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《四川大学》 2003年
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瀑布沟水电站泄洪洞出口段开挖变形及稳定性非线性有限元分析

滕丽  
【摘要】: 我国大型水电工程多建在高山峡谷中,具有水头高、流量大,泄洪功率巨大等显著特点。泄洪洞下泄流量大、洞内流速高,能否安全运行,将直接影响土石坝的安全,也是整个水利枢纽能否正常安全运行的关键。瀑布沟水电站位于四川省汉源县境内大渡河中游,装机总容量3300MW,总库容50.6亿m~3。工程以发电为主,兼有防洪、拦沙等综合效益,拦河大坝为直心墙土石坝,最大坝高186.0m。泄洪洞布置于左岸地下厂房的花岗岩体内,洞线顺直,隧洞为无压明流洞,断面形式为圆拱直墙型。 瀑布沟泄洪洞出口段右侧壁最小厚度仅约10.0m,左侧山体高达100.0m,隧洞偏压问题十分突出。隧洞偏压对边坡稳定性、隧洞出口段衬砌的影响以及偏压所致变形不对称性是工程非常关心的问题。考虑到岩体的不连续性、非均匀性、应力—应变关系的非线性特性以及力学性质的各向异性,本文采用非线性有限元法,计算围岩的变形和应力,定量评价岩体的稳定性,并追踪岩体破坏状态的发展演变过程。 非线性有限元法在处理复杂结构、复杂边界及荷载条件、非线性问题方面具有独特的效能,并能获得更为详尽、准确的结果,现已成为隧洞计算最有效的方法之一。本文根据泄洪洞总体施工方案和隧洞出口的地质条件,建模时严格模拟岩层界面、地形、F_1断层结构面的产状,以及泄洪洞体形和各种工程处理措施,充分反映了斜坡地形地质条件对隧洞的影响。在有限元计算中将泄洪洞分三级开挖用以模拟施工开挖过程,采用遍在节理包络强度模型模拟岩体材料,运用点强度储备安全系数法研究隧洞开挖过程中边坡的稳定性和隧洞的偏压应力。本文的主要工作:(1)基于工程的地质CAD剖面图 四川大学硕士学位论文 形,建立二维有限元网格图,利用AutoLIsP和Fortran语言开发二维有限元 前处理优化程序,实现二维有限元网格节点的自动编码、点差优化排序,和 网格单元编码和材料信息的自动生成,使复杂工程中有限元计算前处理的功 效得到较大的提高。(2)分析计算了施工开挖前围岩的应力情况和自然边坡稳 定性;(3)在边坡进行支护和不支护、分级开挖无衬砌和有衬砌等各种工况下, 分别计算围岩、边坡稳定性和结构安全性,并对支护方案作出评价;(4)在运 行、检修和地震工况下,对比分析衬砌厚为1.5m、2.0m时围岩稳定性、结 构安全性,推荐衬砌厚度方案。(5)将W类围岩指标改为V类围岩指标作力学 参数敏感性分析。 通过综合分析,建议在泄洪洞开挖前,先期进行岸坡加固,同时,在泄 洪洞分级(步)开挖过程中,及时作好一次喷锚支护,在上半洞喷锚支护完 成条件下进行下半洞开挖,有条件时尽可能及早进行二次硅衬砌。本文研究 成果已得到工程应用。
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