苏ICP备112451047180号-6
北盘江一级水电站主变室围岩稳定性分析
摘 要
随着我国工程建设的迅速发展，水电站等大型工程的数量也是越来越多。然而，一个如此庞大的工程在其完成的过程中将会遇到各种各样的错综复杂的问题。这其中最重要的问题之一，就是地下硐室的稳定性分析。
本文以水电站主变室围岩稳定性为例，详细介绍了该区域的工程概况及水文地质条件和工程地质条件、硐室开挖方式及设计参数、围岩物理力学性质，分析工程实践中存在的问题。同时，叙述说明了常用的稳定性分析的方法以及国内外研究现状；并进一步以《弹塑性力学》和《岩体力学》介绍了相关的理论基础。然后根据有限单元法的原理及求解步骤，结合实际施工过程，用ADINA软件建立主变室开挖力学分析模型，得出了主变室分层开挖的位移场、应力场分布，在此基础上对主变室围岩稳定性进行了综合评价。
关键词：主变室，稳定性，位移场，应力场，ADINA
The Transformer Chamber Surrounding Rock Stability Analysis of senior grade Hydropower Station in BeiPan River
Abstract
With the rapid development of construction in China, the number of hydropower station is also more and more. However, such a magnificent project in the process of the construction will encounter all kinds of complicated problems. One of the most important part of these problems is underground cavern stability analysis.
This paper introduces hydrogeological condition and engineering geology condition and the engineering general situation, excavation method and design parameters, physical and mechanical properties of rock mass, analyses possible problems which is existed on the project in practice. At the same time, the text describes the commonly used method of stability analysis and research situation. And what's more, it takes the "elastic-plastic mechanics "and" rock mechanics " to instruct the related theoretical basis. Then according to the principle and steps of finite element method, combined with the actual construction process, the software of ADINA is used to build mechanical analysis model of excavation, then the stress field and displacement field of "layer-to-layer" excavation is obtained, on which stability of transformer chamber is evaluated comprehensively.
Keywords: Transformer chamber, Stability, Displacement field, Stress field, ADINA
图1.1 北盘江一级水电站工程交通位置示意图
工程任务以发电为主，航运次之。电站装机容量540MW，安装三台单机容量为180MW的水轮发电机组。北盘江一级水电站属二等大（2）型工程。
引水系统采用一洞一机供水方式，单机引用流量304.2m3/s。坝身式进水口前沿总宽度为75.20m，底板高程为549.00m，设一道检修门和一道快速事故门。三条引水硐室平行布置，轴线方位由NE78º通过竖井转为方位SE26º，内径9.75m，3条引水硐室长度分别为220.632m、265.173m、307.127m。压力钢管为16MRn，内径为8m，3条压力钢管长均为41.893m，与地下厂房纵轴线成75°交角斜向进入厂房。
地下厂房硐室群布置于大坝左岸山体内，厂房纵轴线方位为N79ºE，厂区枢纽建筑物主要由主厂房、副厂房、主变洞、母线洞、厂坝电梯井、出线平洞、出线竖井、排风洞、进风洞、进风竖井、排水廊道、厂变交通洞、主变交通洞、主变交通廊道等地下硐室和地面开关站组成。主厂房由主机间和左安装间组成，主机间长76.5m，机组间距24.5m，岩锚梁以上开挖宽度24.9m，以下开挖宽度23.3m，机组安装高程500.90m，顶拱开挖高程542.80m，尾水管底板开挖高程480.0m，最大开挖高度62.8m。安装间长45.0m，宽23.3m，高24.8m。副厂房位于主机间右侧，长19.0m，宽23.3m，高24.8m。主变洞平行布置于主厂房下游侧40.0m处，长80.0m，开挖宽度15.3m，高16.2m。3条母线洞位于主厂房和主变洞之间，长40.0m，净断面空尺寸6.5m×7.0m。开关站位于主变洞上方的地面缓坡地带，底板高程605.30m，平面尺寸80m×28m（长×宽），高压电缆从地下主变洞通过出线竖井和出线平洞通至地面开关站。在主厂房和主变洞周围10m～25m处布置两层平面上呈封闭形式的排水廊道，顶层排水廊道长660m，底板高程为542m～535.3m，在平面上呈“日”字形，并自流排至下游河道，廊道断面尺寸为3m×3m，城门洞型，顶拱布置Φ76@2m的排水孔，孔深30m～40m。下层排水廊道长520m，底板高程518.3m～498m，在平面上呈“口”字形，廊道断面尺寸为2.5m×2.5m，城门洞型，部分利用厂房1#施工支洞，顶拱布置Φ76@2m的排水孔，孔深25m～45m。
尾水系统采用一洞一机出水方式，由尾水硐室和尾水闸室组成。尾水硐室轴线方位由N4º E，经水平转弯后为N29º W，断面尺寸9.5m×15.24m，城门洞型，3条尾水硐室长分别为56.016m，80.255m，104.586m。尾水闸室布置于尾水出口，闸室内设一道工作闸门，闸底板高程为488m，顶板高程为540.5m。
1.2 水文气象
1.2.1 水文资料
坝址控制流域面积16068km2，多年平均流量309m3/s，多年平均径流量98.18亿m3，实测最大流量6450m3/s，实测最小流量16.0m3/s。
表1.1 坝址天然洪峰流量表
表1.2 坝址多年各月平均流量
1.2.2 气象资料
本流域属于亚热带高原季风气候区。流域内雨量丰沛，电站坝址以上流域多年平均降水量为1272.9mm，多年平均年水面蒸发量为980.1mm。
本流域气候湿润，多年平均相对湿度一般在74％以上。多年平均风速为1.3m/s；最大风速为15m/s，相应风向为SW。多年日照总数为1352.8h，7、8月份最多，分别为167.0h和184.1h。多年平均雷暴日数为31.2d，11月最高，为897.6hPa。
统计关岭气象站1958～2000年43年气温特征值，多年平均气温16.3℃；多年极端最高气温35.3℃；多年极端最低气温-4.8℃。
第二章 工程区区域地质
2.1 区域地质背景
北盘江源于乌蒙山脉的马雄山，流域地势位于我国西部高原向东部丘陵过渡地带的南端，总的地势NW高、SE低。流域地貌属滇东、黔西高原地貌及黔西南中山、山原及丘陵区，中、上游地区以岩溶地貌为主，下游地区以侵蚀、剥蚀地貌为主。北盘江一级水电站位于流域中、上游中山地区。
根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287-2006），区域范围选取以工程场地为中心、半径不小于150km的地区，其地理位置经纬度大致为24.3584°-27.0924°N，103.9882°-107.0229°E。
2.2 大地构造环境
研究区跨越2个一级大地构造单元，即扬子准地台（Ⅰ）和华南褶皱系（Ⅱ），二者的分界线为开元－平塘断裂（南盘江断裂）。其中扬子准地台包括滇中、滇东、攀西及黔西威宁地区，为研究区之大部区域。它在研究区内可进一步划分为黔北台隆（Ⅰ1）、黔南台陷（Ⅰ2）两个二级构造单元。工程场地所在的二级构造黔北台隆的基底岩系为中元古界昆阳群，晋宁运动表现明显，下震旦统磨拉石建造角度不整合于昆阳群之上。震旦纪到晚三叠世中期，大部分处于稳定的构造环境，SW的裂陷作用主要发生在泥盆纪、石炭纪和二叠纪。黔北台隆内，中－晚元古界基底零散出露，燕山期各种构造型式的褶皱断裂都有代表，多次构造运动的遗迹也有所保存，燕山运动使之发生全面褶皱。它是一个呈NE向延伸的条块，NW和四川盆地相接，以盆地中大面积分布的白垩系SE缘为界与四川台坳分开；SE面则以三叠系相变线为标志与黔南台陷划开。按其发展历史中较长期的变化，可进一步划分为六盘水断陷（Ⅰ11）和遵义断拱（Ⅰ12）两个三级构造单元。
2.3地球物理场及深部构造特征
研究区内布格重力异常值为负值，总趋势为南高北低，东高西低，并由SE向NW递减，异常幅度为(-90~-220)×10－5m/s2，异常等值线展布大致呈向东突出的弧形。沿威宁－六盘水－兴义为一条重力梯度带，梯度值为0.6×10－5m/(s2·km)，其北段呈NW向，南段为SW向。沿望谟－八南断裂、巴马－博白等断裂构造形成重力梯度带，反映这些断裂具有深部构造特征。工程场地处于威宁－六盘水－兴义的布格重力梯度带的南段，工程场地所在地段无明显异常显示。
区域航磁探测发现，研究区大部以平静的即平缓低的负异常为主要特征，异常值一般为-25~-50nT。仅NW部和西部边缘为变化升高的正、负异常背景区，幅度一般为-50~100nT。沿NW的威宁－水城断裂带表现为一条NW向正、负异常带。工程场地位于平静磁异常区。
研究区内地壳厚度为44~51km，总的变化趋势是由东向西逐渐增厚。在研究区西部，表现为向东突出的弧形异常，沿威宁－六盘水－兴义为一条地壳厚度陡变异常带。研究区NE部为近东西向的异常，并在黔西一带有一对近南北向并列的穹状地幔凸起和坳陷，地壳厚度分别为44km和45km。它们似分别与威宁NW向变形区及贵阳复杂构造变形区有某种联系。近场区SE部在隆林、罗甸一带各有一条地幔次级坳陷，前者走向近南北，后者走向NE，地壳厚度均为45km，罗甸附近的地幔坳陷应是望谟-乐业间1875年61/2级地震的深部异常显示。工程场地位于威宁－六盘水－兴义地壳陡变带的南段。
2.4区域地震活动特征
研究区内地震活动的显著特点是强度不大，频度不高，历史上发生过中强地震19次，其中4.4级1次、4.7~4.9级9次、5.0~5.9级8次，61/2级1次，工程场地处在地震活动弱的地区。自西向东主要的中强地震活动带有宣威－弥勒中强地震带、乐业－陆川中强地震带和威宁－水城－晴隆中强地震活动带。
M≥4.7地震和有感地震震中分布图表明，研究区内5级左右地震主要集中在研究区西部靠近云南的晴隆一带，其次分布于贵定和黔桂交界地带。有感地震多分布于区域北、中部，主要集中在晴隆、贵阳－惠水一带、盘县等地，广西境内的隆林—西林一带及乐业附近亦有分布。从仪侧小地震活动的频次看，研究区西部远高于东部。30多年地震台网监测到区内3.0~3.9级145次、4.0~4.6级15次（不包括破坏性地震的余震），可见研究区仪测小地震的频度也很低。上述情况表明，工程场地所在的研究区属弱地震活动区。
1875年乐业61/2级地震，对于此次地震的震中有较大分歧，有人认为位于乐业北，也有人认为位于乐业与凌云之间。地震破坏主要位于南宁、镇安、宾州、凌云等地，其中凌云破坏最重，地震产生许多崩塌、滑坡和滚石。此次地震极震区长轴呈NNW向。根据断裂构造发育情况，其发震构造可能是望谟－逻西－八南断裂。
研究公元1495年至今M≥4.7和有感地震（M=3.0~4.6）随时间的分布情况发现，除17世纪无破坏性地震记载外，自14世纪以来每百年内均发生过破坏性地震；有感地震在时间上则相对均匀分布。
研究区域自1970年以来，共有4次地震记录有震源深度，均为4.7~4.9级地震。其中3次地震震源深度分布于0~20km范围内，只有1次地震震源深度＞20km，平均震源深度约17.8km。综合分析认为，研究区内的地震均为陆内浅源地震。
第四章 围岩稳定性影响因素及分析方法
4.1 概述
地下工程的施工在一般程度上相比地上工程有较大的难度。那是因为地下工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，地下硐室的开挖施工将不可避免地扰动地下岩（土）体，破坏了原有的平衡状态，从而向新的平衡状态过渡转变。在一定的地质体和地质环境中开挖地下硐室，势必会引起该地质体在硐室周围一定范围内发生应力状态和能量的重新调整分布。由于实际中，地质体结构与构造很复杂，它们不是纯粹的线弹性材料，或者在很小的范围，影响不大的情况下可近似看为线弹性材料。这种特性就决定了在开挖过程中，随着应力不断调整和围岩的不断变形，地质体本身的材料特性在不同阶段就会发生不同程度的改变。当重分布应力达到地质体极限强度时，就产生裂缝和剪切位移，在自重作用下发生塌落，甚至造成“冒顶”现象。在实际工程中，需要解决的围绕地下硐室开挖模拟计算的研究问题还比较多，特别是在复杂地质条件和不良地质条件下，必须进行系统的，深入的，全面的研究【2】。
第五章 围岩稳定性有限元法分析
本章是整个论文研究的核心，以北盘江一级水电站主变室为例，用ADINA有限元软件进行计算与分析，模拟整个施工过程，预测现场监测数据最终发展趋势，弥补现场监测的不足之处。同时分析本厂房断层破碎带围岩受力、变形规律，将其作为地质超前预报、塌方预警、调整施工工序、调整支护结构强度和喷层施工时间的重要依据【5】。
第六章 结论与建议
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在北盘江北盘江一级水电站实习，详细了解了该水电站的整个工程概况，对该地下厂房的工程地质条件、设计参数以及围岩物理力学性质的充分认识的基础上完成的。通过对以上参数的总结，采用有限单元法对围岩稳定性进行分析，利用ADINA 软件计算处理，根据计算结果分析对围岩稳定性做出评价。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）水电站地下厂房，埋深大、纵向长、跨度大、断面形态复杂，解析法一般难以胜任其稳定性分析，所以采用了ADINA有限元软件进行数值分析。
（2）由于地下硐室埋深较大，所处地质环境复杂，其初始地应力是一个不可忽略的重要因素。
（3）利用ADINA进行了分步开挖和全断面开挖的结果进行了对比，云图形态与分布接近，在交点处也有不同参量的应力泡，都符合相关的理论基础。但是，整个对比过程中也出现了云图颜色变化差异与数值上的差异，其主要原因是全断面开挖不适合本例中的地质环境；而且，它只体现了最终的一个变化趋势，并不像分步开挖那样，每开挖一层就会对围岩扰动一次，从而得到更接近实际工程的结果。
（4）影响主变室围岩的稳定性因素包括内部因素和环境因素，其中内部因素占有主导作用，要谨慎处理。
6.2建议
（1）在本文中，采用了ADINA软件进行计算处理，但在计算过程中有些工程地质情况没有考虑到，如地质构造、地下水等。除此之外，本文将整个工程简化成2D平面问题，没有考虑空间效应。建议可进一步用ADINA建三维模型进行分析或者换用更高级的FLAC-3D进行三维分析。
（2）本文采用分步开挖与全断面开挖进行结果对比分析，建议采用全断面开挖的结果云图分布趋势作为开挖完毕主变室围岩相关参数的变化情况的参考，这样可以达到方便快捷之效；采用分步开挖每个步骤中的数值结果作为实际施工过程中的围岩参变量的依据，这样可以较为准确的掌握围岩的变化量值，二者双管齐下，并举安全经济之效。
展望
本文是在北盘江一级水电站的基础上，结合其工程区的地质条件以及其他参数建立出了ADINA有限元模型。由于实际工程情况的复杂性、多变性及本人的能力有限，本文中还有一些问题有待进一步解决，深入研究。
（1）合理的建立模型能得到更精确化的结果。本文之前一共建立了十余种有限元模型，经过反复验证，对比以及向老师请教，才确定了此次的主变室模型。同时，如何在复杂的实际因素中考虑简化次要因素，突出主要因素，也是一个值得研究的问题。
（2）整个模型的灵魂应该是相关的计算参数。没有参数，再好再优秀的方法都只是一个躯壳。本次模型所采用参数都只是根据一系列的现场实验得出的数据，结合经验提出的综合建议值，并不是一个能准确反映该区的精确值。因此，这个综合建议值的选定是一个极为重要的环节，它直接关系到计算结果的准确性与可行性。
（3）从本文后部分的计算结果看来，我们还可以采用更接近实际，更加复杂的开挖方法来模拟主变室的开挖过程。地下洞室的开挖的实质就是在一个较大范围的应力场中进行局部的应力释放和回弹变形的问题，由于这个问题带来的其它一系列后期问题，比如开挖后是否需要支护衬砌、支护参数与形式等，本文由于工作量和时间关系，没有给与提出，建议后期进行此工作。
（4）有限元法作为数值法的代表，其计算的准确性与精度是不容置疑的。但是，根据模糊数学的定义：每一个集合都必须由确定的元素所构成，元素对集合的隶属关系必须是明确的。有限元法还是不可能做到“明确的”，因此，可采用多种方法联合对比来控制一个变量，结果会由于单手段控制。
参考文献
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摘 要
随着我国工程建设的迅速发展，水电站等大型工程的数量也是越来越多。然而，一个如此庞大的工程在其完成的过程中将会遇到各种各样的错综复杂的问题。这其中最重要的问题之一，就是地下硐室的稳定性分析。
本文以水电站主变室围岩稳定性为例，详细介绍了该区域的工程概况及水文地质条件和工程地质条件、硐室开挖方式及设计参数、围岩物理力学性质，分析工程实践中存在的问题。同时，叙述说明了常用的稳定性分析的方法以及国内外研究现状；并进一步以《弹塑性力学》和《岩体力学》介绍了相关的理论基础。然后根据有限单元法的原理及求解步骤，结合实际施工过程，用ADINA软件建立主变室开挖力学分析模型，得出了主变室分层开挖的位移场、应力场分布，在此基础上对主变室围岩稳定性进行了综合评价。
关键词：主变室，稳定性，位移场，应力场，ADINA
The Transformer Chamber Surrounding Rock Stability Analysis of senior grade Hydropower Station in BeiPan River
Abstract
With the rapid development of construction in China, the number of hydropower station is also more and more. However, such a magnificent project in the process of the construction will encounter all kinds of complicated problems. One of the most important part of these problems is underground cavern stability analysis.
This paper introduces hydrogeological condition and engineering geology condition and the engineering general situation, excavation method and design parameters, physical and mechanical properties of rock mass, analyses possible problems which is existed on the project in practice. At the same time, the text describes the commonly used method of stability analysis and research situation. And what's more, it takes the "elastic-plastic mechanics "and" rock mechanics " to instruct the related theoretical basis. Then according to the principle and steps of finite element method, combined with the actual construction process, the software of ADINA is used to build mechanical analysis model of excavation, then the stress field and displacement field of "layer-to-layer" excavation is obtained, on which stability of transformer chamber is evaluated comprehensively.
Keywords: Transformer chamber, Stability, Displacement field, Stress field, ADINA
目 录
摘 要 V
Abstract VI
第一章 工程概况 1
1.1 工程概况 1
1.2 水文气象 2
1.2.1 水文资料 2
1.2.2 气象资料 3
第二章 工程区区域地质 4
2.1 区域地质背景 4
2.2 大地构造环境 4
2.3地球物理场及深部构造特征 4
2.4区域地震活动特征 5
第三章 工程区工程地质条件 7
3.1 地质概况 7
3.1.1 地形地貌 7
3.1.2 地层岩性 7
3.1.3 地质构造 8
3.1.4 岩溶 9
3.1.5 水文地质 11
第四章 围岩稳定性影响因素及分析方法 13
4.1 概述 13
4.2 围岩稳定性分析方法 13
4.2.1解析法 13
4.2.2数值分析法 14
4.2.3不确定性方法 15
4.2.4其他方法 16
4.3地下厂房围岩应力分布 16
4.3.1初始应力状态 17
4.3.2硐室开挖后围岩二次应力状态 19
4.3.3围岩支护后的应力状态 20
4.4影响断层破碎带围岩稳定性的地质环境因素 21
4.4.1内部因素 21
4.4.2外部因素 24
第五章 围岩稳定性有限元法分析 26
5.1有限元法模拟分析基本过程 26
5.2有限元软件ADINA简介 27
5.3 北盘江一级水电站主变室围岩稳定性有限元分析 28
5.3.1有限元模型的建立 28
5.3.2 岩土体的本构关系 30
5.3.3 材料参数的确定 31
5.3.4 初始应力场的施加 32
5.3.5 单元生死设置 33
5.4 ADINA有限元软件操作过程 36
5.5 有限元初始地应力反演结果分析 50
5.6分步开挖各参量云图分析 51
5.6.1分步开挖位移云图 51
5.6.2分步开挖应力云图 61
5.7全断面开挖各参量云图分析 74
第六章 结论与建议 79
6.1 结论 79
6.2 建议 79
6.3 展望 80
参考文献 81
致谢 82
附录 83
第一章 工程概况
1.1 工程概况
北盘江一级水电站位于北盘江干流（茅口以下）中游，花江大桥上游20.2km处的关岭县尖山村和兴仁县补朗村交界的尖山峡谷河段，其上游45km为已建成的光照水电站，下游依次为规划的北盘江二级水电站和刚建成的董箐水电站。电站距贵阳市公路里程207km，距六盘水市203km，距兴义市140km。电站附近现有S210省道及贵昆和南昆二条铁路通过，对外交通十分便利。
第一章 工程概况
1.1 工程概况
北盘江一级水电站位于北盘江干流（茅口以下）中游，花江大桥上游20.2km处的关岭县尖山村和兴仁县补朗村交界的尖山峡谷河段，其上游45km为已建成的光照水电站，下游依次为规划的北盘江二级水电站和刚建成的董箐水电站。电站距贵阳市公路里程207km，距六盘水市203km，距兴义市140km。电站附近现有S210省道及贵昆和南昆二条铁路通过，对外交通十分便利。
图1.1 北盘江一级水电站工程交通位置示意图
工程任务以发电为主，航运次之。电站装机容量540MW，安装三台单机容量为180MW的水轮发电机组。北盘江一级水电站属二等大（2）型工程。
引水系统采用一洞一机供水方式，单机引用流量304.2m3/s。坝身式进水口前沿总宽度为75.20m，底板高程为549.00m，设一道检修门和一道快速事故门。三条引水硐室平行布置，轴线方位由NE78º通过竖井转为方位SE26º，内径9.75m，3条引水硐室长度分别为220.632m、265.173m、307.127m。压力钢管为16MRn，内径为8m，3条压力钢管长均为41.893m，与地下厂房纵轴线成75°交角斜向进入厂房。
地下厂房硐室群布置于大坝左岸山体内，厂房纵轴线方位为N79ºE，厂区枢纽建筑物主要由主厂房、副厂房、主变洞、母线洞、厂坝电梯井、出线平洞、出线竖井、排风洞、进风洞、进风竖井、排水廊道、厂变交通洞、主变交通洞、主变交通廊道等地下硐室和地面开关站组成。主厂房由主机间和左安装间组成，主机间长76.5m，机组间距24.5m，岩锚梁以上开挖宽度24.9m，以下开挖宽度23.3m，机组安装高程500.90m，顶拱开挖高程542.80m，尾水管底板开挖高程480.0m，最大开挖高度62.8m。安装间长45.0m，宽23.3m，高24.8m。副厂房位于主机间右侧，长19.0m，宽23.3m，高24.8m。主变洞平行布置于主厂房下游侧40.0m处，长80.0m，开挖宽度15.3m，高16.2m。3条母线洞位于主厂房和主变洞之间，长40.0m，净断面空尺寸6.5m×7.0m。开关站位于主变洞上方的地面缓坡地带，底板高程605.30m，平面尺寸80m×28m（长×宽），高压电缆从地下主变洞通过出线竖井和出线平洞通至地面开关站。在主厂房和主变洞周围10m～25m处布置两层平面上呈封闭形式的排水廊道，顶层排水廊道长660m，底板高程为542m～535.3m，在平面上呈“日”字形，并自流排至下游河道，廊道断面尺寸为3m×3m，城门洞型，顶拱布置Φ76@2m的排水孔，孔深30m～40m。下层排水廊道长520m，底板高程518.3m～498m，在平面上呈“口”字形，廊道断面尺寸为2.5m×2.5m，城门洞型，部分利用厂房1#施工支洞，顶拱布置Φ76@2m的排水孔，孔深25m～45m。
尾水系统采用一洞一机出水方式，由尾水硐室和尾水闸室组成。尾水硐室轴线方位由N4º E，经水平转弯后为N29º W，断面尺寸9.5m×15.24m，城门洞型，3条尾水硐室长分别为56.016m，80.255m，104.586m。尾水闸室布置于尾水出口，闸室内设一道工作闸门，闸底板高程为488m，顶板高程为540.5m。
1.2 水文气象
1.2.1 水文资料
坝址控制流域面积16068km2，多年平均流量309m3/s，多年平均径流量98.18亿m3，实测最大流量6450m3/s，实测最小流量16.0m3/s。
表1.1 坝址天然洪峰流量表
| 项目 | 单位 | 各种频率设计值 | |||||||||
| P（%） | 0.02 | 0.05 | 0.1 | 0.2 | 0.5 | 1 | 2 | 5 | 10 | 20 | |
| 洪峰 | m3/s | 13100 | 12100 | 11300 | 10600 | 9550 | 8770 | 7970 | 6860 | 6000 | 5080 |
| 月份 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 年 |
| 流量（m3/s） | 607 | 810 | 664 | 492 | 363 | 182 | 110 | 85.9 | 77.5 | 66.7 | 70.9 | 167 | 309 |
本流域属于亚热带高原季风气候区。流域内雨量丰沛，电站坝址以上流域多年平均降水量为1272.9mm，多年平均年水面蒸发量为980.1mm。
本流域气候湿润，多年平均相对湿度一般在74％以上。多年平均风速为1.3m/s；最大风速为15m/s，相应风向为SW。多年日照总数为1352.8h，7、8月份最多，分别为167.0h和184.1h。多年平均雷暴日数为31.2d，11月最高，为897.6hPa。
统计关岭气象站1958～2000年43年气温特征值，多年平均气温16.3℃；多年极端最高气温35.3℃；多年极端最低气温-4.8℃。
第二章 工程区区域地质
2.1 区域地质背景
北盘江源于乌蒙山脉的马雄山，流域地势位于我国西部高原向东部丘陵过渡地带的南端，总的地势NW高、SE低。流域地貌属滇东、黔西高原地貌及黔西南中山、山原及丘陵区，中、上游地区以岩溶地貌为主，下游地区以侵蚀、剥蚀地貌为主。北盘江一级水电站位于流域中、上游中山地区。
根据《水力发电工程地质勘察规范》（GB 50287-2006），区域范围选取以工程场地为中心、半径不小于150km的地区，其地理位置经纬度大致为24.3584°-27.0924°N，103.9882°-107.0229°E。
2.2 大地构造环境
研究区跨越2个一级大地构造单元，即扬子准地台（Ⅰ）和华南褶皱系（Ⅱ），二者的分界线为开元－平塘断裂（南盘江断裂）。其中扬子准地台包括滇中、滇东、攀西及黔西威宁地区，为研究区之大部区域。它在研究区内可进一步划分为黔北台隆（Ⅰ1）、黔南台陷（Ⅰ2）两个二级构造单元。工程场地所在的二级构造黔北台隆的基底岩系为中元古界昆阳群，晋宁运动表现明显，下震旦统磨拉石建造角度不整合于昆阳群之上。震旦纪到晚三叠世中期，大部分处于稳定的构造环境，SW的裂陷作用主要发生在泥盆纪、石炭纪和二叠纪。黔北台隆内，中－晚元古界基底零散出露，燕山期各种构造型式的褶皱断裂都有代表，多次构造运动的遗迹也有所保存，燕山运动使之发生全面褶皱。它是一个呈NE向延伸的条块，NW和四川盆地相接，以盆地中大面积分布的白垩系SE缘为界与四川台坳分开；SE面则以三叠系相变线为标志与黔南台陷划开。按其发展历史中较长期的变化，可进一步划分为六盘水断陷（Ⅰ11）和遵义断拱（Ⅰ12）两个三级构造单元。
2.3地球物理场及深部构造特征
研究区内布格重力异常值为负值，总趋势为南高北低，东高西低，并由SE向NW递减，异常幅度为(-90~-220)×10－5m/s2，异常等值线展布大致呈向东突出的弧形。沿威宁－六盘水－兴义为一条重力梯度带，梯度值为0.6×10－5m/(s2·km)，其北段呈NW向，南段为SW向。沿望谟－八南断裂、巴马－博白等断裂构造形成重力梯度带，反映这些断裂具有深部构造特征。工程场地处于威宁－六盘水－兴义的布格重力梯度带的南段，工程场地所在地段无明显异常显示。
区域航磁探测发现，研究区大部以平静的即平缓低的负异常为主要特征，异常值一般为-25~-50nT。仅NW部和西部边缘为变化升高的正、负异常背景区，幅度一般为-50~100nT。沿NW的威宁－水城断裂带表现为一条NW向正、负异常带。工程场地位于平静磁异常区。
研究区内地壳厚度为44~51km，总的变化趋势是由东向西逐渐增厚。在研究区西部，表现为向东突出的弧形异常，沿威宁－六盘水－兴义为一条地壳厚度陡变异常带。研究区NE部为近东西向的异常，并在黔西一带有一对近南北向并列的穹状地幔凸起和坳陷，地壳厚度分别为44km和45km。它们似分别与威宁NW向变形区及贵阳复杂构造变形区有某种联系。近场区SE部在隆林、罗甸一带各有一条地幔次级坳陷，前者走向近南北，后者走向NE，地壳厚度均为45km，罗甸附近的地幔坳陷应是望谟-乐业间1875年61/2级地震的深部异常显示。工程场地位于威宁－六盘水－兴义地壳陡变带的南段。
2.4区域地震活动特征
研究区内地震活动的显著特点是强度不大，频度不高，历史上发生过中强地震19次，其中4.4级1次、4.7~4.9级9次、5.0~5.9级8次，61/2级1次，工程场地处在地震活动弱的地区。自西向东主要的中强地震活动带有宣威－弥勒中强地震带、乐业－陆川中强地震带和威宁－水城－晴隆中强地震活动带。
M≥4.7地震和有感地震震中分布图表明，研究区内5级左右地震主要集中在研究区西部靠近云南的晴隆一带，其次分布于贵定和黔桂交界地带。有感地震多分布于区域北、中部，主要集中在晴隆、贵阳－惠水一带、盘县等地，广西境内的隆林—西林一带及乐业附近亦有分布。从仪侧小地震活动的频次看，研究区西部远高于东部。30多年地震台网监测到区内3.0~3.9级145次、4.0~4.6级15次（不包括破坏性地震的余震），可见研究区仪测小地震的频度也很低。上述情况表明，工程场地所在的研究区属弱地震活动区。
1875年乐业61/2级地震，对于此次地震的震中有较大分歧，有人认为位于乐业北，也有人认为位于乐业与凌云之间。地震破坏主要位于南宁、镇安、宾州、凌云等地，其中凌云破坏最重，地震产生许多崩塌、滑坡和滚石。此次地震极震区长轴呈NNW向。根据断裂构造发育情况，其发震构造可能是望谟－逻西－八南断裂。
研究公元1495年至今M≥4.7和有感地震（M=3.0~4.6）随时间的分布情况发现，除17世纪无破坏性地震记载外，自14世纪以来每百年内均发生过破坏性地震；有感地震在时间上则相对均匀分布。
研究区域自1970年以来，共有4次地震记录有震源深度，均为4.7~4.9级地震。其中3次地震震源深度分布于0~20km范围内，只有1次地震震源深度＞20km，平均震源深度约17.8km。综合分析认为，研究区内的地震均为陆内浅源地震。
第四章 围岩稳定性影响因素及分析方法
4.1 概述
地下工程的施工在一般程度上相比地上工程有较大的难度。那是因为地下工程是在岩土体内部进行的，无论其埋深大小，地下硐室的开挖施工将不可避免地扰动地下岩（土）体，破坏了原有的平衡状态，从而向新的平衡状态过渡转变。在一定的地质体和地质环境中开挖地下硐室，势必会引起该地质体在硐室周围一定范围内发生应力状态和能量的重新调整分布。由于实际中，地质体结构与构造很复杂，它们不是纯粹的线弹性材料，或者在很小的范围，影响不大的情况下可近似看为线弹性材料。这种特性就决定了在开挖过程中，随着应力不断调整和围岩的不断变形，地质体本身的材料特性在不同阶段就会发生不同程度的改变。当重分布应力达到地质体极限强度时，就产生裂缝和剪切位移，在自重作用下发生塌落，甚至造成“冒顶”现象。在实际工程中，需要解决的围绕地下硐室开挖模拟计算的研究问题还比较多，特别是在复杂地质条件和不良地质条件下，必须进行系统的，深入的，全面的研究【2】。
第五章 围岩稳定性有限元法分析
本章是整个论文研究的核心，以北盘江一级水电站主变室为例，用ADINA有限元软件进行计算与分析，模拟整个施工过程，预测现场监测数据最终发展趋势，弥补现场监测的不足之处。同时分析本厂房断层破碎带围岩受力、变形规律，将其作为地质超前预报、塌方预警、调整施工工序、调整支护结构强度和喷层施工时间的重要依据【5】。
第六章 结论与建议
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在北盘江北盘江一级水电站实习，详细了解了该水电站的整个工程概况，对该地下厂房的工程地质条件、设计参数以及围岩物理力学性质的充分认识的基础上完成的。通过对以上参数的总结，采用有限单元法对围岩稳定性进行分析，利用ADINA 软件计算处理，根据计算结果分析对围岩稳定性做出评价。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）水电站地下厂房，埋深大、纵向长、跨度大、断面形态复杂，解析法一般难以胜任其稳定性分析，所以采用了ADINA有限元软件进行数值分析。
（2）由于地下硐室埋深较大，所处地质环境复杂，其初始地应力是一个不可忽略的重要因素。
（3）利用ADINA进行了分步开挖和全断面开挖的结果进行了对比，云图形态与分布接近，在交点处也有不同参量的应力泡，都符合相关的理论基础。但是，整个对比过程中也出现了云图颜色变化差异与数值上的差异，其主要原因是全断面开挖不适合本例中的地质环境；而且，它只体现了最终的一个变化趋势，并不像分步开挖那样，每开挖一层就会对围岩扰动一次，从而得到更接近实际工程的结果。
（4）影响主变室围岩的稳定性因素包括内部因素和环境因素，其中内部因素占有主导作用，要谨慎处理。
6.2建议
（1）在本文中，采用了ADINA软件进行计算处理，但在计算过程中有些工程地质情况没有考虑到，如地质构造、地下水等。除此之外，本文将整个工程简化成2D平面问题，没有考虑空间效应。建议可进一步用ADINA建三维模型进行分析或者换用更高级的FLAC-3D进行三维分析。
（2）本文采用分步开挖与全断面开挖进行结果对比分析，建议采用全断面开挖的结果云图分布趋势作为开挖完毕主变室围岩相关参数的变化情况的参考，这样可以达到方便快捷之效；采用分步开挖每个步骤中的数值结果作为实际施工过程中的围岩参变量的依据，这样可以较为准确的掌握围岩的变化量值，二者双管齐下，并举安全经济之效。
展望
本文是在北盘江一级水电站的基础上，结合其工程区的地质条件以及其他参数建立出了ADINA有限元模型。由于实际工程情况的复杂性、多变性及本人的能力有限，本文中还有一些问题有待进一步解决，深入研究。
（1）合理的建立模型能得到更精确化的结果。本文之前一共建立了十余种有限元模型，经过反复验证，对比以及向老师请教，才确定了此次的主变室模型。同时，如何在复杂的实际因素中考虑简化次要因素，突出主要因素，也是一个值得研究的问题。
（2）整个模型的灵魂应该是相关的计算参数。没有参数，再好再优秀的方法都只是一个躯壳。本次模型所采用参数都只是根据一系列的现场实验得出的数据，结合经验提出的综合建议值，并不是一个能准确反映该区的精确值。因此，这个综合建议值的选定是一个极为重要的环节，它直接关系到计算结果的准确性与可行性。
（3）从本文后部分的计算结果看来，我们还可以采用更接近实际，更加复杂的开挖方法来模拟主变室的开挖过程。地下洞室的开挖的实质就是在一个较大范围的应力场中进行局部的应力释放和回弹变形的问题，由于这个问题带来的其它一系列后期问题，比如开挖后是否需要支护衬砌、支护参数与形式等，本文由于工作量和时间关系，没有给与提出，建议后期进行此工作。
（4）有限元法作为数值法的代表，其计算的准确性与精度是不容置疑的。但是，根据模糊数学的定义：每一个集合都必须由确定的元素所构成，元素对集合的隶属关系必须是明确的。有限元法还是不可能做到“明确的”，因此，可采用多种方法联合对比来控制一个变量，结果会由于单手段控制。
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