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浅谈地下厂房洞周岩体等效衬砌厚度的优化分析

发布时间:2015-02-09 09:41

  摘 要:水电站地下厂房洞室群空间布置复杂,洞室相互交错,同时所处地质环境存在断层、裂隙等岩体结构面,都决定了三维有限元仿真模拟的难度。在不影响洞室群整体稳定的前提下,为使离散模型更逼近实际,本文将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替,即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中,模拟方法的可行性得以验证,计算成果合理,有较好的精度,为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。同时研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响,最后得出较优的等效衬砌厚度。


  关键字:地下厂房;岩体;等效衬砌;主应力;径向位移


  中图分类号:TV554 文献标志码:A


  电站地下厂房洞室群空间布置复杂,洞室相互交错,同时所处地质环境存在层状岩体以及断层、裂隙等岩体结构面,都决定了三维有限元仿真模拟的难度。由于喷混凝土衬砌厚度很薄,只有15~30cm厚,与大型的地下洞室群整体尺寸相比,微乎其微。故在不影响洞室群整体稳定的前提下,为使离散模型更逼近实际,常常将喷混凝土衬砌的加固效应用其周边岩体等效作用来代替,即把喷层混凝土的刚度和强度等效叠加到洞室边墙的第一层单元中。根据变形一致原理,该层单元的等效变形模量E和粘聚力C按以下公式计算:
  其中:Er、Cr 、Ec、Cc分别为岩体和混凝土的变模、粘聚力,hr、hc分别为岩体和混凝土的厚度,,E、C为岩体的等效变模、等效粘聚力。
  该种对衬砌的模拟方法已成功应用于多个工程,如蟠龙抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定分析;瀑布沟、索风营水电站大型地下洞室群围岩稳定及加固效果分析等,计算成果合理,有较好的精度,为大型地下工程的分析研究提供了科学依据。在midas/GTS里对该等效衬砌法的实现:将洞周等效岩体改变参数,在支护阶段直接激活相应的边界条件即可。为了研究不同等效衬砌厚度对围岩的变形及应力的影响,建模时分别考虑了厚度为0.9m、1.5m、2.1m的等效衬砌,对结果对比分析,选取更接近实际混凝土衬砌的等效方案。
  1.工程算例
  (1)基本概况
  某地下厂房开挖尺寸为204.70×26.70×68.50m,采用C20喷混凝土衬砌,厚15cm,锚杆:Φ28mm@1.5×1.5m,L=6/8m;挂钢筋网:φ8mm@20×20cm。
  基于对称性,取厂房跨度的一半13.35m,厚度取半个机组段长14.5m,建立三维模型如下图:
  (2)计算规模
  模型采用四节点四面体单元,共11932节点,53647个单元,其中锚杆单元数是1000。
  2.计算结果分析
  依照初步拟定的施工开挖顺序,由上至下共分八步开挖,计算中按边开挖、边支护的模式,即开挖当层与支护上一层同时进行。
  对比几种工况的计算结果,无论从围岩应力、位移、塑性区等来比较,结果都很接近,其中2.1m的等效衬砌比0.9m的等效衬砌跟实衬砌法计算结果偏离稍大,但浮动范围有限,现取洞周四个具有代表性的特征点的计算结果(开挖完工后)参见表1、表2。
  分析表1与表2不难发现,用岩体等效衬砌代替喷混凝土衬砌,对洞周的位移影响极小。0.9m厚的等效衬砌计算结果与实衬砌计算结果基本相同,2.1m等效衬砌计算结果较0.9m的产生的洞周位移要稍微小些,但总的变化幅度仅0.9%左右;围岩应力稍有异样,但变化变化幅度仅0.1%~5%;对于塑性区分布规律,四种方案的计算结果,开挖完工后的塑性破坏区都共同出现在洞室周边拐角处。
  采用洞室周边岩体等效衬砌来代替喷混凝土衬砌作用,对洞室围岩稳定性分析起到基本相同的效应,这种模拟方法将大大减少前处理的建模工作量。
  3.结语
  (1)借用实例进行建模,建模时同时考虑了洞周几种厚度的等效岩体衬砌,分别计算并对结果进行对比分析。就施工期洞室群的围岩稳定性而言,等效衬砌法和实衬砌法,起到基本相同的支护效应,阐明了该方法的合理性与可行性。故在水电站地下厂房施工开挖的三维非线性模型中,其衬砌支护模拟采用等效衬砌法,可以大大减少前处理工作量。
  (2)本文只是做了初步探索,建模时只考虑了三种指定厚度的岩体等效衬砌,对比结果分析出更接近实际的等效厚度。若能采用非线性优化方法迭代得出最优的等效衬砌厚度,将是以后的研究重点。

 

 



本文编号:13684

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