（水工结构工程专业论文）地下洞室围岩稳定性的动态数值仿真分析.pdf

摘要 地下空间技术是本世纪岩体工程发展的新趋势。许多大型水利水电工程地处 深山峡谷之中，地上空间非常有限，地下空间的利用不仅解决了枢纽布置的空间 问题，同时可以充分利用水头差提高水能的利用效率。大型复杂地下洞室在开挖 过程中的围岩稳定问题关系到整个水电站工程的建设成本和运营效益，是一个值 得深入研究的问题。 本文以糯扎渡水电站l 一导流隧洞为例，采用非线性有限元分析方法，对与地 下洞室围岩稳定性密切相关的问题进行了较为全面的分析与评价。首先，结合工 程区域的地形地貌特征，建立了坝区的三维概化模型，根据地应力实测资料，借 助a n s y s 有限元程序反演分析，确定了坝区的初始地应力场和边界应力条件： 然后，采用弹塑性有限元分析方法对洞室开挖全过程进行模拟，计算分析了洞室 开挖过程中和开挖后的二次应力场、变形场的变化规律和塑性区的分布特征，对 处于不同类围岩的洞室稳定性进行评价与比较；同时对外水压力、洞室形状、开 挖方案等影响洞室稳定的因素进行了分析与探讨；最后，采用粘弹性有限元分析 方法，分析岩石蠕变对支护后衬砌的影响，对岩石的流变性能进行一些有益的探 索，综合评价了地下洞室的稳定性。 关键词：水工结构工程，非线性有限元，围岩稳定，洞室开挖，衬砌应力 a b s t r a c t t h et e c h n o l o g yo fu n d e r g r o u n ds p a c ei st h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do fg e o t e c h n i c a l e n g i n e e r i n gf i e l d i nt h i sc e n t u r y m a n yg i a n tw a t e rc o n s e r v a n c ya n dh y d r o e l e c t r i c p o w e rp r o j e c tl i e d i nt h er e m o t em o u n t a i n sa n dg o r g e o v e r g r o u n ds p a c ei s v e r y l i m i t e d ，m a k i n gu s eo f u n d e r g r o u n ds p a c es o l v e dt h es p a c ep r o b l e mo f h i n g ed i s p o s a l ， a tt h es a m et i m e ，i tc o u l dt a k ef u l la d v a n t a g eo fw a t e rl e v e ld i f f e r e n c et oa d v a n c et h e u s i n ge f f i c i e n c yo fw a t e rp o w e r a st ot h el a r g ea n dc o m p l e xu n d e r g r o u n dc a v e s ，t h e s t a b i l i t yp r o b l e mo fw a l lr o c kd u r i n gt h ep r o c e s so fu n d e r g r o u n dc a v e se x c a v a t i n gi s c o n n e c t e dw i t ht h ec o n s t m c t i b l ec o s ta n dm a n a g e m e n tb e n e f i to ft h ew h o l ep o w e r s t a t i o np r n e c t t h ep r o b l e mi sw o r t ho fl u c u b r a t i n g i nt h i sp a p e r , t a k i n ge x a m p l eo f1 “t u n n e lo fn u o z h a d uh y d r o e l e c t r i cp o w e r s t a t i o n ，i ta n a l y z e da n de v a l u a t e dt h ei n t i m a t e l yc o r r e l a t i v ep r o b l e m so fw a l lr o c k s t a b i l i t yw i t hn o n l i n e a rf i n i t e e l e m e n tm e t h o d f i r s t ，c o m b i n e dw i t ht h et e r r a i na n d p h y s i o g n o m yc h a r a c t e r si nt h ep r o j e c tf i e l d ，b u i l tt h e3 dm o d e lo ft h ed a ms e c t i o n ， a c c o r d i n gt ot h eg e o d e s i cd a t ao ft e r r as t r e s s ，i nv i g u eo fa n s y sf i n i t e - e l e m e n t p r o g r a mt ob a c k c a l c u l a t ea n dt oa n a l y z e ，c o n f i r m e dt h ei n i t i a lg e o s t r e s sf i e l da n dt h e b o u n d a r ys t r e s sc o n d i t i o na tt h ed a m s i t ez o n e lt h e n ，s i m u l a t e dt h ew h o l ep r o c e s so f t h e u n d e r g r o u n d c a v e se x c a v a t i n gw i t he l a s t i c p l a s t i cf i n i t e e l e m e n tp r o g r a m a n a l y s i sm e t h o d ，c a l c u l a t e da n da n a l y z e dt h ec h a n g eo ft h es e c o n ds t r e s sf i e l da n d d e f o r m a t i o nf i e l da n dd i s t r i b u t i n gc h a r a c t e ro ft h ep l a s t i cz o n ei nt h ec o u r s eo ft h e u n d e r g r o u n dc a v e se x c a v a t i n ga n da f t e re x c a v a t i n g ，e v a l u a t e da n dc o m p a r e dt h e s t a b i l i t yo fc a v i t yi nt h ed i f f e r e n tw a l lr o c k ；a tl a s t ，a n a l y z e dr o c kc r e e pt oh a v ea n e f f e c to nl i n i n ga f t e rs u p p o s i n gw i t hv i o c o e l a s t i cf i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ， c a r r i e dt h r o u g hs o m eb e n e f i c i a le x p l o r a t i o no nt h er o c k sr h e o l o g y , s y n t h e t i c a l l y e v a l u a t e dt h es t a b i l i t yo ft h eu n d e r g r o u n dc a v i t y k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs t r u c t u r ee n g i n e e r i n g ；n o n l i n e a rf i n i t e - e l e m e n t ；s t a b i l i t y o f w a l lr o c k ；c a v i t ye x c a v a t i o n ；l i n i n gs t r u c t u r es t r e s s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名 李艄 签字目期： 0 6 年j 月茑日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特 授权：蠡盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 导师签名 签字日期：曲年) 月巧日 签字日期：p 6 年j 月巧日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 选题依据及研究意义 大型地下洞室的稳定性一直为理论界和工程界所关注。随着水利水电工程建 设的飞速发展，我国已建、在建和设计中的许多大型水电工程中，都有大型地下 洞室结构，如：二滩、小湾、小浪底、溪洛渡、向家坝、龙潍、大朝山和三峡后 期电站等。大型地下洞室埋深变化大、穿越地层复杂多变、布置密集，其设计与 施工是一个受众多因素影响的复杂过程，无规范可循，工程类比少。因此，。研究 大型地下洞室在开挖期和运行期的围岩稳定性，如何用最小的开挖支护代价，保 证隧洞在施工和运行期有足够的安全性，是一个极其重要的课题。 由于地质体内本身存在着复杂的非稳定应力场( 初始地应力) ，在一定的地 质环境中开挖地下洞室，势必会引起该地质体在洞室周围的一定范围内发生应力 状态和能量的重新调整分布。同时由于地质体是非线性材料，因此在开挖过程中， 随着应力调整和围岩不断变形，地质体本身的材料特性发生变化，在重分布应力 达到地质体极限强度时，会产生裂缝或剪切滑移，在自重作用下产生塌落，造成 围岩失稳。因此地下洞室围岩稳定问题实质上是研究地质体由于地下洞室开挖而 引起的应力重分布问题【l 3 j 。 一般情况下，在查明岩体结构特征和地应力条件的基础上，根据岩体的强度 和变形特点就可以判别围岩的稳定性。但是，由于地质条件的复杂性以及地下洞 室本身的复杂性、形状多样性，利用理论解析的方法进行工程稳定的分析和计算 几乎是不可能的。随着计算机技术的发展，有限元、离散元等数值模拟方法已日 益成为研究地下洞室围岩稳定的有力工具。本文以在建的某水电站导流洞工程为 研究背景，以有限元法为基础，针对地下洞室群在施工和运行中存在的问题，建 立兼顾时空效应的全方位数值仿真( 含几何、本构、受力状态和施工过程模拟等) 模型，揭示初始地应力场、围岩本构关系、加固机理等基本规律，从而为确保大 型地下洞室的施工安全和长期稳定运行提供了理论依据。 1 2 国内外研究现状 目前，国内外对地下洞室围岩稳定性的评价方法很多，大致可以归纳为解析 法、数值分析方法、不确定性方法等( 见图1 1 ) 。随着计算机技术的发展和计算 机的广泛使用，数值模拟方法在研究地下洞室围岩应力及变形和破坏的发展，进 而定量的评价围岩稳定性方面具有十分明显的优越性，已日益成为解决地下工程 设计和施工问题的最有力工具【4 】。下面对这些分析方法进行简单的回顾与总结。 第一章绪论 r 解析法f 蔫雾垒质力学分 边再元法 卜叫法 围岩稳定性分j嗡潍力 黼觥 析方法 1r 可靠性理论 l ) 方法 l 不确定性方 l 法l 模糊教学理论 jr 灰色理论 其它方法 4 0 0 m ) 以自重应力场为主；三个主应力随深 度均表现为逐渐增大的趋势，在浅层山体地形变化较大处应力等值线的梯度变化 较大，等值线随山体地形起伏变化而变化；深部应力等值线变化较为平缓：在离 地表1 0 0 m 4 0 0 m 左右，主应力的倾角变化比较剧烈，第三主应力的倾角增大， 第二主应力的倾角由大倾角变化到缓倾角，说明此深度范围内地应力场是由地质 构造应力场为主导转为由自重应力场为主导的过渡层。第三主应力与导流洞轴线 的夹角基本上在3 0 0 以内，其方位对导流洞室稳定较为有利。 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 4 3 洞室围岩稳定的动态数值仿真分析 本节的主要内容是按照设计的导流洞开挖方案，进行导流洞在不同类围岩下 的稳定分析，研究分析在开挖过程中洞周应力及位移的分布变化规律、塑性区范 围及开展情况，在计算分析中考虑了地应力场对围岩稳定的影响。 4 3 1 数值仿真模型的建立 ( 1 ) 计算模型 根据不同围岩及地质情况，建立平面有限元模型。计算原点为衬砌底部中心。 计算范围沿x 、y 轴分别为1 4 0 m ，1 4 0 m 。最多单元数2 1 2 2 个。方圆型断 面有限元模型如图4 3 1 。 图4 3 1 方圆型断面有限元计算网格图 ( 2 ) 计算荷载 计算荷载主要考虑初始地应力场。考虑到实测点的布置位置，通过对大区域 网格下离散点的实测应力值拟合求得小区域精细网格下任意一点的地应力，小区 域网格对洞室围岩和衬砌有精细的剖分。利用大区域剖分，可分别找出其坐标所 对应的单元位置，利用大区域下节点的地应力回归值，通过插值函数求得任意点 的地应力值，最后得到围岩稳定分析用到的小区域计算域的地应力场。 ( 3 ) 计算参数 表4 3 1 地质层岩石力学参数 容重变形模量凝聚力摩擦角泊松比 围岩类别 ( k n m 3 )e 。( g p a )“m p a )o o 2 6 12 52 o5 20 2 4 2 5 71 21 14 8o ，2 4 2 4 04 0 4 3 9o 2 5 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 4 3 2 数值仿真方案设计 隧洞围岩的应力场、变形场的变化取决于围岩力学特性、结构面特征、初始 应力场。同时，洞室的形态和开挖方案同样是个重要的因素，不同的围岩类型更 应采用不同的开挖方案，采用数值仿真模拟施工顺序，可以真实地反应这一物理 过程。数值仿真计算中，以设计提出的开挖方案( 见图4 3 2 ) 为基础。计算中 用8 个计算步模拟开挖、一次支护和二次支护，8 个施工步骤在图中分别用1 、2 、 4 3 3 洞室开挖后围岩稳定性分析 导流洞开挖后，围岩在初始地应力场的作用下向l 临空面方向发生移动，产生 了不均衡的变形，同时也改变了应力场的分布特征，在一些应力集中区，出现了 围岩破坏现象。由于i i 、m 、类围岩的变化规律是相似的，这里只给出了类 围岩在开挖后的应力、变形与塑性区分布图( 见图4 3 3 4 3 5 ) 。 ( 1 ) 应力场特征 第一主应力等值线 第三主应力等值线 图4 3 3 开挖后围岩第一、三主应力等值线图( p a ) 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 第一主应力的总体特征表现为除各临空面相交部位量值较大外，从围岩深部 到挖空区，应力逐渐减小的环状低值域，其中在左顶拱、底板中心、左右侧墙中 部均出现了不同程度的拉应力区域。、类围岩的第一主应力变化规律相 同，但随着岩性质量的降低应力数值有所下降。 第三主应力的总体特征表现为由底板左侧、顶拱右侧的应力增高区和左顶 拱、左侧墙、右侧墙中下部的应力降低区组成，其中在底板角点出现应力集中现 象，第三主应力最大值一般出现在底板角点附近。、类围岩的第三主应 力变化规律相同，但随着岩性质量的降低应力数值有所下降。为便于比较，分别 对i i 、类围岩开挖后的主应力数值进行了汇总，见表4 3 _ 2 。 表4 , 3 2 开挖后不同类围岩洞周应力结果汇总单位：m p a 围岩 第一主应力第三主应力 类别 应力范围最大值位置应力范围最大值位置 - 3 6 7 0 0 70 5 4 左侧墙下部 9 6 7 一1 2 01 9 4底板左角点 2 r 2 5 0 0 50 3 4左侧墙下部石3 5 o 9 91 2 4底板左角点 1 4 1 - o 0 6o 1 0左侧墙下部- 3 8 6 o 9 7 7 1 2 底板左角点 ( 2 ) 变形场特征 x 向位移图y 向位移图 图4 3 4 开挖后洞周位移等值线圈( m ) 开挖后变形场的总体特征为洞室内缩，即围岩的位移方向均为向开挖面方向 移动，其中变形最大值出现在左侧墙中上部，分别为o 4 6 c m ( i i 类) 、o 4 9 e m ( 类) 、o 5 5 c m ( 类) 。最大水平位移出现在左、右侧墙中心附近，最大下沉位移 出现在顶拱中心附近，最大上拾位移出现在底板中心处。各类围岩开挖后的位移 值见表4 3 3 。 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 表4 3 3开挖后不同类围岩洞室位移结果汇总单位：c m 围岩x 向最大值y 向最大值 总位移 类别左侧墙右侧墙上抬下沉最大值 位置 o 4 10 t 4 l0 ，2 1_ o 2 l0 4 6左侧墙中部 1 1 10 4 1_ 0 4 2o 2 6- 0 2 3 0 4 7 左侧墙中部 0 4 70 4 80 3 6 - 0 3 0o 5 5 左侧墙中部 ( 3 ) 塑性区分布特征 图4 3 5 开挖后洞周塑性区分布图 由于i i 、i 类围岩的岩性较好，在洞室开挖后没有出现明显的塑性区域，而 类围岩在洞室顶拱右侧、左拱角、左侧墙中心附近、左侧墙与底板相交处都出 现了不同程度的塑性区域，最大纵向发展深度约4 m ，出现在左侧墙中下部( 见 图4 3 5 ) 。 4 3 4 洞室围岩稳定的动态数值仿真分析 本文对1 4 导流洞在不同类( i i 、1 1 i 、i v ) 围岩开挖过程中的应力与变形进行 了比较、分析，由于i i 、类围岩的应力与变形规律是相似的，这里只给出 了类围岩在开挖过程中的应力、变形与塑性区分布图( 见图4 3 6 4 3 9 ) 。 ( 1 ) 二次应力场的演化过程分析 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 a 初始第一主应力等值线b 顶层开挖完第一主应力等值线 c - 中层开挖完第一主应力等值线d 底层开挖完第一主应力等值线 圈4 3 6i v 类围岩第一主应力等值线图( p a ) a 初始第三主应力等值线b 项层开挖完第三主应力等值线 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 1n 阕 群黼噩季 。中层开挖完第三主应力等值线d 底层开挖完第三主应力等值线 图4 3 7i v 类围岩第三主应力等值线图( p a ) 图4 3 6 、4 ，3 7 给出了在初始应力场条件下，经过3 个施工步骤，到洞室歼 挖完毕后，类围岩的第一主应力、第三主应力等值线变化切面图，下面对类 围岩在开挖过程中的二次应力场的演化过程进行分析。 第一主应力：在初始应力场中，洞周岩体第一主应力量值的变化特征为随着 深度的增加，应力量值逐渐增大，且第一主应力均为负值，一般在0 8 7 o 6 0 m p a ：顶层开挖后，应力场的数值与分布情况发生变化，应力量值略有增大， 变化范围在1 6 3 0 1 1 m p a ( i v 类) ，应力降低区分布于开挖面附近，在开挖层 右侧出现拉应力区，最大拉应力值为0 0 5 m p a ，在开挖层左角点附近出现应力集 中现象，在该区域应力量值较高：中层开挖后，除开挖层角点附近的应力高值区 外，在临空面附近形成环状的应力降低区，其中左拱角附近的应力释放程度较高， 在该区域附近出现小值拉应力，数值为o 0 2 m p a ；随着侧墙的不断增高，应力降 低区的范围逐渐增大，底层开挖后，形成以整个开挖洞室区为中心的应力降低区， 但在底板角点附近应力量值仍较高，其中左侧墙中下部区域已表现出拉张状态。 最大拉应力值为0 i o m p a 。各层开挖的最大拉应力值依次为0 ，0 5 m p a - - o 0 2 m p a - - 0 i o m p a 。且随着开挖的不断深入，最大拉应力出现的部位也随之变化，依次 为开挖层角点一左拱角附近一左侧墙下部。 第三主应力：在初始应力场中，洞周岩体第三主应力等值线变化方向基本上 与水平向呈4 5 。角，并随着深度的增大量值逐渐增大，第三主应力的范围在2 8 7 一1 6 7 m p a ；随着洞室顶拱的开挖，在洞室开挖面附近形成以左侧墙、顶拱右侧的 应力增高区和顶拱左侧、开挖层中部的应力降低区组成的环状应力区域，同时在 开挖层的左角点附近出现明显的应力集中现象，最大压应力值达到7 8 3 m p a ；随 着洞室中层的开挖，洞周的应力降低区域应力增高区域进一步扩大，应力降低区 由顶拱左侧、左侧墙上部、开挖层右侧、右侧墙中下部组成，应力增高区由左侧 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 墙中下部、顶拱右侧、右侧墙上部组成，同时应力量值也有所增长，其范围在 - 4 3 8 1 0 5 m p a ，最大压应力值仍出现在开挖层左角点；整个洞室开挖后，左侧 墙上部、右侧墙中下部的应力降低区域和左侧墙下部、项拱右侧的应力增高区域 均沿横向、纵向扩展，应力量值胶质前一部有所降低，分布在- 3 8 6 - 0 9 7 m p a 。 各层开挖的最大压应力值都出现在各开挖层的左角点，数值依次为7 7 3 m p a 一 - 8 1 2 伊a 一- 7 1 2 m p a 。 、类围岩的第一、三主应力变化规律相同，但随着岩性质量的降低 应力数值有所下降。为便于比较，分别对i i 、类围岩开挖后的主应力数值 进行了汇总，见表4 j 3 4 。 表4 3 ，4n 、1 v 类围岩洞周应力结果汇总单位：m 噼a 施工围岩第一主应力第三主应力 步骤类别 应力范围最大值位置应力范围最大值 位置 原岩 一1 8 8 - 1 5 11 5 l 右上角 一5 2 5 - 4 4 75 2 5右下角 m ，1 1 2 o 8 9- 0 8 9 右上角 3 2 4 - 2 9 33 2 6右下角 应力 - o s 7 - o 6 0o ，6 0 右上角 - 2 8 7 一1 6 7- 2 8 7 右下角 顶层开 - 3 1 9 0 0 8o 4 9 左拱角附近 1 2 8 - 2 1 8- 2 4 8开挖层左角点 一2 0 6 0 0 50 3 2 左拱角附近 一8 1 1 1 1 8- 1 5 9开挖层左角点 挖完 - 1 6 3 o 1 l 0 0 5 开挖层角点 - 3 9 2 - o 4 5- 7 ，8 3开挖层左角点 中层开 一3 8 1 o 4 3- o 0 1开挖层中部一1 2 1 2 6 42 2 6开挖层左角点 i t 2 3 8 0 2 4o 0 3左侧墙中部8 0 2 - 1 6 5 1 5 2 开挖层左角点 挖完 1 3 9 - 0 1 4 0 0 2 左拱角附近4 3 8 - 1 0 5 8 1 2 开挖层左角点 底层开 一3 6 7 o ，0 7 0 5 4 左侧墙下部 - 9 6 7 1 2 01 9 4 底板左角点 - 2 2 5 o 0 5 0 3 4 左侧墙下部- 6 3 5 0 9 9 1 2 4 底板左角点 挖完 1 4 l 0 0 60 1 0 左侧墙下部 - 3 8 6 - 0 9 7- 7 1 2 底板左角点 底层开挖完x 向位移图底层开挖完y 向位移图 图4 3 8i v 类围岩位移等值线图( m ) 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 图4 3 8 给出了在初始应力场条件下，经过3 个施工步骤，到洞室开挖完毕 后，类围岩的x 向、y 向位移图，下面对类围岩在开挖过程中的变形场的 演化过程进行分析。 x 向：顶拱开挖后，x 向的位移最大值分别出现在左顶拱附近和开挖层中心 附近，数值为o 1 9 c m 、0 2 3 e m ，洞周围岩的位移均向临空面移动：中层开挖后， x 向的位移最大值分别出现在左拱角处和右侧墙中心处，数值为o 3 l e m 、 一o 3 1 e r a ，洞周附近围岩的x 向位移均向开挖面移动；随着开挖的进行，洞室位 移值不断增长，底层开挖后，最大位移值达0 4 7 c m 、0 4 8 c m ，分别出现在左侧 墙中上部和右侧墙中下部。由于复杂初始应力场的影响，位移分布呈非对称现象。 y 向：在开挖过程中，y 向位移呈非对称分布。顶拱开挖后，最大上抬位移 出现在开挖层中部，数值为o 3 8 e r a ，最大沉降出现在左顶拱附近，为0 2 8 c m ： 中层开挖后，洞周位移值变化不大，最大上抬位移与最大沉降仍出现在左顶拱附 近和开挖层中心附近，数值分别为o 3 9 e m 、0 2 9 c m ；底层开挖后，顶拱最大沉 降为一0 3 0 c m ，最大上抬位移出现在靠近底板中心处，为o 3 6 e m 。 在整个开挖过程中，变形场的总体特征为洞室内缩，即围岩的位移方向均为 向挖空区移动。x 向最大位移一般出现在左、右侧墙的中心附近；最大沉降出现 在项拱中心附近，且随着开挖深度的增加，顶拱出现部分回弹；最大上抬位移出 现在各开挖层中心附近。由于复杂初始应力场的影响，整个洞室的位移呈非对称 分布。i i 、类围岩的位移场变化规律相似，但随着岩性质量的降低位移数 值略有增长。为便于比较，分别对、类围岩开挖后的位移数值进行了汇 总，见表4 3 5 。 表4 3 。5i i 、i v 类围岩洞室位移结果汇总单位：c m 围岩x 向最大值y 向最大值总位移 施工步骤 类别左侧墙右侧墙上抬下沉最大值位置 0 1 2o 1 6 0 2 2 - 0 1 80 2 5 开挖层中部 顶层开挖完 0 1 8- o 1 7o 2 70 2 20 3 i 开挖层中部 0 1 90 2 30 3 8_ 0 2 80 4 3 开挖层中部 0 2 50 2 40 2 2o 1 8o 3 1 左拱角附近 中层开挖完 0 2 70 2 60 2 7- 0 2 20 3 5 左拱角附近 0 3 1o 3 l0 3 80 2 90 4 6 开挖层中部 0 4 1- 0 ，4 1o 2 10 2 10 ，4 6左侧墙中部 底层开挖完 0 4 10 4 20 2 60 2 30 4 7 左侧墙中部 0 4 70 4 80 3 6- o 3 00 5 5 左侧墙中部 ( 3 ) 塑性区域的扩展过程分析 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 h 羹 多 藿 主需鞴主! 军 i 顶层开挖完塑性区分布图中层开挖完塑性区分布图 1n。7 黼 聿睦 强雕i i ! 毫 益：! 葡守1 讯已，纛k 嘲彳一i i w 。：? 0 h 划jj 阳l fi 底层开挖完塑性区分布图 图4 3 9i v 类围岩塑性区分布图 由于、类围岩的岩性较好，在洞室开挖后没有出现明显的塑性区域，而 类围岩由于岩性较差，在开挖过程中出现了明显的塑性区域，见图4 3 9 。随 着开挖的不断深入，分别在右顶拱、左拱角、各开挖层与左侧墙的交点处出现不 同程度的塑性区域，其中在底板左角点附近的塑性区域最大，纵向深度达6 2 m 。 4 3 5 关键点的应力与位移的变化特征分析 为进一步反映整个开挖过程中应力场、变形场的变化特征，分别选取了洞室 不同位置处具有代表性的工程部位，设置数值模拟观测点，对该部位的应力值与 位移值进行全过程的追踪记录，获得了各观测部位的应力值与位移值的历时变化 曲线，如图4 3 1 1 4 ，3 1 4 。这些测点包括洞室顶拱中心、左拱角、侧墙中心、 开挖层与侧墙的交点、底板中心等，具体位置可参见图4 3 1 0 。在每张趋势分析 图中有三条曲线，分别表示i i 、i 、类围岩随相对时间( s t e p s ) 的变化过程。 本次分析共分3 个荷载步( s t e p s ) ，分别代表首层开挖、中层开挖和底层开挖， 每一荷载步下设8 个子步，共计2 4 个子步。 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 1 2 3 。 b ：。1 4 i 一12 r 埘- 1 0 州 ob 砖oe o n 2 4 与 ： 星4 巷。 | ： i 避1 。 1 应力分析关键点示意图位移分析关键点示意图 图4 3 1 0 关键点位置示意图 ( 1 ) 关键点的应力变化特征分析 第一主应力 顶拱中心 + 18 16 - 1 4 主“2 考。o r 8 世 + h 0 6 i 0 4 鼍 0 2 o d 0 , 2 o j e 品羹 j 卜一i v 共 i l i 5 厂? 1 2 t 移m 中层开挖角点 4 5 4 。 4 j 薹m 丢- 2 , 5 目 制。d 上一 。 由5 o d 圜 马一 ： 1 菇气7 ：? ， 杯口时阿( p ) 左拱角 橱t 时御( e ) 底层开挖角点 4 罡 罩3 v r 翻一2 + h i 1 卜1 1 樊 - i l i 共 二：堡苎 一_ j ； - t 二二，e 首层开挖角点 图4 3 1 1 1 第一主应力历时变化曲线图 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 顶拱中心 岩体未开挖时，应力数值较大，开挖后。该点处应力数值迅速降低，应力得 到较大程度的释放，随着开挖的不断深入，应力数值有小幅回升。、类 围岩在该点处的应力变化趋势相同，但应力数值有所不同，l i 类围岩在开挖过程 中应力值最大，类围岩应力值最小，但各类围岩在开挖过程中均未出现拉应力。 左拱角 岩体未开挖时，应力数值较大，开挖后，该点处应力释放，数值有大幅下降， 随着开挖的深入，拱角处应力数值有降有升，里“波浪型”变化，但总体趋势仍表 现为应力数值下降。、类围岩在开挖中层、底层的过程中，均出现了拉 应力，其中i i 类围岩在开挖结束时，应力数值接近o m p a ，1 1 i 、类围岩在中下 层开挖的过程中，拱角处始终表现为拉应力，其中类围岩在开挖结束时，该点 处拉应力值接近0 4 m p a 。 首层开挖角点 首层开挖时，该点处应力数值迅速增大，但中层开挖时，应力值大幅降低， 随着开挖的不断深入，该点处应力变化较剧烈，但总体趋势仍表现为应力数值下 降。开挖结束时，各类围岩在该点处均表现为拉应力，说明在该点处应力释放程 度较高。 中层开挖角点 在中层未开挖前，该点处应力值随着时间的增长无明显变化，中层开挖后。 该点处应力数值显著提高，底层开挖时，该点处应力得到释放，应力值大幅降低， 由压应力转为拉应力，在开挖结束时，各类围岩在该点的应力值趋于o m p a 。 底层开挖角点 随着开挖的不断深入，该点处应力数值呈阶梯状增长，但应力变化梯度有所 不同。底层开挖时，应力变化梯度较前两层开挖时大，应力数值有大幅度提高， 这是因为底层开挖后，在该点处有应力集中现象。在开挖过程中，该点处没有出 现拉应力。 底板中心 随着开挖的不断深入，该点处应力数值呈阶梯状下降。在开挖底层时，各类 围岩在该点处的应力值趋于o m p a ，到开挖结束后时，应力值无明显变化。 第三主应力 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 7 d j o = - 5 5 兽一5 。 r 4 5 目 州4 o i l l - $ 5 鼍3 0 一2 5 - 2 0 15 捌时目【s t e a s ) 顶拱中心 - e o - 5 5 d j 芒d o 毒 v 5 r 1 - 3 , o 州25 i i i 鼍2 d 15 。1 _ 0 一o5 首层开挖角点 中层开挖角点底层开挖角点 底板中心 图4 3 1 2 第三主应力历时变化曲线图 顶拱中心 顶层开挖时，由于应力释放，应力迅速下降，随着开挖的不断深入，应力里 阶梯状上升，开挖结束时该点处的应力值均大于初始应力场中该点处应力值。i i 、 、类围岩在该点处的应力变化规律相同，但随着岩性质量的下降，应力数值 也相应减小。 左拱角 左拱角在开挖过程中应力变化较剧烈，整体趋势表现为应力数值下降，说明 该点在开挖的大部分时间内处于应力释放状态。首层开挖时，应力有大幅下降， 中层开挖时，应力继续下降，但在开挖中层的过程中，变化较剧烈，应力数值有 升有降，呈“波浪型”，开挖结束时，、类围岩在该点处的应力值趋于o m p a 。 首层开挖角点 首层开挖时，该点的应力数值迅速增大，中层开挖时，应力大幅降低( i i 类 由1 4 1 9 2 m p a 降至0 9 6 2 m p a ，降幅9 3 ；类由- 9 5 7 8 m p a 降至一0 7 6 6 m p a ， 降幅9 2 ；i v 类由5 7 0 9 m p a 降至0 1 2 5 m p a ，降幅9 8 ) ，平均下降幅度约为 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 9 4 ，同时在开挖中层的过程中，应力非常值或线性下降，而是呈“波浪型，起伏 变化，待中层开挖完毕，应力值已趋于o m p a ，底层开挖时，该点处应力几乎完 全释放，应力值接近o m p a 。在整个开挖过程中，、类围岩的变化规律 相似，只是应力数值有所不同。 中层开挖角点 中层未开挖时，随着首层的开挖，该点处应力数值略有上升，中层开挖后， 该点应力数值有显著增长( 类由5 9 0 8 m p a 增至1 5 5 8 1 m p a ，增幅1 6 3 ；m 类由一3 8 1 m p a 增至1 0 2 3 2 m p a ，增幅1 6 8 ；i v 类由- 2 6 1 5 m p a 增至6 1 0 5 m p a ， 增幅1 3 3 ) ，平均升幅约1 5 5 ，底层开挖后，应力得到较大程度的释放，应力 值趋于o m p a 。 底层开挖角点 随着开挖的不断深入，该点处应力数值呈阶梯状增长，其中在开挖底层后， 应力变化梯度最大，应力数值有大幅提升，各类围岩的增幅都超过了3 0 ( 其 中i i 类围岩的增幅最大，类围岩的增幅最小) 。 底板中心 底层未开挖时，该点处应力数值随着开挖的不断深入呈阶梯状增长，开挖底 层后，应力数值迅速下降，该点处的应力有较大程度的释放。开挖结束时，应力 值分别为，2 4 1 3 m p a ( 类) ，1 。3 5 9 m p a ( 类) 和一0 7 3 m p a ( i v 类) 。 ( 2 ) 关键点的位移变化特征分析 x 向位移 - - i i 类 一英 ：一一一j 栅时向( n e ) f 左侧墙中心右侧墙中心 左拱角 图4 3 1 3x 向位移历时变化曲线图 左侧墙中心 左侧墙中心的水平位移历时变化曲线揭示了一个较为特殊的围岩变形演化 蜥 懈 憎 蟠 哺 嘣 一星饕星* 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 过程，即在中层未开挖时，该点处的水平位移与中层开挖后的位移方向相反，表 明在首层开挖时该点处的围岩向开挖面两侧移动，而非向临空面方向移动，产生 这种现象的原因可能是由于在初始应力场条件下，首层开挖的洞室形态产生了明 显的“拱”效应，造成拱上部的围岩向拱中心移动，而使左侧墙中心处的围岩向两 侧移动所致。中层开挖后，该点处水平位移向临空面方向移动，且随着开挖的深 入位移量值逐渐增大。 右侧墙中心 该点处水平位移始终向临空面方向移动，并随着开挖的深入位移量值逐渐增 大，开挖完毕时，水平位移量值分别为一0 4 0 8 c m ( i i 类) 、一o 4 1 8 c m ( 1 1 2 1 类) 和0 4 7 e m ( i v 类) 。 左拱角 开挖后，左拱角处的水平位移向临空面方向移动，且随着开挖的逐步深入位 移量值逐渐增大，开挖完毕时，水平位移量值分别为o 3 6 8 e m ( i i 类) 、o 3 7 9 e m ( 类) 和o 4 2 8 c m ( 1 v 类) 。 y 向位移 顶拱中心底板中心左拱角 图4 3 。1 4y 向位移历时变化曲线图 顶拱中心 首层开挖后，顶拱中心的竖直位移值达到最大值，中层开挖后，该点处的位 移有所回弹，位移值减小，底层开挖后，该点处位移进一步减小。在整个丌挖过 程中，洞室产生了明显的“拱”效应，使得该点处竖直位移呈逐渐减小的趋势。 底板中心 随着开挖的不断深入，底板上抬位移不断增大，开挖结束时，i i 、类 围岩的最大上抬位移值分别为o 1 9 6 e m 、o 2 3 8 c m 和o 3 4 8 c m 。 eov翟“蚺 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 左拱角 随着开挖的进行，左拱角的竖直向位移呈逐渐下沉的趋势，底层开挖后，该 点处的沉降达到最大值。竖直向位移值分别为0 1 8 9 e m ( i i 类) 、0 2 2 7 c m ( 类) 和0 2 8 6 e m ( 类) 。 4 ，4 本章结语 本章以糯扎渡水电站1 。导流洞为例，采用逐步反演回归的方法得出该区域初 始应力场的分布规律，并在此基础上依照设计的开挖顺序对处于不同类围岩的洞 室开挖过程进行了仿真模拟，得到了在开挖后和开挖过程中洞周围岩应力场、变 形场、破坏区的分布规律，现总结如下： ( 1 ) 初始应力场的分布规律 糯扎渡水电站坝区的地应力场属于自重应力场和构造应力场联合作用的地 应力场，在距离地表深度较浅的范围内( o l o o m ) ，地应力场以地质构造应力 场为主导；当到达一定深度以后( 4 0 0 m ) 以自重应力场为主；在离地表l o o m 4 0 0 m 左右，地应力场是由地质构造应力场为主导转为由自重应力场为主导的过 渡层。第三主应力与导流洞轴线的夹角基本上在3 0 0 以内，其方位对导流洞室稳 定较为有利。 ( 2 ) 洞室开挖后围岩特征 应力场：第一主应力表现为除各临空面相交部位量值较大外，从围岩深部到 挖空区，应力逐渐减小的环状低值域；第三主应力表现为由底板左侧、顶拱右侧 的应力增高区和左顶拱、左侧墙、右侧墙中下部的应力降低区组成。 变形场：开挖后变形场的总体特征为洞室内缩，最大水平位移出现在左、右 侧墙中心附近，最大下沉位移出现在顶拱中心附近，最大上抬位移出现在底板中 心处。 塑性区：由于i i 、类围岩的岩性较好，在洞室开挖后没有出现明显的塑性 区域，而类围岩在洞室顶拱右侧、左拱角、左侧墙中心附近、左侧墙与底板相 交处都出现了不同程度的塑性区域。 ( 3 ) 洞室开挖过程中围岩的变化特征 应力场：在初始应力场中，洞周岩体第一主应力量值的变化特征为随着深度 的增加，应力量值逐渐增大；项层开挖后，应力量值略有增大，应力降低区分布 于开挖面附近，在角点附近有应力集中现象；中层开挖后，除开挖层角点附近的 应力高值区外，在临空面附近形成环状的应力降低区；底层开挖后，形成以整个 开挖洞室区为中心的应力降低区。第三主应力等值线在初始应力场中的变化方向 基本上与水平向里4 5 。角，并随着深度的增大逐渐增大；顶层开挖后，在洞室开 第四章地下洞室围岩稳定的动态数值仿真研究 挖面附近形成以左侧墙、顶拱右侧的应力增高区和项拱左侧、开挖层中部的应力 降低区组成的环状应力区域；中层开挖后，洞周的应力降低区域与应力增高区域 进一步扩大，同时应力量值也有所增长；底层开挖后，应力降低区域与应力增高 区域沿横向、纵向扩展。 变形场：在整个开挖过程中，变形场的总体特征为洞室内缩，x 向最大位移 一般出现在左、右侧墙的中心附近；最大沉降出现在顶拱中心附近，且随着开挖 深度的增加，顶拱出现部分回弹；最大上抬位移出现在各开挖层中心附近。由于 复杂初始应力场的影响，整个洞室的位移呈非对称分布。 塑性区：由于类围岩岩性较差，在开挖过程中出现明显的塑性区域。随着 开挖的不断深入，在洞室不同部位出现不同程度的塑性区域。 ( 4 ) 不同类围岩的变化规律 i i 、i 、类围岩在开挖过程中应力与位移的变化规律是相似的，只是应力 与位移的数值有所不同。其中i i 类围岩在开挖过程中的应力数值最大，开挖后应 力释放程度也较、类围岩大；类围岩在开挖过程中的位移值最大，其变形 程度大于、i i i 类围岩。 第五章地下洞室围岩稳定性的讨论 第五章地下洞室围岩稳定性的讨论 影响洞室围岩稳定性的因素众多，在第二章第一节对其主要因素进行了归纳 总结，包括( 1 ) 地质及地质结构( 2 ) 地应力( 3 ) 岩石力学性质( 4 ) 地下水( 5 ) 工程因素。在上一章中，主要考虑了前三个因素对洞室围岩稳定的影响。采用弹 塑性有限元法对比分析了在不同类围岩下洞室开挖过程中的应力、变形、破坏