立洲水电站引水隧洞三维非线性有限元分析.pdf

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1、第34卷第9期华电技术Vo1．34No．92012年9月HuadianTechnologySep．2012立洲水电站引水隧洞三维非线性有限元分析黄超，杨培章(四川华电木里河水电开发有限公司，四川西昌610016)摘要：引水隧洞作为一种典型的地下工程，结构复杂、地质多变，采用传统的结构计算方法已无法全面反映衬砌结构与围岩的联合受力特征。以立洲水电站引水隧洞为例，运用有限元数值模拟对隧洞围岩稳定性及结构的受力特性进行研究，较好地解决了传统算法存在的问题，供类似项目计算时参考。关键词：引水隧洞；结构计算；有限元分析；数值模拟中图分类号：TU45文献标志

2、码：B文章编号：1674—1951(2012)09～0005—05N34．60。w和N88．86。w。隧洞进口中心线高程为0引言2055．1ITI，内径为8．2in，钢筋混凝土衬厚为0．4～当前我国水电建设主要集中在云、贵、川地区，1．0m，引水隧洞纵坡3．019％o。隧洞围岩大多属其隧洞朝着大洞径、结构形式复杂化、地质条件多样稳定性很差的Ⅳ，V类围岩，含炭质板岩、砂板岩，易化、受力条件复杂化的方向发展，其与围岩联合工作发生倾倒破坏和楔形体剪切滑移破坏。的条件也愈来愈复杂，因此，引水隧洞施工期和运行2计算模型及计算参数期的围岩力学特性、受力条件及

3、与之对应的应力变形特征和失稳破坏规律、衬砌结构受力特性也成为2．1有限元模拟范围及结构离散隧洞、调压井设计中的重大难点问题。立洲水电站立洲水电站引水隧洞三维有限元计算选取隧洞引水隧洞支洞长5137nl，地质条件较差且复杂多结构和较大范围围岩体作为整体研究对象，其中有变，已完成一期开挖支护。在正常的设计支护下，多限元计算模型铅直向底部取至1810．01TI高程，上部次发生因岩石条件突变和涌水等不可预料因素导致延伸至地表，以隧洞中心轴线为界，上游侧取210．0的洞内塌方和变形，说明传统结构计算方法(解析in，下游侧取250．0in，前后侧各取140．

4、0m，井台高法)已无法全面反映衬砌结构与围岩联合受力特程前后侧计算边界围岩厚度约120．0m。有限元计征。立洲水电站引水隧洞主洞段长达167451TI，为算坐标系选定为了验证设计支护参数的合理性，寻找施工期和运行轴：沿调压井引水隧洞方向(上下游侧)，轴期洞内支护后变形的最不利部位，调整相应的支护向方位N56．oW。参数以及加固、预防措施，从而减少洞内灾害和工期】，轴：垂直调压井引水隧洞水流方向(前后侧)，影响，达到减少投资的目的。运用有限元数值模拟轴向方位N3~E。对软弱地质条件下隧洞围岩的稳定性及结构的受力z轴：与轴和y轴垂直，且Z=×Y，沿井

5、筒特性进行研究，具有重要的现实意义。高程方向铅直向上。根据横、纵剖面岩层分界线，地形等高线及调压1工程概况井轮廓，并考虑分级开挖程序进行有限元三维建模；立洲水电站采用混合式开发方式，枢纽工程由采用空间8节点等参数实体单元，支护锚杆采用等碾压混凝土双曲拱坝(坝高138m)、坝身泄洪系统、效围岩强度参数模拟。整个计算模型共剖分为右岸地下长引水隧洞及地面厂房组成，水库总库容100327个节点和99680个单元。引水隧洞三维有1．897亿ITI，具有不完全年调节性能，总装机容量限元计算网格如图1所示。为355MW。2．2围岩开挖过程及支护措施模拟本文以立

6、洲水电站引水隧洞工程为研究对象，隧洞的开挖同地下洞室的开挖一样，其岩体的该隧洞为有压圆形，隧洞中心轴线布置3个平面转开挖效应：一是体现在开挖岩体移除，参与计算时弯，方位由N33．62。E转为N24．12。W，再转为这部分刚度消失；二是开挖岩体对周围围岩失去支撑和变形约束。立洲水电站引水隧洞开挖采用工程收稿日期：2011—11—12；修回日期：2011—12—10上常用的“多载荷步法”，即上一级开挖形成的释放