超大型地下洞室群合理布置

摘　要:设计中的溪洛渡、小湾工程地下厂房洞室群有许多关键技术问题。通过对设计理论、计算方法和数学模型等方面深入广泛的研究,除对传统的设计计算方法及其计算软件进行了全面系统的完善和改进外,在初始地应力场的分析研究、渗流控制与优化研究、围岩稳定与支护方式研究、地下洞室群合理布置研究、合理施工顺序研究、施工系统仿真与进度研究及抗震稳定性研究等方面都有所创新,在某些方面取得了突破性进展,提高了我国超大型地下洞室群的设计水平,并具有较好的应用价值,从而取得了较好的经济效益和社会效益。
调压室结构型式和支护型式,从水力过渡过程的角度优化尾1 　攻关内容水调压室和水道系统的布置。本专题结合溪洛渡、小湾工程地下洞室群设计中的关键2 　攻关的主要成果技术问题进行攻关,攻关目标和内容为:
(1) 超大型地下洞室群的围岩稳定与支护方式研究。
超大型地下洞室群复杂岩体渗流问题分析系统
究项目有:数值计算模型和计算方法、洞室围岩应力、变形仿针对溪洛渡工程特点及解决岩体复杂渗流问题的需要, 真分析技术和方法,溪洛渡地下洞室群围岩整体及局部稳定研究复杂地层结构有限元计算网格的自动生成方法,以及对性、合理布置、稳定加固措施,地下厂房防渗排水系统研究。大区域、高密度、多变化的防渗排水系统精细的有限元模拟
(2) 超大型地下洞室群合理施工顺序研究。
包括开挖施方法、渗流应力耦合模型工程应用进行研究。通过对渗流控工顺序、不同的支护方式和支护参数及支护时间对围岩稳定制优化和渗流场与应力场的耦合分析计算,证明该渗流控制的影响研究,提出合理的开挖方式、开挖顺序、支护方式、支分析系统具有的实用性。护时间和支护参数,开挖爆破三维分析方法研究,探讨施工
(1) 对溪洛渡电站地下厂房区的防渗排水系统进行了多爆破对超大型地下洞室围岩稳定的影响,使超大型地下洞室方案比选,为渗控设计优化提供了科学依据。围岩稳定与支护达到经济合理的目的。
(2) 给出了裂隙的非线性弹塑性本构模型,采用全耦合
(3) 超大型地下洞室群施工系统仿真及进度研究。运用理论对溪洛渡工程问题进行了耦合计算分析,对渗流场的控循环网络计算机模拟技术、可视化面向资源建模技术、网络制有了进一步的认识。计划分析与优化技术和动态演示技术,寻求合理的机械设备
(4) 提出了三维有限元计算网格自动生成的“ 断面节点配置、施工支洞配置、施工顺序、经济可行的施工进度。控制法”。对前期数据准备只需在少量的控制断面上完成。
(5) 高烈度地震区超大型地下洞室群的抗震稳定性研三维计算网格的剖分是在全计算域上进行;并可根据需要调究。结合溪洛渡工程研究地下结构地震响应的特点及其合理的计算模型,对超大型地下洞室群进行抗震稳定性评价。
　　基金项目:
“九五”国家重点科技攻关项目(962221205203)
(6) 溪洛渡水电站地下厂房洞室设计优化研究。这项研作者简介: 王仁坤(1962 —),男,四川达县人,国家电力公司成究包括主厂房、主变室、尾水调压室等三大洞室的合理布置都勘测设计研究院副总工程师, 教授级高级工程师; 李杰男(1962 与经济合理断面的研究。—),男,四川安岳人,国家电力公司成都勘测设计研究院高工,主任
(7) 小湾水电站地下厂房洞室设计研究。研究内容包括工程师;尹晓林(1964 —),男,四川南充人,国家电力公司成都勘测地下厂房纵轴线布置和各洞室之间的间距优化,提出合理的设计研究院高级工程师，室主任
(8) 提出了“高密度排水系统快速模拟生成法”。该方法“比“以沟代井”、排水子结构法”,具有灵活快速的特点。
拓展了超大型地下洞室群围岩稳定静力分析系统
1. 提出了岩体工程仿真建模原则。
① 几何仿真、本构仿真、应力状态仿真和动态过程仿真,提出了具有不连续介质岩体变形和应力分析的分区界面元有限元、无限元的混合计算方法。
② 采用连续计算的广义统一网络,既可反映岩体的软弱面和施工流程的时变结构,又可进行渗流场和变形场(应力场) 的耦合计算。
③ 建立了围岩稳定性广角度量化评判体系的理论和准则,给出了稳定分析的静力法、超变形法、干扰能量法及其联合方法,为量化评判围岩的稳定性奠定了力学基础。④ 提出了基于伪初始地应力的三维非线性位移反分析方法,根据信息反演出逼近实际初始地应力场的新框架。
2. 建立了适应于大型结构计算的计算机网络。开发研究了相应的计算机并行计算环境和计算语言,在计算机局域网络中,完成了适用于计算机网络并行计算的“ 有限元并行子结构预条件共轭梯度法”、 “有限元多波前子结构并行分析算法”、 “求解大型结构动力响应的有限元并行解法”及“ 岩石力学参数反分析并行算法”等新的计算方法。
3. 完成了超大规模计算的有限元数据处理程序设计。在有限单元法基础上发展出多体有限元法,解决层间、层内错动带和活动块体的计算问题;根据计算结果分析洞室的可能破坏区域,并提出了关于锚索布置的建议。
4.建立了非线性块体单元法的基本理论。推导了有关缝面应力、单元劲度、整体支配方程等公式;建立了模拟锚杆作用的杆单元与块体元统一的力学模型及相应的计算公式; 编写了三维非线性块体单元法的数值分析程序,对洞室松动区的范围及锚杆作用进行了理论分析;它可以模拟分期开挖的施工过程和支护的加固作用。以溪洛渡水电站超大型地下洞室群为背景,研究了围岩变形和应力,洞室的稳定性及松动圈岩体变形模量对洞室稳定性的影响。
发展了超大型地下洞室群抗震计算分析系统
(1) 提出了二维动力时域边界元、可变形体离散元耦合模型及相应的分析软件。分析辐射阻尼和地震输入对洞室群动力变形稳定的影响,对溪洛渡地下厂房洞室群抗震稳定性进行评价;提出的耦合分析软件不仅能模拟岩体本体、构造面的线性、非线性力学特性,而且能在模型中统一考虑静力、动力荷载效应,该模型可对离散岩体的动力变形、稳定分析进行仿真模拟,使地下结构动力仿真分析向前推进一大步。
(2) 地下结构地震响应的研究。指出围岩无限介质的动力相互作用以及洞室周边地震波的散射作用,是计算地下结构地震响应的关键因素;建议的多重子结构阻尼影响抽取法及其时域分析的简化途径,可使计算在较大程度上得到简化,便于工程应用;地下洞室结构考虑地震动空间随机变化的随机分析方法,研究了地震波的频谱、波形、激励主频率、入射方向等多种因素对地下结构和地下洞室群地震响应的影响,为工程设计提供了基本依据。
超大型地下洞室群非线性非定值分析系统
(1) 提出了基于三维弹塑性有限元的可靠度计算方法。采用的基于增量理论的三维弹塑性偏微分法随机有限元计算格式,可综合反映多种随机因素模拟施工开挖步序。
(2) 提出了地应力场概率回归分析方法。地应力场是影响地下洞室围岩稳定主要因素,通常只能根据有限现场实测数据进行回归分析得出,具有较大的不确定性。本专题提出的方法考虑了地应力实测值与回归计算模型的不确定性。
(3) 提出了围岩锚杆(索) 加固的随机力学分析方法。该方法可考虑锚杆间距和锚杆材料特性的随机性,有利于对地下洞室围岩的锚杆加固效果分析。
(4) 考虑渗流荷载的随机性影响,研究出了相应的随机有限元分析方法和可靠度计算方法。
(5) 研究了在材料弹塑性效应的影响下,围岩可靠度对参数(弹模和强度及地应力系数) 的敏感性。
(6) 针对溪洛渡地下厂房模拟了施工开挖步序。对地下结构提出的理论方法,对洞室开挖加锚前后及渗流场作用前后围岩位移和应力、围岩塑性区分布,进行了计算分析,为溪洛渡水电站的设计、施工和运行提供参考的依据。
　超大型地下洞室群施工仿真分析系统
(1) 改善了围岩稳定分析理论和计算方法。包括三维初始地应力场的计算方法; 三维弹塑性损伤有限元的计算方法;锚杆、锚索支护的计算方法; 施工分期开挖优化评估方法;爆破对围岩稳定影响的计算方法。
(2) 完成了溪洛渡左、右岸洞室群围岩稳定和施工开挖分析。包括三维初始地应力场的分布规律;地下厂房洞室群合理的开挖施工顺序;洞室群合理锚固支护方式;洞室群施工爆破因素对围岩稳定的影响等。
(3) 开发了三维洞室群围岩稳定的CAD 技术。包括用Auto CAD 剖分有限元网格的技术;三维空间等值线自动绘制方法;三维空间结构内力和应力显示方法。
(4) 提出了集多种技术于一体的地下洞室群施工系统分析理论。即集循环网络计算机模拟技术、可视化面向资源建模技术、网络计划分析与优化技术及动态演示,使之更适合超大型地下洞室群施工的模拟计算分析。
　社会效益及推广应用前景
本专题主要研究成果已应用于溪洛渡和小湾工程的设计论证中。优化后的地下厂房工程量与预可研阶段同机组台数比较,共节省石方洞挖量40 万m3 、钢筋112 万t 、锚杆17 万根、锚索1 280 根、喷混凝土6 100 m3 , 共节省投资1181 亿元,其中攻关成果的应用共节省投资约6 000 万元。专题成果应用于小湾尾水系统,工程量初步计算可节省石方洞挖约11 万m3 、混凝土量约1 万m3 、喷混凝土量约4 500 m3 、锚索约570 根,经济效益估计在3 000 万元以上。本专题通过研究超大型地下洞室群有关共性的科研成果,具有广泛的应用前景,为我国在复杂地形、地质条件下修建超大型地下厂房提供设计及科学依据,具有重大的经济、社会效益。

原作者：王仁坤,李　杰,尹晓林