苏ICP备112451047180号-6
龙滩水电站尾水调压井围岩稳定性有限元分析
摘 要
本文是在查阅大量文献，并通过在广西天峨县龙滩水电站的实习，详细了解了龙滩水电站的整个工程概况基础上完成的。
先对龙滩水电站总体工程作了概述，了解了场区水文及工程地质条件、调压井的布局及设计几何参数和围岩物理力学性质等。在尾水调压井围岩稳定性分析计算中，先经过计算方法比选，确定采用有限单元法作为分析手段，对有限单元法原理、求解步骤作了简介。再应用ADINA软件进行建模、划分网格，对初始地应力场进行了反演。在分层开挖过程中，采用了将开挖单元定义为“死单元”的处理方法来模拟分层开挖，最后得出了随着开挖的进行洞周二次应力场和位移场的发展变化情况，并根据计算结果对尾水调压井围岩稳定性进行了综合评价。根据有限元分析结果，建议在调压井开挖过程中，洞周围岩要进行及时支护。
关键词: 龙滩水电站，调压井，围岩稳定性分析，有限元，ADINA
Stability Analysis on Surrounding Rock Mass of Tailrace Surge Tank in Longtan Hydropower Station
Abstract
The paper is completed on the basis of lots of reference quoted, training in Longtan Hydropower Station in Tian'e County in Guangxi province, and a detailed understanding of the Longtan Hydropower Project.
During the process, the first thing is to outline the whole engineering, then grasp hydrological and geological conditions, obtain some data about distribution and geometrical parameters of surge tank, and sum up physical and mechanical properties. Compared with various compution methods, FEM is determined to be the main means. According to principle and steps of FEM, the paper builds computed model, generates meshing, simulating original stress filed. During the excavations, the method that “excavation element” is defined as “inactive element” is used to simulate stratified excavations. Finally, a series of result drawings including a second stress and displacement field are shown, on which stability of suege tank surrounding rock is comprehensively evaluated. According the results of FEM, it is suggested that with excavation the supporting must be carried out.
Keywords: Longtan Hydropower station, surge tank, stability analysis of surrounding rock mass, finite element method, ADINA；
参考文献
[1] 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,1998
[2] 郑颖人，董云飞等.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京:中国铁道出版社，1988.
[3] 徐干成，白洪才，郑颖人. 地下工程支护结构[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 孙钧. 地下工程设计理论与实践[M]. 上海：上海科学技术出版社，1996.
[5] 易萍丽. 现代隧道设计与施工[M]. 北京：中国铁道出版社，1997.
[6] 禹芝文. 向家坝地下厂房围岩稳定分析和支护设计方案[D].河海大学，2005.
[7] 王焕定，焦兆平.有限单元法基础[M].北京：高等教育出版社，2002.
[8] 干昆蓉.地下工程围岩稳定性分析方法存在的问题与思考[J].现代隧道技术,2003,40(6).
[9] 王思敬，杨志法等. 地下工程岩体稳定分析[M].北京:科学出版社,1984.
[10]沈明荣.岩体力学[M].同济大学出版社,2005.
[11]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.
[12]陈希哲.土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，2004.
[13]张继勋、刘秋生，地下工程稳定性分析方法现状与不足[J]， 现代隧道技术，2005，2(1).
[14]张继勋，于纪玉，水工地下工程稳定性分析方法现状与展望[J]，水电站设计，2004，24(1).
[15]贺少辉等，地下工程，北京：清华大学出版社，2006.
[16]谷兆祺等，地下洞室工程，北京：清华大学出版社，1994.
[17]关宝树、杨其新，地下工程概论，西南交通大学出版社[J]，2001.
[18]陈洪江，土木工程地质，北京：中国建材工业出版社，2005.
摘 要
本文是在查阅大量文献，并通过在广西天峨县龙滩水电站的实习，详细了解了龙滩水电站的整个工程概况基础上完成的。
先对龙滩水电站总体工程作了概述，了解了场区水文及工程地质条件、调压井的布局及设计几何参数和围岩物理力学性质等。在尾水调压井围岩稳定性分析计算中，先经过计算方法比选，确定采用有限单元法作为分析手段，对有限单元法原理、求解步骤作了简介。再应用ADINA软件进行建模、划分网格，对初始地应力场进行了反演。在分层开挖过程中，采用了将开挖单元定义为“死单元”的处理方法来模拟分层开挖，最后得出了随着开挖的进行洞周二次应力场和位移场的发展变化情况，并根据计算结果对尾水调压井围岩稳定性进行了综合评价。根据有限元分析结果，建议在调压井开挖过程中，洞周围岩要进行及时支护。
关键词: 龙滩水电站，调压井，围岩稳定性分析，有限元，ADINA
Stability Analysis on Surrounding Rock Mass of Tailrace Surge Tank in Longtan Hydropower Station
Abstract
The paper is completed on the basis of lots of reference quoted, training in Longtan Hydropower Station in Tian'e County in Guangxi province, and a detailed understanding of the Longtan Hydropower Project.
During the process, the first thing is to outline the whole engineering, then grasp hydrological and geological conditions, obtain some data about distribution and geometrical parameters of surge tank, and sum up physical and mechanical properties. Compared with various compution methods, FEM is determined to be the main means. According to principle and steps of FEM, the paper builds computed model, generates meshing, simulating original stress filed. During the excavations, the method that “excavation element” is defined as “inactive element” is used to simulate stratified excavations. Finally, a series of result drawings including a second stress and displacement field are shown, on which stability of suege tank surrounding rock is comprehensively evaluated. According the results of FEM, it is suggested that with excavation the supporting must be carried out.
Keywords: Longtan Hydropower station, surge tank, stability analysis of surrounding rock mass, finite element method, ADINA；
目 录
摘 要 I
Abstract II
第一章 工程概况 1
1.1 工程概述 1
1.2 引水发电系统 2
1.3 施工交通布置 3
1.4 辅助工程布置 3
1.4.1 施工供水 3
1.4.2 生活用水 3
1.4.3 施工供电 4
第二章 调压井水文及工程地质条件 5
2.1 水文气象条件 5
2.2 工程地质条件 5
2.2.1 地形地貌 5
2.2.2 地层岩性 5
2.2.3 地质构造 6
2.2.4 地应力 6
2.3 调压井工程地质条件 7
第三章 调压井的布局及设计参数 8
3.1 调压井工程概况及布局 8
3.1.1 尾水支(岔)洞 8
3.1.2 调压井 8
3.1.3 尾水隧洞 8
3.1.4 尾水出口 8
3.2 调压井的设计参数 9
第四章 调压井场区初始地应力反演 11
4.1初始地应力概述 11
4.2模拟初始地应力场的方法 11
4.3 有限单元法 11
4.3.1 有限单元法的原理 12
4.3.2 ADINA软件介绍 13
4.3.3 ADINA解题步骤 14
4.4 ADINA 建模 14
4.4.1 计算范围和几何模型 14
4.4.2 本构关系 16
4.4.3 定义并施加边界条件 16
4.4.4 设置初始地应力 16
4.5 划分网格 17
4.6 ADINA计算 17
4.7 初始地应力反演分析 17
4.7.1 矢量图 18
4.7.2 应力分布云图 18
第五章 调压井开挖围岩稳定性数值分析 22
5.1 围岩稳定性分析方法 22
5.1.1 解析法 22
5.1.2 数值分析方法 22
5.2 影响围岩稳定性的主要因素 25
5.2.1 地质构造 25
5.2.2 岩体的物理力学性质 25
5.2.3 初始地应力场 26
5.2.4 地下水 26
5.2.5 工程因素 26
5.3调压井分层开挖ADINA数值模拟 26
5.3.1 分层开挖在ADINA软件中的实现 26
5.3.2 调压井分层开挖模拟 26
5.4 结果显示和分析 28
5.4.1 矢量图 28
5.4.2 位移分布云图 31
5.4.3 应力分布云图 37
5.5 调压井围岩稳定性分析结论 46
第六章 主要结论及建议 47
6.1 结论 47
6.2 建议 47
参考文献 48
致 谢 49
附图A 1#尾水调压井围岩稳定性分析图
附图B 尾水系统布置图
第六章 主要结论及建议
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在广西天峨县龙滩水电站的实习，详细了解了龙滩水电站的整个工程概况，对尾水发电系统工程地质条件、调压井的布局及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，并为以后的支护提供必要的数据。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）由于岩石隧道工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题，所以根据对比稳定性分析方法，采用了有限元进行调压井的稳定性分析。
（2）用有限元ADINA软件对调压井厂区的初始地应力进行了反演。
（3）通过设置开挖单元的“生死”特性，对调压井分层开挖进行了模拟，得出了开挖之后二次应力场和位移场分布。
（4）通过二次应力场和位移场分析，得出位移值并不大、但剪应力集中程度较高的结论。建议在开挖过程中尽量少扰动未开挖岩体，在应力释放到一定程度后要适时支护。
6.2 建议
在本论文里，采用了ADINA软件进行计算处理，它的好处就是快捷、方便，但有一点就是在计算过程中没有考虑到工程地质情况，如地质构造、地下水等。但总的来说还是很好的，特别是在解决地下工程围岩稳定性分析计算方面。
由于考虑模型的材料为线弹性材料，考虑的平面模型为平面应变问题模型，侧压力系数的取值为1.0，导致位移值较小，而且只考虑重力作用下的围岩变形，不考虑衬砌和支护，跟洞室的实际工程情况有一定的差异。
由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。由于地下工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。
6.1 结论
本文是在查阅大量文献基础上，并通过在广西天峨县龙滩水电站的实习，详细了解了龙滩水电站的整个工程概况，对尾水发电系统工程地质条件、调压井的布局及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，并为以后的支护提供必要的数据。通过上述各章节的计算分析，得到了以下结论：
（1）由于岩石隧道工程的复杂性，一般难以用封闭形式的解析公式定量地求解问题，所以根据对比稳定性分析方法，采用了有限元进行调压井的稳定性分析。
（2）用有限元ADINA软件对调压井厂区的初始地应力进行了反演。
（3）通过设置开挖单元的“生死”特性，对调压井分层开挖进行了模拟，得出了开挖之后二次应力场和位移场分布。
（4）通过二次应力场和位移场分析，得出位移值并不大、但剪应力集中程度较高的结论。建议在开挖过程中尽量少扰动未开挖岩体，在应力释放到一定程度后要适时支护。
6.2 建议
在本论文里，采用了ADINA软件进行计算处理，它的好处就是快捷、方便，但有一点就是在计算过程中没有考虑到工程地质情况，如地质构造、地下水等。但总的来说还是很好的，特别是在解决地下工程围岩稳定性分析计算方面。
由于考虑模型的材料为线弹性材料，考虑的平面模型为平面应变问题模型，侧压力系数的取值为1.0，导致位移值较小，而且只考虑重力作用下的围岩变形，不考虑衬砌和支护，跟洞室的实际工程情况有一定的差异。
由于地下工程的复杂性，围岩稳定性评价不能依赖于单一方法，因此，依托于计算机技术，进行多种方法综合评价分析，是未来发展的一种趋势。由于地下工程常依赖于经验，因此利用地下工程的失稳和稳定实例来建立系统，考虑多种因素影响，使多学科交叉融合，也将是未来的发展方向之一。
参考文献
[1] 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,1998
[2] 郑颖人，董云飞等.地下工程锚喷支护设计指南[M].北京:中国铁道出版社，1988.
[3] 徐干成，白洪才，郑颖人. 地下工程支护结构[M].北京：中国水利水电出版社，2002.
[4] 孙钧. 地下工程设计理论与实践[M]. 上海：上海科学技术出版社，1996.
[5] 易萍丽. 现代隧道设计与施工[M]. 北京：中国铁道出版社，1997.
[6] 禹芝文. 向家坝地下厂房围岩稳定分析和支护设计方案[D].河海大学，2005.
[7] 王焕定，焦兆平.有限单元法基础[M].北京：高等教育出版社，2002.
[8] 干昆蓉.地下工程围岩稳定性分析方法存在的问题与思考[J].现代隧道技术,2003,40(6).
[9] 王思敬，杨志法等. 地下工程岩体稳定分析[M].北京:科学出版社,1984.
[10]沈明荣.岩体力学[M].同济大学出版社,2005.
[11]刘佑荣，唐辉明.岩体力学[M].武汉：中国地质大学出版社，1999.
[12]陈希哲.土力学地基基础[M].北京：清华大学出版社，2004.
[13]张继勋、刘秋生，地下工程稳定性分析方法现状与不足[J]， 现代隧道技术，2005，2(1).
[14]张继勋，于纪玉，水工地下工程稳定性分析方法现状与展望[J]，水电站设计，2004，24(1).
[15]贺少辉等，地下工程，北京：清华大学出版社，2006.
[16]谷兆祺等，地下洞室工程，北京：清华大学出版社，1994.
[17]关宝树、杨其新，地下工程概论，西南交通大学出版社[J]，2001.
[18]陈洪江，土木工程地质，北京：中国建材工业出版社，2005.