水电站地下厂房渗流与稳定性及支护优化方法研究

【摘要】：水电站地下厂房区的渗控排水方案、洞室群围岩稳定性、地下洞室群的分期开挖方案及锚固支护方案优化设计一直是工程界所关注的重要问题之一，岩石和岩体结构及其赋存状态、赋存条件复杂多变，且水电站地下厂房洞室群规模宏大、单体洞室尺寸很大，因此深入探讨渗流有限元分析及洞室群围岩稳定性三维非线性有限元分析方法，选择合理有效的地下厂房区的渗控排水方案、地下洞室群的分期开挖方案及锚固支护方案，对指导水电站地下厂房设计与施工具有重要的理论和工程实际意义。 本文在深入研究向家坝水电站地下厂房区工程地质、水文地质及岩体工程性质的基础上，根据岩体渗透结构特征，采用双重裂隙系统渗流模型开发了渗流分析的有限元程序，并以此分析了向家坝水电站地下厂房防渗帷幕、排水系统的不同布置组合方式的防渗排水效果，确定了地下厂房区域的合理渗控方案；提出了应用开挖后围岩最终的塑性散耗能大小来评估不同施工开挖方式优劣的分期开挖优化评估方法，并将之应用于地下厂房围岩稳定性有限元分析，效果良好；基于增量荷载变刚度法，采用三维非线性弹塑性有限元方法与弹塑性损伤应力的本构关系，模拟分析了三种分期开挖方案多步开挖过程的围岩应力扰动、塑性耗散能、围岩塑性破坏区大小与洞周位移的变化规律，优化了分期开挖方案，具有重要的工程实用价值；根据优化后的洞室群分期开挖方案，拟定了三种锚固支护方案，针对以往数值分析中采用一般杆单元模拟锚杆的作用而过于简单的缺点，采用隐式锚索单元和隐式锚杆柱单元模拟锚索和锚杆的支护效应，分析了不同锚固支护方案对围岩塑性破坏区分布、锚杆与锚索应力分布与洞周位移分布的影响，确定了合理的锚固支护方案。理论分析与工程实践表明，本文对水电站地下厂房洞室群围岩稳定性分析与渗流分析方法是合理而有效的，具有明显的工程实用价值。