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龙滩水电站地下主变洞室稳定性分析

摘  要

龙滩水电站地下主变洞位于主厂房和调压井之间，其主要特征是洞跨大、边墙高、开挖工作量大。区域地质条件复杂，断层、节理较发育，围岩类别复杂，岩体完整性较好。为了使主变洞设计参数较好地适应不良地质条件，进行合理的设计和施工，保证主变洞围岩稳定，本文利用Adina有限元法软件对主变洞围岩建立了力学分析模型，进行了稳定性初步计算，得出了位移场和应力场的分布。由计算结果，对围岩稳定进行了综合性评价，即洞室围岩大部分处于受压状态，最大压应力发生在上游岩壁底部，顶拱、侧墙和台阶部位存在局部受拉区，拉应力不大，顶拱和侧墙都产生了向临空面的位移，最大值约1.4cm，在正常范围内。因此，得出的结论是主变洞围岩基本处于稳定状态。但鉴于开挖爆破的影响，建议采用新奥法支护。对主变洞进行初步的喷锚支护设计，可供相关工程参考。

关键词：ADINA；洞室稳定性分析；主变洞；喷锚支护

 

Stability Analysis on Surrounding Rock Mass of Underground Main-transformed cavern in Longtan Hydropower Station

Abstract

Main-transformed cavern of Longtan Hydropower Station is between main plant and surge tank with main characteristic of wide span, tall sidewall, mass excavation workload. Regional geological conditions is complicated, faults and joints is in development, rock types is complex, and integration of rock mass is good. In order to change the main hole design parameters to better adapting themselves to adverse geological conditions, as well as carry out reasonable design and construction, and guarantee main-transformed cavern rock stable, by using ADINA finite element software mechanical analysis model is built and computed, then the displacement and stress field distribution is plotted out. from the results the rock stability is comprehensively assessed that the majority of excavation is in loading state, the maximum compressive stress occurs in the upper reaches rock bottom; the roof, wallsides and stage presents local tensile area, not bigger; roof and walls have a maximum displacement of about 1.4 cm to the apace surface, in the normal range. Therefore, it is concluded that the main-transformed cavern basically is in a stable state. However, in view of the impact of excavation blasting, it is suggested to adopt a New Austria Tunnelling Method support. preliminary design of shotcrete-bolts supporting can act as a reference for corresponding engineering.

Keywords: ADINA, stability analysis of cavern, Main-transformed cavern, shotcrete-bolt supporting

 

前  言

    本科毕业设计是完成本科教育的最后环节，是人才培养方案的重要组成部分，是对我们学生综合运用多学科的理论、知识与方法的全面检验，搞好设计工作对培养我们的实践能力、创新能力和创业能力以及全面提高教学质量具有重要意义。

为完成本次毕业毕业论文（设计）我们做了大量的准备工作：首先实地考察龙滩水电站的地理位置；其次收集研究大量的勘察、设计等资料，其中包括水文气象，电站主体工程的布局及设计参数，各项工程地质条件等等；再次筛选信息，获取相关物理力学参数。

物理力学参数是围岩稳定性分析的基础，围岩松动程度、破碎带分布、原生及次生节理、岩层产状以及地应力的大小和方向、地下水埋藏条件等这些因素都将影响洞室的稳定性。对洞室稳定性分析是本设计的核心内容。

用何种方法来分析评价洞室稳定性，是土木工程建设者的重要任务。本次稳定性计算选择了ADINA软件，把洞室看作是二维平面问题，易于建模，边界条件及加载都较简单，成果图件可视性较强，得出的分析结果与实际情况是相吻合的。

要完成这项工作还需要具备几个重要的条件：一，对有限元法原理要有一定的了解；二，需要计算机辅助画图和计算；三，对办公软件操作熟练；四，要求我们有实事求是的奉献精神，勇于投身建设第一线的吃苦耐劳精神；五，敢于挑战自己学习新知识。

完成本次设计对我们自身来说具有极大的意义，是我们大学四年来基础课程和专业知识综合应用的一次尝试，它的好坏直接反映我们的创新精神、学习能力和敢于面对困难、挑战困难的决心。有指导老师的监督和帮助，我有足够的信心把本次设计做得很好。

 

目  录

摘  要 IV

Abstract V

前  言 VI

第一章 工程概况 1

1.1主体工程概况 1

1.3辅助工程 4

1.3.1碴场布置 4

1.3.2供风 4

1.3.3生活及供水 4

1.3.4混凝土拌和系统布置 4

第二章 主变洞水文及工程地质条件 6

2.1水文气象条件 6

2.2工程地质条件 8

2.2.1整体工程地质条件 8

2.2.2厂房系统局部工程地质条件 10

第三章 主变洞布局及设计参数 11

3.1主变洞布局 11

3.2主变洞设计参数 12

第四章 主变洞围岩物理力学性质 14

4.1地层岩性组合 14

4.2岩石抗压强度试验成果 15

4.3岩石抗剪（断）强度试验 16

4.4岩石物理性质参数 17

4.5龙滩工程分类标准及主要特征参数 18

第五章 主变洞围岩稳定性计算 20

5.1有限元法分析原理 20

5.2 ADINA特点 21

5.3 ADINA建模分析 22

5.3.1几何模型 22

5.3.2网格模型 24

5.3.3边界条件和本构关系 25

5.3.4荷载 25

5.3.5结果后处理及分析 25

5.4围岩稳定性综合评价 32

第六章 主变洞围岩支护初步设计 33

6.1支护设计方法 33

6.2锚杆的形式及比选 33

6.3锚喷支护参数的选取 34

6.3.1锚杆参数计算 34

6.3.2喷射混凝土厚度的计算 35

6.4支护设计参数布置图 36

第七章 主要结论及建议 39

7.1主要结论 39

7.2建议 39

主要参考文献 40

致  谢 41

主要结论及建议
7.1主要结论
通过对龙滩水电站地下主变室围岩二维弹性有限元数值计算,可得以下结论与认识:
    (1)从分析结果可知，最大位移、应力和应变都在安全范围之内，最大位移为1.52cm, 最大应力为8.12MPa，最大应变为0.0036，围岩基本处于稳定状态。
(2)局部地方受拉主要集中在洞室顶拱中央自由面上，整体上应力应变分布不均，在上游边墙的墙角部位出现最大应力应变，是重点防护区，同时顶拱中央是最大受拉区，也是围岩稳定性最薄弱的地方之一。
    (3)本文采用喷锚支护，是紧跟时代步伐，用新思路新方法，充分利用围岩自承能力，对围岩进行支护，技术可行，经济合理。
7.2建议
本设计的核心内容是围岩稳定性分析，因为微条件的缺陷和某些影响因素没有完全考虑，提出如下建议：
（1）本设计是以单个洞室为研究对象，没有考虑其它洞室对它的影响，建议若在条件准许的情况下尽量以洞室群为研究对象，这样理论与实际更加接近，得出的结果则更加客观真实。
（2）主变洞所跨地层为板纳组沙岩和泥板岩，没有考虑节理的方向、组数以及岩层倾向、地下水等对主变洞的影响，而且所研究的对象并非均质体，建议对该研究对象做进一步的调查，考虑节理、层面、地下水等因素，进行数值模拟。
（3）地应力在开挖过程中会慢慢释放，但并不是一次性释放的，建议对它的大小进行实地监测，以荷载的形式加载，并进行计算。
 

主要参考文献
[1] 国家电力公司中南勘察设计研究院. 红水河龙滩水电站可行性研究补充设计报告(工程地质). [R]
[2] 广西省天峨县龙滩水电站1478联营体. 引水发电系统施工组织设计. [R]
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[4] 贺少辉，地下工程[M]. 清华大学出版社. 北京：北京交通大学出版社
[5] 王焕定，焦兆平. 有限单元法基础[M]. 北京：高等教育出版社，2002
[6] 叶志明，江见鲸. 土木工程概论[M]. 北京：高等教育出版社
[7] 杨述仁，周文铎. 地下水电站厂房设计[M]. 北京：水利水电出版社
[8] 雷晓燕. 三维锚杆单元理论及其应用[J]. 工程力学，1996, 13 (2) : 50-60
[9] 中国岩土锚固工程协会. 岩土工程中锚固技术[M]. 北京：地震出版社，1989
[10] 郑颖人，董云飞，徐振远等. 地下工程锚喷支护设计指南[M]. 北京：中国铁道出版社，1988
[11] 宋志清，吴华亭，赵春来. 孟加拉国巴拉普库利亚煤矿岩巷锚喷支护设计[D]. 煤炭工业济南设计研究院 2004.6
[12] 于学馥，郑颖人等. 地下工程围岩稳定分析[M].北京：煤炭工业出版社，1983