水电站地下厂房开挖模拟分析及安全评价

摘要

我国已经成为世界水电建设的中心，而未来十年我国的水电建设任务依旧十分繁重。在水利工程的大力建设中，地质条件将更加复杂多样化，水电站地下厂房群的围岩更加复杂多变，对地下厂房洞室开挖过程中的围岩稳定性分析越来越必要。有效利用水电站的监测资料和有限元的计算结果，提出合理的安全评价方法，不但可以让同类工程在今后的建设中得到经验借鉴，而且对水电站的正常运行可以提供有益的参考。
　　 本文对水电站的监测数据进行了统计分析、回归分析和预测分析；然后结合水电站的围岩地质情况，厂房的围岩尺寸模拟了水电站地下厂房开挖的全过程，施加水电站运行时的外部荷载，作用于开挖完成后的围岩，得到该水电站有限元分析的初步结果；最后结合水电站的监测数据和有限元计算结果，运用模糊数学的知识做出安全评价。其主要的成果如下：
　　 (1)分析了某抽水蓄能水电站的监测数据，得出该电站的主厂房及主变室围岩变形观测的总体规律，即位于厂房顶拱或上部的岩体内部位移较小，位于厂房下部的岩体内部位移较大，主变室的围岩变形相对主厂房小。主厂房、主变室的岩体内部变形变化速率都很小，符合围岩稳定标准；主厂房与主变室锚杆应力总体规律也是上部小，下部相对大，数值基本稳定。通过回归分析得到温度是影响围岩变形的因素之一；在MATLAB中编制了相应的预测程序，预测分析了围岩的变形趋势，对比监测结果，数据预测准确度较高。
　　 (2)利用ANSYS单元生死的模拟功能，实现了对该水电站地下厂房的开挖模拟，取得了一些合理的结果。模拟过程中着重分析了在自重作用下围岩产生的地层构造应力，然后分析了地层应力作用下围岩的应力状况及位移状况。开挖完毕后，计算得出地下厂房围岩在外荷载作用下理论的最大变形量达到12．5mm，位于山顶处，在母线洞附近的平均变形为11．1mm。计算得出理论应力值为压43．9MPa，主要集中在开挖后的主厂房和主变室的临空面。
　　 (3)基于有限元计算结果和监测数据，本文提出了“择优理论”，并编制了相应的程序。采取该理论并选取围岩关键点的位移值和应力值作为控制因子，进行逐一选择，得到评判因素，利用模糊数学的综合评判方法进行安全评价。按照最大隶属原则，该评价区域为安全。

目录

文摘

英文文摘

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.2.1 围岩数值模拟的研究进展

1.2.2 地下厂房监测的研究进展

1.3 本文的主要工作

2 数值模拟的本构关系及安全评价基本原理

2.1 莫尔-库伦强度准则

2.1 莫尔强度理论

2.1.2 莫尔-库伦强度理论

2.2 莫尔-库伦材料本构关系

2.3 模糊综合评判方法

2.3.1 模糊数学概述

2.3.2 模糊综合评判原理

2.3.3 多层次模型

2.5 本章小结

3 地下厂房围岩监测数据分析

3.1 工程概况

3.2 主要监测仪器及其布置

3.2.1 多点位移计

3.2.2 锚杆测力计

3.2.3 仪器布置图

3.3 地下厂房围岩的监测成果及分析

3.3.1 围岩的观测数据统计分析

3.3.2 围岩变形回归分析

3.3.3 围岩变形预测分析

3.4 本章小结

4 地下厂房开挖的有限元分析

4.1 开挖顺序以及构造应力的影响

4.1.1 开挖顺序对地下厂房围岩的影响

4.1.2 构造应力对地下厂房围岩的影响

4.2 计算参数及有限元模型

4.2.1 开挖模拟计算参数及其边界处理

4.2.2 地下厂房围岩有限元模型

4.3 地下厂房开挖模拟及分析

4.3.1 围岩的初始地应力场分析

4.3.2 初次开挖后地下厂房围岩受力分析

4.3.3 第二次至开挖完毕地下厂房围岩受力分析

4.4 水电站正常运行后围岩的受力分析

4.4.1 施加的荷载

4.4.2 围岩位移与应力的分布情况

4.4.3 围岩关键点的破坏验算

4.4.4 计算结果与监测结果的对比分析

4.5 本章小结

5 择优理论与安全评价

5.1 择优理论概述

5.2 安全评价

5.2.1 安全评价因子的选择

5.2.2 安全评价体系的建立

5.2.3 模糊综合评判的安全评价

5.3 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

攻读硕士研究生期间发表的论文及参加的科研情况

致谢

参考文献

附录1 基于RBF神经网络的F9点的监测值预测程序

附录2 优选理论程序段

附表1 初次开挖后的嗣岩外侧杆件单元的内力值

附表2 开挖完毕同岩外侧杆件单元的内力值(单位均为国际单位)