到岩土材料与金属材料的破坏机理不同，因而两类材料所用的屈服准则也不相同。目前在岩士工程中广泛使用的屈服准则主要包括：( 1 ) m o h r - c o d o m b 屈服准则该准则认为材料的破坏是剪切破坏，即：f = c + 啦尹( 2 1 )式中c 为粘聚力，盯为破坏面上的法向应力，伊为内摩擦角。用普通三轴试验，可测定发生某破坏面时主应力表达的破坏准则，在m 砚3 已知的条件下，且三轴试件内破坏面与小主应力方向之间的倾角为历则破坏面上的剪应力和法向应力为：批学s i n 2 f l仃；亟当+ ! ! = 1 2c o s 2 口11再甲：= 4 5 。+ 矿2将式( 2 - 2 4 ) 、( 2 2 5 ) 代入( 2 - 2 3 ) ，得到下列m o l a r - c o u l o m b 准则：! ! 二! ! = c c o s 口+ ! ! 1 2sincp22，以应力不变量及偏应力不变量表示的屈服准则为：；s i l l 伊一s 以+ 万1s i i l 以s i n 妒) 万把c o s 缈= 。其中为以罗代应力角，其取值范围为：( 2 - 2 )( 2 - 3 )( 2 - 4 )( 2 - 5 )河海大学硬士学位论文一詈以= pc 学每，詈服准则是d r u c k e r 和p r a g e r 为了消除m o h r - - c o u l o m b 屈服面的棱线，于1 9 5 2 年，= 3 叩+ 万1g一七=o(2-8)“长g 一咖伊)( 2 9 )扣褊一2 2 2 加载条件和强化模型屈服函数中含有不变的材料常数时，屈服面有不变的形状、大小和位置。这种不变的屈服条件适用于理想塑性材料的屈服，或强化材料的初始屈服。至于强化材料的应变强化，适用的是变化的屈服条件，或称加载条件1 5 0 l 。对于强化材料，在复杂应力状态下应力分量吒应满足的加载条件可表示为1 2第二章围岩弹塑性分析原理与数值模拟的函数，称为加载函数。在应力空间中加载函数形成的曲面称为加载面，它的大小或位置是变化的。加载函数和加载面都很难用实验方法直接给出，通常只能根据假设得到简化的强化模型。目前，工程中常用的有以下三种简化模型：( 1 ) 等向强化模型等向强化模型是假设在各个加载方向都有同等强化程度的简化模型。该模型认为加载面在塑性加载后只是大小起变化，形状不变，强化条件可表示为：厂= 厂p ，占，r ) = p ) 一c g 一，茁) = 0( 2 1 0 )式中：r 是表示应变历史和强化程度的参数5f p ) 是初始屈服函数；c t ，茁) 是所经历塑性变形的函数。等向强化模型的假定是认为材料在塑性变形后仍保持各向同性的性质，它不能反映b a u s c h i n g e r 效应的影响。( 2 ) 随动强化模型随动强化模型是考虑b a u s c h i n g e r 效应的简化模型，对b a u s e h h a g e r 效应的简化是：在一个加载方向的强化程度等于其相反方向的“弱化”程度。这一模型认为在塑性交形过程中，加载面的大小和形状都不改变，只是在应力空间中作刚性平移。如初始屈服条件为厂p ) 一c = q ( c 为常数) ，则对随动强化模型，后继屈服条件可表示为：厂= f b 一孑) - - c = 0( 2 1 1 )式中：盯= ，表示初始屈服面中心点在应力空间中的位移，它反应了硬化程度，是硬化程度的参数。它依赖塑性变形量，其增量形式可表示为d = d 嘭，其中，“是表征随动强化的材料参数。( 3 ) 混合强化模型混合强化模型是由f i o d g e 于1 9 5 7 年提出来的。为了更好地反映b a u s e h i n g e r效应，可以将随动强化模型与等向强化模型结合起来，即认为后继屈服面的大小、形状和位置一起随塑性变形的发展而变化。假设加载面由刚体平移和均匀变化两部分组成，则有：河海大学硕士学位论文厂：屉，f ，d ：f b 一孑) 一c e ，d = 0 ( 2 - 1 2 )这里盯和c 的意义与等向强化和随动强化相同。以上这些强度准则在混凝土一岩土一类材料中均得到应用。如有反映脆性破裂的准则( 如最大拉应力准则、c , - r i f l i h 准则等) ；有反映塑性屈服的准则( 如m o h r - c o u l o m b 、d r u e k e r - p r a g e r 准则等) ；也有反映脆塑性破坏的准则( 如低抗拉弹塑性准则，四参数弹塑性断裂准则等) ，但是却各有千秋，有的在理论上考虑因素周到些，有的在使用上简单些。因此，要根据所分析研究的对象目的、所要达到的效果来确定采用何种屈服准则。2 2 3 塑性状态下材料的本构关系在上两节中讨论了屈服条件和加载条件，如果屈服条件或加载条件已经满足，材料已处于塑性状态，这时的应力应变关系就和弹性状态下的应力应变关系有根本的差别。目前存在着两种不同类型的塑性理论，一是全量理论，二是增量理论。根据连续介质力学的统一定义，这些理论称为本构关系。全量理论是弹塑性小变形理论的简称，又称形变理论，该理论试图直接建立全量式应力一应变关系，全量理论的数学处理比较简单。但是，基于形变理论的弹塑性本构方程与非线性弹性本构方程相同，仅适用于简单加载情况，没有普遍意义，在电子计算机得到广泛应用的情况下，形变理论已较少采用。增量理论又称流动理论，是描述材料在塑性状态时应力与应变增量( 或应变率) 之间关系的理论。增量理论所考虑的是在任一瞬时塑性应变的增量，因此与加载过程无关，这就比全量理论更为合理。但是这一理论在实际应用中需要按加载过程积分或逐次累加的办法才能求得整个加载过程的应变全量，计算比较复杂。目前，随着电子计算机发展和计算方法的改进，增量理论已得到广泛的应用。由于弹塑性问题中材料本构关系与应力和变形的历史有关，并且对于岩土工程中的开挖、水工建筑中的坝体建筑，不同的施工过程( 开挖和建造) 对结果有很大的影响，因而根据具体的施工程序将荷载分级采用增量方法进行分析将更为合理。所以，一般情况下弹塑性材料的应力一应变关系用增量形式描述。增量理论又包括刚塑性增量理论、弹塑性增量理论和塑性势理论 5 1 , s 2 l 。1 4第二章屋岩弹塑性分析原理与教值模拟1 刚塑性增量理论刚塑性增量理论考虑的是理想刚塑性材料，适用于塑性变形相当发展、弹性变形可以略去不计的情况。认为材料在塑性状态下的应力和应变增量遵守以下基本规律：( 1 ) 材料是不可压缩的，即；ds=0(2-13)式中：气为平均正应变。( 2 ) 应力偏量与塑性应变增量成正比，即：d g ；= d a s 镕p 1 4 )式中：岛为应力偏量，d 硝为塑性应变增量，d 2 为比例系数2 弹塑性增量理论弹塑性增量理论认为应变增量如可分解为弹性应变增量出。和塑性应变增a r c p 两部分，即：deq=d式+d8；qrl5)出i = d e ：+ d e ；q 。1 6 )因此，弹塑性增量理论的本构关系如下：( 1 ) 体积应变是弹性的，即：蛾= 未d 。( 2 - i d式中：足为体积弹性模量，k = e j 3 0 2 ) 】( 2 ) 应力偏量与塑性应变增量偏量成比例，而弹性应变增量偏量服从广义虎克定律，即：蟛= d a s 口( 2 l s )蟛2 玄d s o ( 2 - 1 9 )1代入式( 2 8 ) 得到应变增量偏量与应力偏量的关系：d e q = d 2 s , j + 毛d s 口( 2 - 2 0 )河海大学硕士学位论文式中；烈为比例系数；g 为剪切弹性模量g = e 2 ( i + 芦) 。3 塑性势理论塑性势理论根据弹性力学中弹性应变与弹性应变能密度之间的关系，提出了以下形式的增量型塑性本构关系：蟛础考( 2 - 2 1 )式中：g 称为塑性势函数，是应力分量的函数；d z 0 ，是比例系数2 3 弹塑性分析的数值模拟2 3 1a b a q u s 有限元软件简介嗍a b a q u s 是国际上最先进的大型通用非线性有限元计算分析软件之一，是美国h k s 公司( h i b b i t t ，k a r l s o n & s o r e n s o n ，n c ) 的产品。a b a q u s 不但可以解决相对简单的线性分析问题，而且还可以解决许多极富挑战的非线性问题。a b a q u s 具备十分丰富的单元库，可以模拟任意实际形状，同时，也具有相当丰富的材料模型库，可以模拟大多数典型工程材料的性能，包括金属、橡胶、高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩的高弹性泡沫材料以及类似于土与岩石等地质材料。作为通用的模拟计算工具，a b a q u s 不仅能解决结构分析( 应力位移) 问题，而且能够模拟包括热传导、质量扩散、电子元器件的热控制( 热一电耦合分析) 、声学、岩土力学( 渗流应力耦合分析) 以及压电分析等广阔领域中的问题。目前，a b a q u s 在北美、欧洲和亚洲许多国家的机械、化工、土木、水利、材料航空、船舶、冶金、汽车和电气工业设计中都得到广泛的应用。a b a q u s 包括三个主要模块：a b a q u s c a e ，a b a q u s s t a n d a r d 和a b a q u s e x p l i c i t 。各模块功能如下：1 a b a q u s c a ea b a q u s c a e 是a b a q u s 的交互式图形环境。通过生成或输入将要分析结构的几何形状，并将其分解为便于网格划分的若干区域，用户应用它可方便而快捷地构造模型，然后对生成的几何体赋予物理和材料特性、载荷以及边界条件。1 6第二章围岩弹塑性分析原理与数值模拟模型生成后，a b a q u s c a e 可以提交、监视和控制分析作业而其子模块a b a q u s v i e w e r 可以用来显示得到的结果。2 a b a q o s s t a n d a r da b a q u s s t a n d a r d 是一个通用分析模块，它能够求解领域广泛的线性和非线性问题，包括静力、动力、构件的热和电响应的问题。3 a b a q u s e x p l i c i ta b a q u s e x p l i c i t 是一个具有专门用途的分析模块，采用显式动态有限元格式，它适用于模拟短暂、瞬时的动态事件，如冲击和爆炸问题，此外，它在处理包括改变接触条件的高度非线性问题时也非常有效，例如模拟成型问题。2 3 2a b a q u s 对非线性问题的处理关于图2 2 所示的结构的非线性载荷位移曲线，所作分析的目标是确定其非线性响应。载荷p图2 2 非线性载荷一位移曲线圈考虑作用在物体上的外部力p 和内部( 节点) 力，如图2 3 所示，为使其处于静力平衡状态，作用在节点上的总静力必须为零，