软弱岩脉对某电站隧洞影响的有限元计算分析.pdf

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1、第３８卷第２期人民黄河Ｖｏｌ．３８，Ｎｏ．２２０１６年２月ＹＥＬＬＯＷＲＩＶＥＲＦｅｂ．，２０１６【工程建设管理】软弱岩脉对某电站隧洞影响的有限元计算分析黄士奎，张权（国核电力规划设计研究院，北京１０００９５）摘要：某电站尾水隧洞具有埋深大、地质条件复杂、洞室段分布有宽度较大的软弱岩脉等特点，软弱岩脉的影响导致围岩稳定性问题异常突出，需要计算评价其稳定性。基于ＡＮＳＹＳ软件，采用有限元数值方法分别对岩脉分布在隧洞顶部、侧墙及底部时对隧洞的影响进行了分析，并采用有限元强度折减法对开挖支护后隧洞安全性进行评价。数值计算结果表明，岩脉位于隧洞顶

2、部及底部时仅对局部变形和应力有较大影响，对围岩整体稳定性影响较小；而当岩脉在隧洞侧墙位置时围岩整体稳定性大大降低，因此需在施工中对侧墙分布有软弱岩脉的洞室段加强支护。关键词：有限元数值方法；软弱岩脉；强度折减法；稳定性分析；隧洞＋中图分类号：ＴＶ６７２．１文献标志码：Ａｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００⁃１３７９．２０１６．０２．０３１随着我国大型电站、能源、交通等工程建设的蓬勃的单元或将既有单元删除，而是当杀死单元时，将单元［１－３］发展，工程中遇到的隧洞规模越来越大、埋深日益的刚度系数乘以一个很小的数，从而使得该部分单元增

3、加、地质条件愈加复杂、安全问题突出，因而对复杂如同空气单元一般，实现隧洞的开挖。采用此方法得［４］地质条件下隧洞的稳定性评价显得尤为重要。到的开挖释放荷载与有限元数值积分得到的释放荷载隧洞分析中传统的结构力学和弹塑性力学方是等价的。［５］（２）隧洞计算的关键之二是有限元强度折减法的法对于几何条件以及边界条件较为复杂的隧洞显［１１］得无能为力，因而数值方法被广泛应用。目前采用的实现。有限元强度折减法是通过折减岩土体材料数值方法主要包括有限元、有限差分、离散元等，其中的强度参数来评价岩土体的安全储备，基于ＡＮＳＹＳ软有限元方法［６］发展较为成

4、熟且最为常用，而基于有限件的ＡＰＤＬ语言进行编程，能够实现计算过程中参数元的强度折减法也被广泛用来评价边坡、隧洞等岩体的自动折减，从而实现强度折减法在ＡＮＳＹＳ软件中的工程的稳定性［７－８］，因而该方法能够满足隧洞开挖及自动实现。稳定计算的要求。有限元分析软件中ＡＮＳＹＳ、（３）隧洞计算的关键之三是确定围岩安全判据。ＡＢＡＱＵＳ等大型通用有限元程序较为常用，其中ＡＮ⁃有限元强度折减计算完成后，如何根据计算结果确定ＳＹＳ软件［９］内置的生死单元功能能够自动实现岩土体安全系数？文献［１２］对若干安全系数判据进行了研的开挖，基于ＡＮＳＹＳ平台的

5、ＡＰＤＬ二次开发语言能够究，包括有限元计算不收敛、塑性区贯通、特征点位移使得强度折减法在该软件中轻松实现。突变等指标，其中特征点位移突变较为直观且具有一基于ＡＮＳＹＳ软件，通过有限元方法计算分布在某定的合理性，因而以该方法作为隧洞安全的判据。电站尾水隧洞顶部、侧墙以及底部位置的软弱岩脉对２有限元计算模型及计算参数隧洞开挖后的变形、应力以及稳定性，揭示岩脉对隧洞开挖过程安全性的影响，进一步改善支护措施，以保证某电站尾水系统按两机一室一洞形式布置，隧洞隧洞开挖的稳定性。开挖断面尺寸较大（１７．３ｍ×１８．７ｍ），最大埋深达到７００ｍ，地质条件

6、复杂，尤其是隧洞段存在宽度（９ｍ）１计算方法及围岩安全判据较大的岩脉，因而隧洞开挖后稳定性问题突出。有限元计算中选取埋深约为５００ｍ的洞室段进行分析，岩（１）隧洞计算的关键之一是开挖荷载的计算。根据有限元理论，隧洞开挖边界的地应力释放荷载可通［１０］收稿日期：２０１４１０２９过边界的应力条件通过数值积分得到，ＡＮＳＹＳ软作者简介：黄士奎（１９７３—），男，山东滕州人，高级工程师，件提供了生死单元功能，从而使得开挖计算能够较方主要从事大型火电及核电厂水工结构设计与研究工作。Ｅ⁃ｍａｉｌ：ｈｕａｎｇｓｈｉｋｕｉ＠ｓｎｐｄｒｉ．ｃｏｍ便地实现。

7、生死单元功能并不是在模型中重新生成新·１２１·人民黄河２０１６年第２期脉考虑与隧洞的不利组合情况，即岩脉分别在隧洞顶功能实现。拱、侧墙、底部，组合时只考虑左侧隧洞有岩脉影响的情况。岩脉与隧洞的组合情况见图１。图３隧洞支护示意（单位：ｃｍ）表１材料计算参数变形参数强度参数密度／材料（ｇ·变形模量／屈服强内摩擦黏聚力／ｃｍ－３）泊松比ＧＰａ度／ＭＰａ角／（°）ＭＰａ围岩２．６２５．０００．２７４２．００．９岩脉２．５８１．７５０．３５３１．００．５锚杆７．８０２１０．０００．１０３１０混凝土图１岩脉与隧洞的位置关系喷层２．５０２８．０００．１

8、７采用二维隧洞有限元模型，模型范围取隧洞左右两侧及底部大于３倍洞径，而顶部则至实际地面线，建３开挖计算结果模中取高度方向为坐标ｚ轴、沿洞轴线方向为坐标ｙ轴。有限元模型采用８节点等参单元剖分，共