摘 要:設計中的溪洛渡、小灣工程地下廠房洞室群有許多關鍵技術問題。通過對設計理論、計算方法和數學模型等方面深入廣泛的研究,除對傳統的設計計算方法及其計算軟件進行了全面系統的完善和改進外,在初始地應力場的分析研究、滲流控制與優化研究、圍巖穩定與支護方式研究、地下洞室群合理布置研究、合理施工順序研究、施工系統仿真與進度研究及抗震穩定性研究等方面都有所創新,在某些方面取得了突破性進展,提高了我國超大型地下洞室群的設計水平,并具有較好的應用價值,從而取得了較好的經濟效益和社會效益。
調壓室結構型式和支護型式,從水力過渡過程的角度優化尾1 攻關內容水調壓室和水道系統的布置。本專題結合溪洛渡、小灣工程地下洞室群設計中的關鍵2 攻關的主要成果技術問題進行攻關,攻關目標和內容為:
(1) 超大型地下洞室群的圍巖穩定與支護方式研究。
超大型地下洞室群復雜巖體滲流問題分析系統
究項目有:數值計算模型和計算方法、洞室圍巖應力、變形仿針對溪洛渡工程特點及解決巖體復雜滲流問題的需要, 真分析技術和方法,溪洛渡地下洞室群圍巖整體及局部穩定研究復雜地層結構有限元計算網格的自動生成方法,以及對性、合理布置、穩定加固措施,地下廠房防滲排水系統研究。大區域、高密度、多變化的防滲排水系統精細的有限元模擬
(2) 超大型地下洞室群合理施工順序研究。
包括開挖施方法、滲流應力耦合模型工程應用進行研究。通過對滲流控工順序、不同的支護方式和支護參數及支護時間對圍巖穩定制優化和滲流場與應力場的耦合分析計算,證明該滲流控制的影響研究,提出合理的開挖方式、開挖順序、支護方式、支分析系統具有的實用性。護時間和支護參數,開挖爆破三維分析方法研究,探討施工
(1) 對溪洛渡電站地下廠房區的防滲排水系統進行了多爆破對超大型地下洞室圍巖穩定的影響,使超大型地下洞室方案比選,為滲控設計優化提供了科學依據。圍巖穩定與支護達到經濟合理的目的。
(2) 給出了裂隙的非線性彈塑性本構模型,采用全耦合
(3) 超大型地下洞室群施工系統仿真及進度研究。運用理論對溪洛渡工程問題進行了耦合計算分析,對滲流場的控循環網絡計算機模擬技術、可視化面向資源建模技術、網絡制有了進一步的認識。計劃分析與優化技術和動態演示技術,尋求合理的機械設備
(4) 提出了三維有限元計算網格自動生成的“ 斷面節點配置、施工支洞配置、施工順序、經濟可行的施工進度。控制法”。對前期數據準備只需在少量的控制斷面上完成。
(5) 高烈度地震區超大型地下洞室群的抗震穩定性研三維計算網格的剖分是在全計算域上進行;并可根據需要調究。結合溪洛渡工程研究地下結構地震響應的特點及其合理的計算模型,對超大型地下洞室群進行抗震穩定性評價。
基金項目:
“九五”國家重點科技攻關項目(962221205203)
(6) 溪洛渡水電站地下廠房洞室設計優化研究。這項研作者簡介: 王仁坤(1962 —),男,四川達縣人,國家電力公司成究包括主廠房、主變室、尾水調壓室等三大洞室的合理布置都勘測設計研究院副總工程師, 教授級高級工程師; 李杰男(1962 與經濟合理斷面的研究。—),男,四川安岳人,國家電力公司成都勘測設計研究院高工,主任
(7) 小灣水電站地下廠房洞室設計研究。研究內容包括工程師;尹曉林(1964 —),男,四川南充人,國家電力公司成都勘測地下廠房縱軸線布置和各洞室之間的間距優化,提出合理的設計研究院高級工程師，室主任
(8) 提出了“高密度排水系統快速模擬生成法”。該方法“比“以溝代井”、排水子結構法”,具有靈活快速的特點。
拓展了超大型地下洞室群圍巖穩定靜力分析系統
1. 提出了巖體工程仿真建模原則。
① 幾何仿真、本構仿真、應力狀態仿真和動態過程仿真,提出了具有不連續介質巖體變形和應力分析的分區界面元有限元、無限元的混合計算方法。
② 采用連續計算的廣義統一網絡,既可反映巖體的軟弱面和施工流程的時變結構,又可進行滲流場和變形場(應力場) 的耦合計算。
③ 建立了圍巖穩定性廣角度量化評判體系的理論和準則,給出了穩定分析的靜力法、超變形法、干擾能量法及其聯合方法,為量化評判圍巖的穩定性奠定了力學基礎。④ 提出了基于偽初始地應力的三維非線性位移反分析方法,根據信息反演出逼近實際初始地應力場的新框架。
2. 建立了適應于大型結構計算的計算機網絡。開發研究了相應的計算機并行計算環境和計算語言,在計算機局域網絡中,完成了適用于計算機網絡并行計算的“ 有限元并行子結構預條件共軛梯度法”、 “有限元多波前子結構并行分析算法”、 “求解大型結構動力響應的有限元并行解法”及“ 巖石力學參數反分析并行算法”等新的計算方法。
3. 完成了超大規模計算的有限元數據處理程序設計。在有限單元法基礎上發展出多體有限元法,解決層間、層內錯動帶和活動塊體的計算問題;根據計算結果分析洞室的可能破壞區域,并提出了關于錨索布置的建議。
4.建立了非線性塊體單元法的基本理論。推導了有關縫面應力、單元勁度、整體支配方程等公式;建立了模擬錨桿作用的桿單元與塊體元統一的力學模型及相應的計算公式; 編寫了三維非線性塊體單元法的數值分析程序,對洞室松動區的范圍及錨桿作用進行了理論分析;它可以模擬分期開挖的施工過程和支護的加固作用。以溪洛渡水電站超大型地下洞室群為背景,研究了圍巖變形和應力,洞室的穩定性及松動圈巖體變形模量對洞室穩定性的影響。
發展了超大型地下洞室群抗震計算分析系統
(1) 提出了二維動力時域邊界元、可變形體離散元耦合模型及相應的分析軟件。分析輻射阻尼和地震輸入對洞室群動力變形穩定的影響,對溪洛渡地下廠房洞室群抗震穩定性進行評價;提出的耦合分析軟件不僅能模擬巖體本體、構造面的線性、非線性力學特性,而且能在模型中統一考慮靜力、動力荷載效應,該模型可對離散巖體的動力變形、穩定分析進行仿真模擬,使地下結構動力仿真分析向前推進一大步。
(2) 地下結構地震響應的研究。指出圍巖無限介質的動力相互作用以及洞室周邊地震波的散射作用,是計算地下結構地震響應的關鍵因素;建議的多重子結構阻尼影響抽取法及其時域分析的簡化途徑,可使計算在較大程度上得到簡化,便于工程應用;地下洞室結構考慮地震動空間隨機變化的隨機分析方法,研究了地震波的頻譜、波形、激勵主頻率、入射方向等多種因素對地下結構和地下洞室群地震響應的影響,為工程設計提供了基本依據。
超大型地下洞室群非線性非定值分析系統
(1) 提出了基于三維彈塑性有限元的可靠度計算方法。采用的基于增量理論的三維彈塑性偏微分法隨機有限元計算格式,可綜合反映多種隨機因素模擬施工開挖步序。
(2) 提出了地應力場概率回歸分析方法。地應力場是影響地下洞室圍巖穩定主要因素,通常只能根據有限現場實測數據進行回歸分析得出,具有較大的不確定性。本專題提出的方法考慮了地應力實測值與回歸計算模型的不確定性。
(3) 提出了圍巖錨桿(索) 加固的隨機力學分析方法。該方法可考慮錨桿間距和錨桿材料特性的隨機性,有利于對地下洞室圍巖的錨桿加固效果分析。
(4) 考慮滲流荷載的隨機性影響,研究出了相應的隨機有限元分析方法和可靠度計算方法。
(5) 研究了在材料彈塑性效應的影響下,圍巖可靠度對參數(彈模和強度及地應力系數) 的敏感性。
(6) 針對溪洛渡地下廠房模擬了施工開挖步序。對地下結構提出的理論方法,對洞室開挖加錨前后及滲流場作用前后圍巖位移和應力、圍巖塑性區分布,進行了計算分析,為溪洛渡水電站的設計、施工和運行提供參考的依據。
超大型地下洞室群施工仿真分析系統
(1) 改善了圍巖穩定分析理論和計算方法。包括三維初始地應力場的計算方法; 三維彈塑性損傷有限元的計算方法;錨桿、錨索支護的計算方法; 施工分期開挖優化評估方法;爆破對圍巖穩定影響的計算方法。
(2) 完成了溪洛渡左、右岸洞室群圍巖穩定和施工開挖分析。包括三維初始地應力場的分布規律;地下廠房洞室群合理的開挖施工順序;洞室群合理錨固支護方式;洞室群施工爆破因素對圍巖穩定的影響等。
(3) 開發了三維洞室群圍巖穩定的CAD 技術。包括用Auto CAD 剖分有限元網格的技術;三維空間等值線自動繪制方法;三維空間結構內力和應力顯示方法。
(4) 提出了集多種技術于一體的地下洞室群施工系統分析理論。即集循環網絡計算機模擬技術、可視化面向資源建模技術、網絡計劃分析與優化技術及動態演示,使之更適合超大型地下洞室群施工的模擬計算分析。
社會效益及推廣應用前景
本專題主要研究成果已應用于溪洛渡和小灣工程的設計論證中。優化后的地下廠房工程量與預可研階段同機組臺數比較,共節省石方洞挖量40 萬m3 、鋼筋112 萬t 、錨桿17 萬根、錨索1 280 根、噴混凝土6 100 m3 , 共節省投資1181 億元,其中攻關成果的應用共節省投資約6 000 萬元。專題成果應用于小灣尾水系統,工程量初步計算可節省石方洞挖約11 萬m3 、混凝土量約1 萬m3 、噴混凝土量約4 500 m3 、錨索約570 根,經濟效益估計在3 000 萬元以上。本專題通過研究超大型地下洞室群有關共性的科研成果,具有廣泛的應用前景,為我國在復雜地形、地質條件下修建超大型地下廠房提供設計及科學依據,具有重大的經濟、社會效益。
原作者：王仁坤,李 杰,尹曉林
調壓室結構型式和支護型式,從水力過渡過程的角度優化尾1 攻關內容水調壓室和水道系統的布置。本專題結合溪洛渡、小灣工程地下洞室群設計中的關鍵2 攻關的主要成果技術問題進行攻關,攻關目標和內容為:
(1) 超大型地下洞室群的圍巖穩定與支護方式研究。
超大型地下洞室群復雜巖體滲流問題分析系統
究項目有:數值計算模型和計算方法、洞室圍巖應力、變形仿針對溪洛渡工程特點及解決巖體復雜滲流問題的需要, 真分析技術和方法,溪洛渡地下洞室群圍巖整體及局部穩定研究復雜地層結構有限元計算網格的自動生成方法,以及對性、合理布置、穩定加固措施,地下廠房防滲排水系統研究。大區域、高密度、多變化的防滲排水系統精細的有限元模擬
(2) 超大型地下洞室群合理施工順序研究。
包括開挖施方法、滲流應力耦合模型工程應用進行研究。通過對滲流控工順序、不同的支護方式和支護參數及支護時間對圍巖穩定制優化和滲流場與應力場的耦合分析計算,證明該滲流控制的影響研究,提出合理的開挖方式、開挖順序、支護方式、支分析系統具有的實用性。護時間和支護參數,開挖爆破三維分析方法研究,探討施工
(1) 對溪洛渡電站地下廠房區的防滲排水系統進行了多爆破對超大型地下洞室圍巖穩定的影響,使超大型地下洞室方案比選,為滲控設計優化提供了科學依據。圍巖穩定與支護達到經濟合理的目的。
(2) 給出了裂隙的非線性彈塑性本構模型,采用全耦合
(3) 超大型地下洞室群施工系統仿真及進度研究。運用理論對溪洛渡工程問題進行了耦合計算分析,對滲流場的控循環網絡計算機模擬技術、可視化面向資源建模技術、網絡制有了進一步的認識。計劃分析與優化技術和動態演示技術,尋求合理的機械設備
(4) 提出了三維有限元計算網格自動生成的“ 斷面節點配置、施工支洞配置、施工順序、經濟可行的施工進度。控制法”。對前期數據準備只需在少量的控制斷面上完成。
(5) 高烈度地震區超大型地下洞室群的抗震穩定性研三維計算網格的剖分是在全計算域上進行;并可根據需要調究。結合溪洛渡工程研究地下結構地震響應的特點及其合理的計算模型,對超大型地下洞室群進行抗震穩定性評價。
基金項目:
“九五”國家重點科技攻關項目(962221205203)
(6) 溪洛渡水電站地下廠房洞室設計優化研究。這項研作者簡介: 王仁坤(1962 —),男,四川達縣人,國家電力公司成究包括主廠房、主變室、尾水調壓室等三大洞室的合理布置都勘測設計研究院副總工程師, 教授級高級工程師; 李杰男(1962 與經濟合理斷面的研究。—),男,四川安岳人,國家電力公司成都勘測設計研究院高工,主任
(7) 小灣水電站地下廠房洞室設計研究。研究內容包括工程師;尹曉林(1964 —),男,四川南充人,國家電力公司成都勘測地下廠房縱軸線布置和各洞室之間的間距優化,提出合理的設計研究院高級工程師，室主任
(8) 提出了“高密度排水系統快速模擬生成法”。該方法“比“以溝代井”、排水子結構法”,具有靈活快速的特點。
拓展了超大型地下洞室群圍巖穩定靜力分析系統
1. 提出了巖體工程仿真建模原則。
① 幾何仿真、本構仿真、應力狀態仿真和動態過程仿真,提出了具有不連續介質巖體變形和應力分析的分區界面元有限元、無限元的混合計算方法。
② 采用連續計算的廣義統一網絡,既可反映巖體的軟弱面和施工流程的時變結構,又可進行滲流場和變形場(應力場) 的耦合計算。
③ 建立了圍巖穩定性廣角度量化評判體系的理論和準則,給出了穩定分析的靜力法、超變形法、干擾能量法及其聯合方法,為量化評判圍巖的穩定性奠定了力學基礎。④ 提出了基于偽初始地應力的三維非線性位移反分析方法,根據信息反演出逼近實際初始地應力場的新框架。
2. 建立了適應于大型結構計算的計算機網絡。開發研究了相應的計算機并行計算環境和計算語言,在計算機局域網絡中,完成了適用于計算機網絡并行計算的“ 有限元并行子結構預條件共軛梯度法”、 “有限元多波前子結構并行分析算法”、 “求解大型結構動力響應的有限元并行解法”及“ 巖石力學參數反分析并行算法”等新的計算方法。
3. 完成了超大規模計算的有限元數據處理程序設計。在有限單元法基礎上發展出多體有限元法,解決層間、層內錯動帶和活動塊體的計算問題;根據計算結果分析洞室的可能破壞區域,并提出了關于錨索布置的建議。
4.建立了非線性塊體單元法的基本理論。推導了有關縫面應力、單元勁度、整體支配方程等公式;建立了模擬錨桿作用的桿單元與塊體元統一的力學模型及相應的計算公式; 編寫了三維非線性塊體單元法的數值分析程序,對洞室松動區的范圍及錨桿作用進行了理論分析;它可以模擬分期開挖的施工過程和支護的加固作用。以溪洛渡水電站超大型地下洞室群為背景,研究了圍巖變形和應力,洞室的穩定性及松動圈巖體變形模量對洞室穩定性的影響。
發展了超大型地下洞室群抗震計算分析系統
(1) 提出了二維動力時域邊界元、可變形體離散元耦合模型及相應的分析軟件。分析輻射阻尼和地震輸入對洞室群動力變形穩定的影響,對溪洛渡地下廠房洞室群抗震穩定性進行評價;提出的耦合分析軟件不僅能模擬巖體本體、構造面的線性、非線性力學特性,而且能在模型中統一考慮靜力、動力荷載效應,該模型可對離散巖體的動力變形、穩定分析進行仿真模擬,使地下結構動力仿真分析向前推進一大步。
(2) 地下結構地震響應的研究。指出圍巖無限介質的動力相互作用以及洞室周邊地震波的散射作用,是計算地下結構地震響應的關鍵因素;建議的多重子結構阻尼影響抽取法及其時域分析的簡化途徑,可使計算在較大程度上得到簡化,便于工程應用;地下洞室結構考慮地震動空間隨機變化的隨機分析方法,研究了地震波的頻譜、波形、激勵主頻率、入射方向等多種因素對地下結構和地下洞室群地震響應的影響,為工程設計提供了基本依據。
超大型地下洞室群非線性非定值分析系統
(1) 提出了基于三維彈塑性有限元的可靠度計算方法。采用的基于增量理論的三維彈塑性偏微分法隨機有限元計算格式,可綜合反映多種隨機因素模擬施工開挖步序。
(2) 提出了地應力場概率回歸分析方法。地應力場是影響地下洞室圍巖穩定主要因素,通常只能根據有限現場實測數據進行回歸分析得出,具有較大的不確定性。本專題提出的方法考慮了地應力實測值與回歸計算模型的不確定性。
(3) 提出了圍巖錨桿(索) 加固的隨機力學分析方法。該方法可考慮錨桿間距和錨桿材料特性的隨機性,有利于對地下洞室圍巖的錨桿加固效果分析。
(4) 考慮滲流荷載的隨機性影響,研究出了相應的隨機有限元分析方法和可靠度計算方法。
(5) 研究了在材料彈塑性效應的影響下,圍巖可靠度對參數(彈模和強度及地應力系數) 的敏感性。
(6) 針對溪洛渡地下廠房模擬了施工開挖步序。對地下結構提出的理論方法,對洞室開挖加錨前后及滲流場作用前后圍巖位移和應力、圍巖塑性區分布,進行了計算分析,為溪洛渡水電站的設計、施工和運行提供參考的依據。
超大型地下洞室群施工仿真分析系統
(1) 改善了圍巖穩定分析理論和計算方法。包括三維初始地應力場的計算方法; 三維彈塑性損傷有限元的計算方法;錨桿、錨索支護的計算方法; 施工分期開挖優化評估方法;爆破對圍巖穩定影響的計算方法。
(2) 完成了溪洛渡左、右岸洞室群圍巖穩定和施工開挖分析。包括三維初始地應力場的分布規律;地下廠房洞室群合理的開挖施工順序;洞室群合理錨固支護方式;洞室群施工爆破因素對圍巖穩定的影響等。
(3) 開發了三維洞室群圍巖穩定的CAD 技術。包括用Auto CAD 剖分有限元網格的技術;三維空間等值線自動繪制方法;三維空間結構內力和應力顯示方法。
(4) 提出了集多種技術于一體的地下洞室群施工系統分析理論。即集循環網絡計算機模擬技術、可視化面向資源建模技術、網絡計劃分析與優化技術及動態演示,使之更適合超大型地下洞室群施工的模擬計算分析。
社會效益及推廣應用前景
本專題主要研究成果已應用于溪洛渡和小灣工程的設計論證中。優化后的地下廠房工程量與預可研階段同機組臺數比較,共節省石方洞挖量40 萬m3 、鋼筋112 萬t 、錨桿17 萬根、錨索1 280 根、噴混凝土6 100 m3 , 共節省投資1181 億元,其中攻關成果的應用共節省投資約6 000 萬元。專題成果應用于小灣尾水系統,工程量初步計算可節省石方洞挖約11 萬m3 、混凝土量約1 萬m3 、噴混凝土量約4 500 m3 、錨索約570 根,經濟效益估計在3 000 萬元以上。本專題通過研究超大型地下洞室群有關共性的科研成果,具有廣泛的應用前景,為我國在復雜地形、地質條件下修建超大型地下廠房提供設計及科學依據,具有重大的經濟、社會效益。
原作者：王仁坤,李 杰,尹曉林
