某水电站地应力场反演及地下厂房稳定性研究

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在土木工程建设中,考虑的因素众多,地应力就是其中一种。同时,在隧道等地下工程施工中,也是尤为重要的影响因素。我国水电站主要分布在水资源充足的山谷之中,地下硐室埋置深度较大,且大多地层岩性、地质构造较为复杂,从安全角度考虑,研究地下厂房开挖过程中围岩的稳定性很有必要。地形地貌、地质构造、水文特征以及岩体的物理力学性质等等,都将影响地下厂房初始地应力场的形成,进而影响开挖过程中围岩的稳定性。文章以辽宁某水电站为研究对象,根据现场实际情况和地质资料,利用有限元软件ABAQUS,结合多元线性回归分析方法,对辽宁某水电站地下厂房区初始地应力场进行反演,模拟地下厂房的开挖及支护结构设计,并进行稳定性分析。本文主要的工作与研究成果如下:(1)地应力场反演。系统介绍了本次反演过程中使用的多元线性回归分析方法。利用有限元软件ABAQUS进行前处理,建立三维地质有限元模型。根据现场实际情况及地应力实测结果,一共考虑岩体自重应力与两个正交的水平构造应力三种工况。基于多元线性回归分析方法,确定地下厂房区的初始地应力场,并进行显著性检验,复相关系数R=0.9062,回归效果较好。对ZK309、ZK310和ZK312钻孔最大、最小主应力值分析表明,测区内最大、最小主应力随深度逐渐增加。根据我国初始地应力场分布规律,同时结合应力矢量图,最大主应力与中间主应力均为近水平方向,最小主应力为近竖直方向,且数值较大,说明测区以重力作用为主。(2)地下厂房硐室开挖及稳定性研究。利用有限元软件ABAQUS模拟地下厂房开挖,根据地下厂房区的地质情况以及地下硐室的形状、大小等工程特征,按照从左到右、从上往下的顺序,一共进行18次开挖。从同一截面的应力和位移两个角度和不同截面各测点的应力应变情况,对地下厂房围岩稳定性进行分析。在整个地下厂房开挖过程中,虽然最大、最小主应力有所变化,对硐室围岩有一定的影响,局部产生微小的变形,其中地下厂房底板中间位置向上隆起,变形量较大,约为11.06mm,但整体来看,硐室围岩岩性较好,变形也较小,洞室围岩整体较为稳定。(3)支护结构设计及稳定性研究。根据地下厂房开挖过程中围岩的稳定性,分别设计衬砌支护、锚杆支护及衬砌加锚杆组合支护三种不同的支护形式。利用有限元软件ABAQUS模拟三种不同支护形式下地下厂房的开挖,从同一截面应力、位移两个角度和截面A、B上各测点的应力应变情况,分析三种不同支护形式下硐室围岩稳定性。根据应力应变云图及数据分析,三种支护结构均能在一定程度上减小围岩变形量,提高围岩稳定性。其中,衬砌支护结构下围岩的应力应变较小,最大位移量约为9.95mm,锚杆支护和组合支护两种支护形式下的围岩位移量分别约为8.85mm和8.29mm,基本一致。根据以上分析,综合考虑经济因素、安全因素及地下厂房硐室开挖经验,建议采取预应力锚杆进行支护。
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