二滩洞室群围岩稳定FEM及相关问题

二滩洞室群围岩稳定分析FEM及相关问题摘要：FEM是目前许多行业数值计算的主要方法。本文结合二滩地下厂房洞室群的围岩稳定分析，主要讨论了进行大型有限元建模及计算时的相关问题，并对洞室群的围岩稳定进行了力学分析，给出了围岩整体是稳定的结论。关键词：FEM；围岩稳定；相关问题0前言许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可借助于计算机数值模拟技术来求出它们的数值解，其中有限单元法（FiniteElementsMethod，以下简称FEM）是工程中最常用的数值模拟技术之一。本文结合二滩水电站地下厂房洞室群的围岩稳定分析，对使用有限元软件进行大规模数值模拟计算时的相关问题进行探讨，给出了建议。1建模与有限元网格划分1.1工程概况二滩地下厂房洞室群设置在左岸下游的山体内，上覆岩体厚度为250~350m，水平埋深300m，洞轴线方向NW6°。洞室群所在区域主要为正长岩和蚀变玄武岩，围岩岩体有80％质量达到A,B级。地下厂房洞室群由三大洞室和母线洞以及尾水洞组成。其中主厂房：长×宽×高＝280.29m×25.5m×65.78m；主变室：214.9m×18.3m×25.0m；尾调室：203.0m×19.8m×69.8m。主厂房主要采用喷锚支护，在主副厂房和尾调室高边墙采用了一定数量的预应力锚索。地下洞室群水平区域布置如图1。1.2建模一般的有限元计算，70%~80%的时间花在建立模型上面，因此选择合适的建立模型的方法是很重要的，否则将有可能事半功倍。二滩洞室群位于地下，结构复杂，操作起来比较困难。为此把大模型分解为许多很小的模型，划分单元以后再把它们拼装成一个大的模型；并且不能把它们合成一个整体，否则将无法划分单元。具体的作法是：先建立洞室群的模型，然后在长、宽、高方向上分别向外延伸，形成一个长×宽×高=404.2m×283.7m×185.3m的巨大岩体，用该岩体挖去洞室群，就是所需要的模型。由于有限元软件的自适应网格划分功能只能划分规整的模型，如六面体或规则的棱柱体（如三角棱柱体），而地下厂房洞室群则是纵横交错，极其不规则的，建模难度可想而知。经过不断的修改和试验，最终建立的模型共有3647个体组成。尽管如此，本文模型与洞室的布置相比，还是进行了一些简化，主要有：（1）出于单元形状不致过分奇异以及单元数量方面的考虑，忽略了尾调室和主变室之间的夹角，将它们的轴线设为平行。（2）由于仅考虑三大洞室及其之间的围岩变形与破坏，忽略了进水洞和两个尾水洞。（3）忽略了洞径较小并且仅有局部影响的施工支洞、交通洞、电缆斜井和排水廊道等。建模过程中，需要注意的有以下几点：对模型内部操作（如空洞）时，可以先生成空洞部分，再和外部模型体组合成所需要的模型。对于任何体的某一个面，都应当是凸多边形（即图形必须在任何一边或其延长线的一侧），且其边数不应超过4，否则将会出现拓扑错误，无法划分单元。合并重复的实体图元，如相同位置的两个关键点或线，以节省存储空间。不能出现扭曲的面，但允许是弧面。1.3网格划分此工程模型中间是地下厂房的洞室群，为此，先给洞室群部分划分单元，然后给厂房邻近的模型体划分单元，这里要注意的一点是要保证它们的接触部分的节点能够吻合。最初采用的是四面体单元，之所以使用该种单元，主要是它的自适应划分能力较强，比较适用于这种复杂的模型。但是当划分网格完成后，单元数量过多（达10万多个），并且出现一些非常小的尖角（小于15度），对应的矩阵难以收敛，故更改为6面体8结点单元。又做了一些简化，并调整单元长度，最终划分单元34224个，结点数量为37632个，计算规模仍然是十分巨大的（划分单元后整体模型如图2，洞室群部分模型如图3）。在划分单元时应注意的问题：惭必须要保证所排划分的单元和拦邻近体的单元烫能够吻合，即纠使不能完全吻穗合，也要使误符差控制在一定贼的范围内。握划分单元完成玉后，应合并整伴个模型的所有针节点。否则，祝由于模型是各输个独立的体，头加荷载计算后侍，在体与体的正结合处将会出翠现开裂。熄压缩关键点、劈线、面、单元两、节点等编号静，以提高运算挠效率，节省机案时。梨在应力集中的尖地方单元网格治密度适当加密阀；反之，则可泥以加大划分单苗元的边长，以山达到不致太多蝶的影响计算精纺度，又提高了恶计算速度。创2弦姥地应力回归计扑算相地下洞室的开氧挖过程是地应健力逐步释放的调过程。在本工像程中，主要采大用应力函数法昼和有限元分析羞法相结合摘[1]倍。具体做法如扇下：熟第探1皂步：在计算模炼型边界的某些币点处试探施加议给定位移得到酱参考计算结果富；然后采用应雪力函数法在有虽限元模型的范乔围内进行回归箭。回归计算中稻，顾及上述参冠考结果以及实浊测测点应力的衬最大、最小和娘平均值，在计刮算模型的边界奇上设定若干点浑的应力分量的乌值，并使这些婆边界条件同时和参与回归计算磁；进而得到在柿建模范围内地太应力的奏第革1愈步近似结果。变暑第孝2却步：利用寿第扛1很步的结果计算谅出在建模边界午上所有单元结完点的应力，采辈用类似边界荷殖载调整法的做估法把它们作为轻远场外荷载施廉加到有限元模椅型的边界上。岸此时由于边界亩荷载采用的是逝满足弹性力学柄中变形协调方盐程和平衡方程默的应力场所求圾得的，边界上丰的正应力和剪浴应力可以共同徒保证构成平衡才力系，并且解植决了求剪应力推场所遇到的困润难。利用上述裹远场边界荷载霜，借助有限元幸程序计算建模勇范围内的地应勿力，然后将此蛋结果在实测地权应力的测点上牵与实测地应力啄进行比较，并膊且考虑在洞室咸群范围内地应女力的分布情况芹结合工程概念否考察回归计算别结果的合理性拖。根据所得到衰的趋势，调整版在锋第票1量步计算中施加教在边界上的有贫限各点的力学失边界条件，再箭次回归计算内挺部各点的地应陡力，并由此获斩得全部边界上菌由远场位移所聚引起的所有应仓力分量。和五之迈重复以上两步谋的分析计算，育直到得到满意维的应力场为止沫。岗3边杠围岩稳定计算祥结果分析及相及关问题顷3头.参1具丈破坏准则与本挥构模型董在本次计算中越，采用双参数俘准则中坊的棕Drucke壮r-Prag绕e考r邮准则来判断复册杂应力状态下雷岩体的破坏。堤该准则坊是美Mise多s梅准则的推广，行因此又被称为真广若义帽Mise始s房准则稠[2]状。该准则认为之，处于弹性区倾的应力满足资式迅(恢1)灵时，则认为岩档体处于破坏的赖临界状态。殿次驳辛展棚驾还较钞惭露闻加纪扭它稀疑（睬1扣）其中：尝以搜郑敲劲效母董晴温耐高房凤贴躁（莲2辞）穷还暖根安察皮备再辞浩乘式堤袭（泼3劈）颠C弄,黄φ烛分别为凝聚力盐和摩擦角；锋R火c拦为单轴抗压强瘦度。促当岩体材料处膏于弹性阶段时踏，其本构关系秆为：育跨嗓稀并科扶割坑（溜4乳）塌其中：偷为弹性矩阵，厉分别为应力矩很阵和应变矩阵活。骆当材料进入塑个性以后采用增绿量理论的本构放模型。即认为读总应变增量小可以表示为弹挣性应变增量背与塑性应变增疼量甘之和趁：洒速。扯3乞.皱2醋救围岩破损区分盯布特征及位移吃特性走在施工期间，药二滩水电站地榜下厂房蒙的楼1守号尾水洞慨和念2旺号尾水洞之间薪曾发生过岩爆热及塌方，故巧取条2浮号机组所在的带横断面作为破忆损区的示意图咱[3]斗。爬由的图些4您可以看出：爆1性）横断面上破乒坏主要集中在义主厂房下游边股墙竹1两号存和叙2末号两个母线洞鄙之间，对应的桂两个尾水洞之匙间，以及主变桨室上游边墙对馅应的两个母线听洞之间的部位各，这与该处的凑地应力较大及税结构复杂有关多。进2升）母线洞底板江破坏的位置集茄中在母线洞中狐部到主厂房一虏侧。喉授围岩的垂直位因移分布规律十坟分明显：顶拱残向下，底板向贸上。这是由于寻开挖引起地应萄力释放所造成醋的。围岩总位集移的分布规律垃则基本上是村按锣1烦号尾水洞班到冲6叙号尾水洞的方颈向依次递减（斥见搂图丘5胞）。各主要洞炕室的位移分布斑如下：尽1苏）糊主厂房上游边化墙位移的最大匠值出现在边墙扁的中部，下游蚁边墙水平位移棉的最大值出现槐边墙上部和顶树拱位置。恰好盾在此位置上，晨岩爆所造成的编破坏最严重。禾2舞）百主变室高度较粗低，约为主厂辱房高度办的胸2/淡5融，但是其最大务位移值却大于科主厂房。连3距）您尾调室的最大债位移发生赢在损1通号邪和盛2郑号尾水洞之间齐。笛与破损区图相双对照，可以看丛出是否破坏以失及破坏程度与破绝对位移的大售小不一定有确宣定的对应关系丛。最明显的是收在主厂房的上弹游拱肩的位移根比下游拱肩的昂位移为小，但军是下游拱肩并淡没有破坏，而汁上游拱肩则发叹生了破坏，这饰主要是由于下旁游拱肩的刚体尿位移较大，形辱变位移却不大世的原因。页由以上可看出介，侵地下厂房洞室羞群的围岩整体逐是稳定的，破馅损区是局部的廊，并且由于该肥岩体的完整性座较好，故可通俊过适当喷锚处谁理。围岩的破蹈坏拼从爸1巨号尾水洞钉到卸6狱号尾水洞依次齿递减，故应加火强骆1龄号丧和兄2歪号尾水洞之间序岩体的稳定性学观测，遇到问葱题及时处理。图1二滩地下厂房区域水平布置示意图掏父披降破详贼卵伍刊缩妥轧巾死关李情驱妄习争完美瓶途总剂摆图1二滩地下厂房区域水平布置示意图图3划分单元后的地下厂房模型图2划分单元后的整体模型图3划分单元后的地下厂房模型图2划分单元后的整体模型图42号机组所在面破损区等值线示意图图5主厂房下游边墙总位移示意图图42号机组所在面破损区等值线示意图图5主厂房下游边墙总位移示意图启3.档3集计算时应注意著的问题均在计算前，可日以编制计算文礼件，计算时直紫接调入该文件获执行即可。例邀如要模拟开挖懒的过程就可以绑编制相应的步依骤，在计算不度同的开挖步骤盒时，只需调入桌不同的文件执纤行即可。这样炒就减少了人工逮干预，提高了呼计算效率。在铺计算后，若出姑现模型开裂的麦情况，则说明粒在不同的小模猫型之间尚未完谦全合并，需调毁整合并图元的脾容差，直至所涌有小模型合并蛇成一个整体为章止。结束语孟利用有限元软字件进行数值模关拟计算已成为咽当前许多行业趴数值计算的主促流，本文结合故具体工程，讨彩论了在运用此贩类软件进行大茂规模数值计算怎时的相关问题围，主要有以下阵几点：元1愤）建立模型时允，整体考虑选喘择合适的模型隙和建模方法，飘尽量符合工程拘原型且要便于址计算分析。政2朵）把大模型分箭解为小模型，甚做到化繁为简圾。摄3符）计算时，可碎编制计算步骤朽文件，在不同颈的载荷步调用纽不同的文件即云可。参考文献：醋[1]披恨张有天台,猜胡惠昌群.改地应力场的趋衰势分析挎.匆水利学报敏.1984,竿(测4般).盖[2]此虚徐秉业锻,伐刘信声烂.喊应用弹塑性力石学异.阴北京分:翼清华大学出版康社艺,1995.悔513~51奇4.降[3]岸惧二滩水电站地更下厂房洞室群善模拟开挖过程捷的三维非线性喝有限元分析述.战昆明理工大学透电力工程学院斩,2000.流Surrou堵nding拜RockS属tabili隶tyAna范lysis庙FEMof刑Er-ta染n涂Chambe谈rsand路Relat京ivePr庸oblems辅Abstra挡ct棒陈FEM(F免inite斑Elemen限tsMet伤hod)i陷sthe摘mainw叮ayof息numeri旦ccomp求uting植inal虏otof翼domain仓atpr男esent.泻撕Thisp猾aperc已ombini构ngthe摇surro齿unding道rock弓stabil题ityof侨Er-ta香nunde疏rgroun筐dpowe公rhouse过chamb坊ers,f侍ocuso培nrela蛛tivep着roblem暴sabou大tproc钟essing井large贯-