苏ICP备112451047180号-6
龙滩水电站主厂房围岩稳定性分析
摘 要
在龙滩水电站现场实习的基础上，收集了大量的第一手资料，了解了场区的水文及工程地质条件、地下厂房的布局及几何参数、围岩物理力学性质及工程施工中存在的主要问题。通过围岩稳定性计算方法的优选，确定采用有限元法进行分析，根据有限元法的工作原理和求解步骤，应用ADINA（自动动态增量非线性有限元）软件对主厂房洞室围岩建立了力学分析模型，并加载进行求解，从而得到了主厂房围岩应力场、位移场分布云图，由图件显示结果对围岩稳定性作出了综合评价。针对围岩的不稳定性因素提出了相应的围岩加固初步方案，从而保障了主厂房的开挖稳定。采用有限元数值方法计算得出的结论，为支护设计提供了依据，从而达到了优化设计和施工的目的。
关键字：地下厂房 围岩稳定性 有限元 ADINA
Stability Analysis on Surrounding Rock Mass of Longtan Hydropower Station Main Powerhouse
Abstract
On the basis of field training in Longtan hydropower station, a great deal of data is collected. And I acquire such information as hydrological and engineering geological condition, distribution and geometrical parameters of main plant, physical and mechanical property of surrounding rock mass, prominent problems existed in construction, etc. Through optimal selection, FEM is determined to analyse the surrounding rock stability, and according to principle and steps of FEM, mechanical analysis model is build, loaded and solved by ADINA ( Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis ) software, meanwhile, the conclusion drawings including stress and displacement distribution can be displayed, from which we can draw a comprehensive evaluation. Then, the paper puts forward corresponding reinforcement program according to different influence factors to ensure stability of main powerhouse during excavation. Conclusion from FEM plays a pole to supporting design, which reaches the purpose of optimal design and construction.
Keywords: underground powerhouse, surrounding rock stability, finite element method， ADINA
前 言
在本科教学的最后阶段，教学计划安排了毕业实习和毕业设计教学环节，其主要目的是让我们将理论学习和实际工作有机的结合起来，综合运用大学四年来所学的各学科知识，解决工程实际问题。另一方面通过本次毕业论文（设计），使我们进一步巩固、加深所学基础理论的理解，加强基本技能、基本方法和对专业知识的掌握，使之系统化、综合化，培养我们独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养我们独立获取新知识的能力。
常用的围岩稳定性计算的方法大体分为两类：解析法和数值法。解析法是一种很好的方法,但从目前的情况看研究的程度还不够,研究成果也相对较少。虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式,但真正将位移解析解与围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够。数值法包括有限单元法、不连续变形分析(DDA)方法、离散单元法(DEM)、关键块理论(KBT)、边界元法、块体单元法、块体-弹簧元分析法等。虽然各种方法在地下工程中都有了较广泛的应用，但就目前来看，各种计算方法均没有达到真正完满解决工程实际问题的要求,如对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时,主要采用的还是有限元数值模拟方法,鉴于该方法在解决岩土工程问题时存在极大的优越性，本设计也采用了此方法。
本设计内容共分为七章，包括工程的总体概况，场区的水文及工程地质条件，主厂房的布局及设计参数，岩体的物理力学性质，使用ADINA有限元软件对围岩稳定性进行分析，围岩加固的初步设计，最后给出了结论和建议。
这次毕业设计，不仅从理论上学习了工程的设计方法，也通过工程实践加深了对理论知识的理解和掌握。在各门专业课程学习的基础上，运用计算机综合知识绘图、建模、参数分析、加载、求解，处理相关问题并得出相应结论，为工程施工提供了强有力的依据，优化了工程施工方案设计。
本次设计依据较充分，尽力查阅了各类工具书、教科书、科技文献，力求做到概念清晰，层次分明，便于查阅和修改。通过本次毕业设计，使我树立了严谨负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、开拓创新、善于与他人合作的工作作风。
限于我的能力和水平有限，设计中的不足之处望查阅者批评指正。
摘 要
在龙滩水电站现场实习的基础上，收集了大量的第一手资料，了解了场区的水文及工程地质条件、地下厂房的布局及几何参数、围岩物理力学性质及工程施工中存在的主要问题。通过围岩稳定性计算方法的优选，确定采用有限元法进行分析，根据有限元法的工作原理和求解步骤，应用ADINA（自动动态增量非线性有限元）软件对主厂房洞室围岩建立了力学分析模型，并加载进行求解，从而得到了主厂房围岩应力场、位移场分布云图，由图件显示结果对围岩稳定性作出了综合评价。针对围岩的不稳定性因素提出了相应的围岩加固初步方案，从而保障了主厂房的开挖稳定。采用有限元数值方法计算得出的结论，为支护设计提供了依据，从而达到了优化设计和施工的目的。
关键字：地下厂房 围岩稳定性 有限元 ADINA
Stability Analysis on Surrounding Rock Mass of Longtan Hydropower Station Main Powerhouse
Abstract
On the basis of field training in Longtan hydropower station, a great deal of data is collected. And I acquire such information as hydrological and engineering geological condition, distribution and geometrical parameters of main plant, physical and mechanical property of surrounding rock mass, prominent problems existed in construction, etc. Through optimal selection, FEM is determined to analyse the surrounding rock stability, and according to principle and steps of FEM, mechanical analysis model is build, loaded and solved by ADINA ( Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis ) software, meanwhile, the conclusion drawings including stress and displacement distribution can be displayed, from which we can draw a comprehensive evaluation. Then, the paper puts forward corresponding reinforcement program according to different influence factors to ensure stability of main powerhouse during excavation. Conclusion from FEM plays a pole to supporting design, which reaches the purpose of optimal design and construction.
Keywords: underground powerhouse, surrounding rock stability, finite element method， ADINA
前 言
在本科教学的最后阶段，教学计划安排了毕业实习和毕业设计教学环节，其主要目的是让我们将理论学习和实际工作有机的结合起来，综合运用大学四年来所学的各学科知识，解决工程实际问题。另一方面通过本次毕业论文（设计），使我们进一步巩固、加深所学基础理论的理解，加强基本技能、基本方法和对专业知识的掌握，使之系统化、综合化，培养我们独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其注重培养我们独立获取新知识的能力。
常用的围岩稳定性计算的方法大体分为两类：解析法和数值法。解析法是一种很好的方法,但从目前的情况看研究的程度还不够,研究成果也相对较少。虽然已有学者建立了圆形洞室不同应力状态下的位移解析式,但真正将位移解析解与围岩的稳定性之间建立关系的成果还不够。数值法包括有限单元法、不连续变形分析(DDA)方法、离散单元法(DEM)、关键块理论(KBT)、边界元法、块体单元法、块体-弹簧元分析法等。虽然各种方法在地下工程中都有了较广泛的应用，但就目前来看，各种计算方法均没有达到真正完满解决工程实际问题的要求,如对理论模型的辨识、本构关系、计算参数、仿真方法都需作进一步深入具体研究。当前用数值方法来进行围岩的稳定性评价时,主要采用的还是有限元数值模拟方法,鉴于该方法在解决岩土工程问题时存在极大的优越性，本设计也采用了此方法。
本设计内容共分为七章，包括工程的总体概况，场区的水文及工程地质条件，主厂房的布局及设计参数，岩体的物理力学性质，使用ADINA有限元软件对围岩稳定性进行分析，围岩加固的初步设计，最后给出了结论和建议。
这次毕业设计，不仅从理论上学习了工程的设计方法，也通过工程实践加深了对理论知识的理解和掌握。在各门专业课程学习的基础上，运用计算机综合知识绘图、建模、参数分析、加载、求解，处理相关问题并得出相应结论，为工程施工提供了强有力的依据，优化了工程施工方案设计。
本次设计依据较充分，尽力查阅了各类工具书、教科书、科技文献，力求做到概念清晰，层次分明，便于查阅和修改。通过本次毕业设计，使我树立了严谨负责、实事求是、刻苦钻研、勇于探索、开拓创新、善于与他人合作的工作作风。
限于我的能力和水平有限，设计中的不足之处望查阅者批评指正。
目 录
前言
第一章概述·································································································1
第一节工程说明··········································································1
第二节主体工程概况······································································1
第三节场内、外交通条件································································3
第四节临时辅助设施工程···································································4
第二章主厂房水文及工程地质条件·······························································5
第一节水文气象和地质地形条件···························································5
第二节地层岩性···················································································6
第三节地下水···············································································8
第四节不良地质条件······································································8
第三章 主厂房布局及设计参数·······························································10
第一节 主厂房的布局··········································································10
第二节设计参数················································································11
第四章 主厂房围岩物理力学性质····························································16
第一节 岩石的抗压强度试验·····························································16
第二节岩石的抗剪切强度试验·····················································19
第三节岩石(体)的变形试验·····························································24
第四节洞室围岩收敛变形试验···················································27
第五节地应力的量测···································································30
第五章主厂房围岩稳定性计算·······························································32
第一节计算方法的选择········································································32
第二节有限单元法的原理·······························································36
第三节建模··························································································39
第四节单元网格划分···········································································40
第五节计算············································································42
第六节·结果分析及结论····················································48
第六章不稳定围岩的加固的初步方案·················································50
第七章主要结论及建议····································································55
第七章 主要结论及建议
在这次设计中采用ADINA软件对龙滩水电站主厂房的围岩稳定性进行分析，其中考虑的影响条件非常简单，只涉及到洞室围岩的自身重力，且把围岩考虑成均质的、各向同性的弹性材料，考虑的只是平面应力问题，把问题简单化。由于考虑的条件较为简单，从而得到的结论与龙滩水电站的围岩稳定性分析结果（地质模型试验）有一定的区别；在计算中所采用的计算软件不同，也会导致计算结论有所不同。本次设计的目的就在于ADINA软件的学习和使用其对龙滩水电站主厂房的围岩进行稳定性分析，并得出围岩支护的初步方案，这也是对大学四年所学知识的综合利用，对各学科知识的进一步巩固，也是加深对工程实践的认识。
但是，在龙滩水电站主厂房的工程项目中，所涉及到的条件就不像该设计中这样单一，该工程区的地质条件相当复杂，在该工程区中有大小不一的断层及其破碎带，节理等弱面，严重控制了围岩稳定性分析的难度；在龙滩水电站主厂房工程区上下，左右有较多的洞室纵横交错，组成了一个较大的洞室群，各个洞室的开挖于支护均存在相互影响，这就加大了围岩的稳定性分析的难度。在分析过程中必须考虑到围岩自身的自承能力、岩层的倾向和其它洞室施工以及弱面的影响。这样得到的结论才更完善，安全系数会更高，才能优化支护设计。
在围岩稳定性分析方面有较多的计算软件，对计算软件的选择也是关键，因为每一个软件的使用条件不同，分析后的结论就会产生差异。且每一个计算软件的适用条件也不一样，当考虑到的影响因素较多时，根据这些适用条件就限制了计算软件的使用。因此，在处理相关问题时，应该尽可能考虑影响其安全的稳定性因素。从而选择较好的计算软件进行分析，力求更精确，更科学的设计方案。
因此，在工程实践中所作的一切设计都必须考虑到影响该工程的相关因素，为了加强自己处理工程实际的能力，不仅要学会使用ADINA计算软件分析该主厂房的围岩稳定性问题，还可以采用其他计算软件对该工程进行稳定性分析，比较结果的差异。经过类似工程和软件的学习，不断提高自己的计算机、工程力学、处理围岩稳定性等技能，熟练掌握专业知识，能在工程实际中灵活运用。 从而达到安全、经济、适用，优化设计的目的。
建议在工程实际中，运用相关软件求解相似问题时，应该考虑影响整个系统的全部因素，以工程实际为依据，避免漏掉不可忽略的影响而导致工程事故的发生。为提高自身处理相似工程相似问题的恶能力，可以采用不同的计算软件，不同的影响因素，对龙滩水电站主厂房围岩的稳定性作分析，并与类似工程的围岩稳定性分析作比较，使分析过程更系统化，根据分析结果来设计支护方案，从而得到更多的练习，不断地提高，以致熟练掌握类似工程问题的分析与支护方案的设计。
参考文献
[1]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·
[2]Turnei M J,Clough R W,Martin H C,Topp L J.Stiffness and de-flection analysis of complex structure[J].A eronaut.Sci.,1956,23,
[3]朱素平,周楚良·地下圆形隧道围岩稳定性的粘弹性力学分析[J].同济大学学报,1994,(9):229-233.
[4]任青文·岩体破坏分析方法的研究进展[J].岩石力学与工程学报,2001,20(增2):1303-1309.；
[5]程桦,孙钧·软弱围岩复合式隧道衬砌力学机理非线性大变形数值分析[J].岩石力学与工程学报,1997,16(4):327-3367.；
[6]谭云亮,姜福云,等·锚杆对节理围岩稳定性影响的离散元研究[J].工程地质学报,1999,(4):361-365.
[7]王焕定,焦兆平·有限单元法基础[M].高等教育出版社；
[8]地下工程
[9]钢筋混泥土
[10] 东兆星，吴士良·井巷工程[M].中国矿业大学出版社，2004；
［9］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
［10］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
广西省天峨县龙滩水电站1478联营体.龙滩水电站引水发电系统施工组织设计[R]
第七章 主要结论及建议
在这次设计中采用ADINA软件对龙滩水电站主厂房的围岩稳定性进行分析，其中考虑的影响条件非常简单，只涉及到洞室围岩的自身重力，且把围岩考虑成均质的、各向同性的弹性材料，考虑的只是平面应力问题，把问题简单化。由于考虑的条件较为简单，从而得到的结论与龙滩水电站的围岩稳定性分析结果（地质模型试验）有一定的区别；在计算中所采用的计算软件不同，也会导致计算结论有所不同。本次设计的目的就在于ADINA软件的学习和使用其对龙滩水电站主厂房的围岩进行稳定性分析，并得出围岩支护的初步方案，这也是对大学四年所学知识的综合利用，对各学科知识的进一步巩固，也是加深对工程实践的认识。
但是，在龙滩水电站主厂房的工程项目中，所涉及到的条件就不像该设计中这样单一，该工程区的地质条件相当复杂，在该工程区中有大小不一的断层及其破碎带，节理等弱面，严重控制了围岩稳定性分析的难度；在龙滩水电站主厂房工程区上下，左右有较多的洞室纵横交错，组成了一个较大的洞室群，各个洞室的开挖于支护均存在相互影响，这就加大了围岩的稳定性分析的难度。在分析过程中必须考虑到围岩自身的自承能力、岩层的倾向和其它洞室施工以及弱面的影响。这样得到的结论才更完善，安全系数会更高，才能优化支护设计。
在围岩稳定性分析方面有较多的计算软件，对计算软件的选择也是关键，因为每一个软件的使用条件不同，分析后的结论就会产生差异。且每一个计算软件的适用条件也不一样，当考虑到的影响因素较多时，根据这些适用条件就限制了计算软件的使用。因此，在处理相关问题时，应该尽可能考虑影响其安全的稳定性因素。从而选择较好的计算软件进行分析，力求更精确，更科学的设计方案。
因此，在工程实践中所作的一切设计都必须考虑到影响该工程的相关因素，为了加强自己处理工程实际的能力，不仅要学会使用ADINA计算软件分析该主厂房的围岩稳定性问题，还可以采用其他计算软件对该工程进行稳定性分析，比较结果的差异。经过类似工程和软件的学习，不断提高自己的计算机、工程力学、处理围岩稳定性等技能，熟练掌握专业知识，能在工程实际中灵活运用。 从而达到安全、经济、适用，优化设计的目的。
建议在工程实际中，运用相关软件求解相似问题时，应该考虑影响整个系统的全部因素，以工程实际为依据，避免漏掉不可忽略的影响而导致工程事故的发生。为提高自身处理相似工程相似问题的恶能力，可以采用不同的计算软件，不同的影响因素，对龙滩水电站主厂房围岩的稳定性作分析，并与类似工程的围岩稳定性分析作比较，使分析过程更系统化，根据分析结果来设计支护方案，从而得到更多的练习，不断地提高，以致熟练掌握类似工程问题的分析与支护方案的设计。
参考文献
[1]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·
[2]Turnei M J,Clough R W,Martin H C,Topp L J.Stiffness and de-flection analysis of complex structure[J].A eronaut.Sci.,1956,23,
[3]朱素平,周楚良·地下圆形隧道围岩稳定性的粘弹性力学分析[J].同济大学学报,1994,(9):229-233.
[4]任青文·岩体破坏分析方法的研究进展[J].岩石力学与工程学报,2001,20(增2):1303-1309.；
[5]程桦,孙钧·软弱围岩复合式隧道衬砌力学机理非线性大变形数值分析[J].岩石力学与工程学报,1997,16(4):327-3367.；
[6]谭云亮,姜福云,等·锚杆对节理围岩稳定性影响的离散元研究[J].工程地质学报,1999,(4):361-365.
[7]王焕定,焦兆平·有限单元法基础[M].高等教育出版社；
[8]地下工程
[9]钢筋混泥土
[10] 东兆星，吴士良·井巷工程[M].中国矿业大学出版社，2004；
［9］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
［10］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
广西省天峨县龙滩水电站1478联营体.龙滩水电站引水发电系统施工组织设计[R]