二灘洞室群圍巖穩(wěn)定分析FEM及相關(guān)問題摘要：FEM是目前許多行業(yè)數(shù)值計(jì)算的主要方法。本文結(jié)合二灘地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定分析，主要討論了進(jìn)行大型有限元建模及計(jì)算時(shí)的相關(guān)問題，并對(duì)洞室群的圍巖穩(wěn)定進(jìn)行了力學(xué)分析，給出了圍巖整體是穩(wěn)定的結(jié)論。關(guān)鍵詞：FEM；圍巖穩(wěn)定；相關(guān)問題0前言許多工程分析問題，如固體力學(xué)中位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)分析、熱學(xué)中的溫度場(chǎng)分析、流體力學(xué)中的流場(chǎng)分析等，都可借助于計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)求出它們的數(shù)值解，其中有限單元法（FiniteElementsMethod，以下簡(jiǎn)稱FEM）是工程中最常用的數(shù)值模擬技術(shù)之一。本文結(jié)合二灘水電站地下廠房洞室群的圍巖穩(wěn)定分析，對(duì)使用有限元軟件進(jìn)行大規(guī)模數(shù)值模擬計(jì)算時(shí)的相關(guān)問題進(jìn)行探討，給出了建議。1建模與有限元網(wǎng)格劃分1.1工程概況二灘地下廠房洞室群設(shè)置在左岸下游的山體內(nèi)，上覆巖體厚度為250~350m，水平埋深300m，洞軸線方向NW6°。洞室群所在區(qū)域主要為正長(zhǎng)巖和蝕變玄武巖，圍巖巖體有80％質(zhì)量達(dá)到A,B級(jí)。地下廠房洞室群由三大洞室和母線洞以及尾水洞組成。其中主廠房：長(zhǎng)×寬×高＝280.29m×25.5m×65.78m；主變室：214.9m×18.3m×25.0m；尾調(diào)室：203.0m×19.8m×69.8m。主廠房主要采用噴錨支護(hù)，在主副廠房和尾調(diào)室高邊墻采用了一定數(shù)量的預(yù)應(yīng)力錨索。地下洞室群水平區(qū)域布置如圖1。1.2建模一般的有限元計(jì)算，70%~80%的時(shí)間花在建立模型上面，因此選擇合適的建立模型的方法是很重要的，否則將有可能事半功倍。二灘洞室群位于地下，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，操作起來(lái)比較困難。為此把大模型分解為許多很小的模型，劃分單元以后再把它們拼裝成一個(gè)大的模型；并且不能把它們合成一個(gè)整體，否則將無(wú)法劃分單元。具體的作法是：先建立洞室群的模型，然后在長(zhǎng)、寬、高方向上分別向外延伸，形成一個(gè)長(zhǎng)×寬×高=404.2m×283.7m×185.3m的巨大巖體，用該巖體挖去洞室群，就是所需要的模型。由于有限元軟件的自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能只能劃分規(guī)整的模型，如六面體或規(guī)則的棱柱體（如三角棱柱體），而地下廠房洞室群則是縱橫交錯(cuò)，極其不規(guī)則的，建模難度可想而知。經(jīng)過不斷的修改和試驗(yàn)，最終建立的模型共有3647個(gè)體組成。盡管如此，本文模型與洞室的布置相比，還是進(jìn)行了一些簡(jiǎn)化，主要有：（1）出于單元形狀不致過分奇異以及單元數(shù)量方面的考慮，忽略了尾調(diào)室和主變室之間的夾角，將它們的軸線設(shè)為平行。（2）由于僅考慮三大洞室及其之間的圍巖變形與破壞，忽略了進(jìn)水洞和兩個(gè)尾水洞。（3）忽略了洞徑較小并且僅有局部影響的施工支洞、交通洞、電纜斜井和排水廊道等。建模過程中，需要注意的有以下幾點(diǎn)：對(duì)模型內(nèi)部操作（如空洞）時(shí)，可以先生成空洞部分，再和外部模型體組合成所需要的模型。對(duì)于任何體的某一個(gè)面，都應(yīng)當(dāng)是凸多邊形（即圖形必須在任何一邊或其延長(zhǎng)線的一側(cè)），且其邊數(shù)不應(yīng)超過4，否則將會(huì)出現(xiàn)拓?fù)溴e(cuò)誤，無(wú)法劃分單元。合并重復(fù)的實(shí)體圖元，如相同位置的兩個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)或線，以節(jié)省存儲(chǔ)空間。不能出現(xiàn)扭曲的面，但允許是弧面。1.3網(wǎng)格劃分此工程模型中間是地下廠房的洞室群，為此，先給洞室群部分劃分單元，然后給廠房鄰近的模型體劃分單元，這里要注意的一點(diǎn)是要保證它們的接觸部分的節(jié)點(diǎn)能夠吻合。最初采用的是四面體單元，之所以使用該種單元，主要是它的自適應(yīng)劃分能力較強(qiáng)，比較適用于這種復(fù)雜的模型。但是當(dāng)劃分網(wǎng)格完成后，單元數(shù)量過多（達(dá)10萬(wàn)多個(gè)），并且出現(xiàn)一些非常小的尖角（小于15度），對(duì)應(yīng)的矩陣難以收斂，故更改為6面體8結(jié)點(diǎn)單元。又做了一些簡(jiǎn)化，并調(diào)整單元長(zhǎng)度，最終劃分單元34224個(gè)，結(jié)點(diǎn)數(shù)量為37632個(gè)，計(jì)算規(guī)模仍然是十分巨大的（劃分單元后整體模型如圖2，洞室群部分模型如圖3）。在劃分單元時(shí)應(yīng)注意的問題：慚必須要保證所排劃分的單元和攔鄰近體的單元燙能夠吻合，即糾使不能完全吻穗合，也要使誤符差控制在一定賊的范圍內(nèi)。握劃分單元完成玉后，應(yīng)合并整伴個(gè)模型的所有針節(jié)點(diǎn)。否則，祝由于模型是各輸個(gè)獨(dú)立的體，頭加荷載計(jì)算后侍，在體與體的正結(jié)合處將會(huì)出翠現(xiàn)開裂。熄壓縮關(guān)鍵點(diǎn)、劈線、面、單元兩、節(jié)點(diǎn)等編號(hào)靜，以提高運(yùn)算撓效率，節(jié)省機(jī)案時(shí)。梨在應(yīng)力集中的尖地方單元網(wǎng)格治密度適當(dāng)加密閥；反之，則可泥以加大劃分單苗元的邊長(zhǎng)，以山達(dá)到不致太多蝶的影響計(jì)算精紡度，又提高了惡計(jì)算速度。創(chuàng)2弦姥地應(yīng)力回歸計(jì)撲算相地下洞室的開氧挖過程是地應(yīng)健力逐步釋放的調(diào)過程。在本工像程中，主要采大用應(yīng)力函數(shù)法晝和有限元分析羞法相結(jié)合摘[1]倍。具體做法如扇下：熟第探1皂步：在計(jì)算模煉型邊界的某些幣點(diǎn)處試探施加議給定位移得到醬參考計(jì)算結(jié)果富；然后采用應(yīng)雪力函數(shù)法在有雖限元模型的范喬圍內(nèi)進(jìn)行回歸箭?；貧w計(jì)算中稻，顧及上述參冠考結(jié)果以及實(shí)濁測(cè)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的襯最大、最小和娘平均值，在計(jì)刮算模型的邊界奇上設(shè)定若干點(diǎn)渾的應(yīng)力分量的烏值，并使這些婆邊界條件同時(shí)和參與回歸計(jì)算磁；進(jìn)而得到在柿建模范圍內(nèi)地太應(yīng)力的奏第革1愈步近似結(jié)果。變暑第孝2卻步：利用壽第扛1很步的結(jié)果計(jì)算諒出在建模邊界午上所有單元結(jié)完點(diǎn)的應(yīng)力，采輩用類似邊界荷殖載調(diào)整法的做估法把它們作為輕遠(yuǎn)場(chǎng)外荷載施廉加到有限元模椅型的邊界上。岸此時(shí)由于邊界畝荷載采用的是逝滿足彈性力學(xué)柄中變形協(xié)調(diào)方鹽程和平衡方程默的應(yīng)力場(chǎng)所求圾得的，邊界上豐的正應(yīng)力和剪浴應(yīng)力可以共同徒保證構(gòu)成平衡才力系，并且解植決了求剪應(yīng)力推場(chǎng)所遇到的困潤(rùn)難。利用上述裹遠(yuǎn)場(chǎng)邊界荷載霜，借助有限元幸程序計(jì)算建模勇范圍內(nèi)的地應(yīng)勿力，然后將此蛋結(jié)果在實(shí)測(cè)地權(quán)應(yīng)力的測(cè)點(diǎn)上牽與實(shí)測(cè)地應(yīng)力啄進(jìn)行比較，并膊且考慮在洞室咸群范圍內(nèi)地應(yīng)女力的分布情況芹結(jié)合工程概念否考察回歸計(jì)算別結(jié)果的合理性拖。根據(jù)所得到衰的趨勢(shì)，調(diào)整版在鋒第票1量步計(jì)算中施加教在邊界上的有貧限各點(diǎn)的力學(xué)失邊界條件，再箭次回歸計(jì)算內(nèi)挺部各點(diǎn)的地應(yīng)陡力，并由此獲斬得全部邊界上菌由遠(yuǎn)場(chǎng)位移所聚引起的所有應(yīng)倉(cāng)力分量。和五之邁重復(fù)以上兩步謀的分析計(jì)算，育直到得到滿意維的應(yīng)力場(chǎng)為止沫。崗3邊杠圍巖穩(wěn)定計(jì)算祥結(jié)果分析及相及關(guān)問題頃3頭.參1具丈破壞準(zhǔn)則與本揮構(gòu)模型董在本次計(jì)算中越，采用雙參數(shù)俘準(zhǔn)則中坊的棕Drucke壯r-Prag繞e考r郵準(zhǔn)則來(lái)判斷復(fù)冊(cè)雜應(yīng)力狀態(tài)下雷巖體的破壞。堤該準(zhǔn)則坊是美Mise多s梅準(zhǔn)則的推廣，行因此又被稱為真廣若義帽Mise始s房準(zhǔn)則稠[2]狀。該準(zhǔn)則認(rèn)為之，處于彈性區(qū)傾的應(yīng)力滿足資式迅(恢1)靈時(shí)，則認(rèn)為巖檔體處于破壞的賴臨界狀態(tài)。殿次駁辛展棚駕還較鈔慚露聞加紀(jì)扭它稀疑（睬1扣）其中：嘗以搜鄭敲勁效母董晴溫耐高房鳳貼躁（蓮2辭）窮還暖根安察皮備再辭浩乘式堤襲（潑3劈）顛C弄,黃φ燭分別為凝聚力鹽和摩擦角；鋒R火c攔為單軸抗壓強(qiáng)瘦度。促當(dāng)巖體材料處膏于彈性階段時(shí)踏，其本構(gòu)關(guān)系稈為：育跨嗓稀并科扶割坑（溜4乳）塌其中：偷為彈性矩陣，厲分別為應(yīng)力矩很陣和應(yīng)變矩陣活。駱當(dāng)材料進(jìn)入塑個(gè)性以后采用增綠量理論的本構(gòu)放模型。即認(rèn)為讀總應(yīng)變?cè)隽啃】梢员硎緸閺棐晷詰?yīng)變?cè)隽勘撑c塑性應(yīng)變?cè)鎏哿扛手统茫簽⑺?。?乞.皺2醋救圍巖破損區(qū)分盯布特征及位移吃特性走在施工期間，藥二灘水電站地榜下廠房蒙的樓1守號(hào)尾水洞慨和念2旺號(hào)尾水洞之間薪曾發(fā)生過巖爆熱及塌方，故巧取條2浮號(hào)機(jī)組所在的帶橫斷面作為破憶損區(qū)的示意圖咱[3]斗。爬由的圖些4您可以看出：爆1性）橫斷面上破乒壞主要集中在義主廠房下游邊股墻竹1兩號(hào)存和敘2末號(hào)兩個(gè)母線洞鄙之間，對(duì)應(yīng)的桂兩個(gè)尾水洞之匙間，以及主變槳室上游邊墻對(duì)餡應(yīng)的兩個(gè)母線聽洞之間的部位各，這與該處的湊地應(yīng)力較大及稅結(jié)構(gòu)復(fù)雜有關(guān)多。進(jìn)2升）母線洞底板江破壞的位置集茄中在母線洞中狐部到主廠房一虜側(cè)。喉授圍巖的垂直位因移分布規(guī)律十墳分明顯：頂拱殘向下，底板向貿(mào)上。這是由于尋開挖引起地應(yīng)萄力釋放所造成醋的。圍巖總位集移的分布規(guī)律垃則基本上是村按鑼1煩號(hào)尾水洞班到?jīng)_6敘號(hào)尾水洞的方頸向依次遞減（斥見摟圖丘5胞）。各主要洞炕室的位移分布斑如下：盡1蘇）糊主廠房上游邊化墻位移的最大匠值出現(xiàn)在邊墻扁的中部，下游蟻邊墻水平位移棉的最大值出現(xiàn)槐邊墻上部和頂樹拱位置。恰好盾在此位置上，晨巖爆所造成的編破壞最嚴(yán)重。禾2舞）百主變室高度較粗低，約為主廠辱房高度辦的胸2/淡5融，但是其最大務(wù)位移值卻大于科主廠房。連3距）您尾調(diào)室的最大債位移發(fā)生贏在損1通號(hào)邪和盛2鄭號(hào)尾水洞之間齊。笛與破損區(qū)圖相雙對(duì)照，可以看叢出是否破壞以失及破壞程度與破絕對(duì)位移的大售小不一定有確宣定的對(duì)應(yīng)關(guān)系叢。最明顯的是收在主廠房的上彈游拱肩的位移根比下游拱肩的昂位移為小，但軍是下游拱肩并淡沒有破壞，而汁上游拱肩則發(fā)嘆生了破壞，這飾主要是由于下旁游拱肩的剛體尿位移較大，形辱變位移卻不大世的原因。頁(yè)由以上可看出介，侵地下廠房洞室羞群的圍巖整體逐是穩(wěn)定的，破餡損區(qū)是局部的廊，并且由于該肥巖體的完整性座較好，故可通俊過適當(dāng)噴錨處誰(shuí)理。圍巖的破蹈壞拼從爸1巨號(hào)尾水洞釘?shù)叫?獄號(hào)尾水洞依次齒遞減，故應(yīng)加火強(qiáng)駱1齡號(hào)喪和兄2歪號(hào)尾水洞之間序巖體的穩(wěn)定性學(xué)觀測(cè)，遇到問蔥題及時(shí)處理。圖1二灘地下廠房區(qū)域水平布置示意圖掏父披降破詳賊卵伍刊縮妥軋巾死關(guān)李情驅(qū)妄習(xí)爭(zhēng)完美瓶途總劑擺圖1二灘地下廠房區(qū)域水平布置示意圖圖3劃分單元后的地下廠房模型圖2劃分單元后的整體模型圖3劃分單元后的地下廠房模型圖2劃分單元后的整體模型圖42號(hào)機(jī)組所在面破損區(qū)等值線示意圖圖5主廠房下游邊墻總位移示意圖圖42號(hào)機(jī)組所在面破損區(qū)等值線示意圖圖5主廠房下游邊墻總位移示意圖啟3.檔3集計(jì)算時(shí)應(yīng)注意著的問題均在計(jì)算前，可日以編制計(jì)算文禮件，計(jì)算時(shí)直紫接調(diào)入該文件獲執(zhí)行即可。例邀如要模擬開挖懶的過程就可以綁編制相應(yīng)的步依驟，在計(jì)算不度同的開挖步驟盒時(shí)，只需調(diào)入桌不同的文件執(zhí)纖行即可。這樣炒就減少了人工逮干預(yù)，提高了呼計(jì)算效率。在鋪計(jì)算后，若出姑現(xiàn)模型開裂的麥情況，則說(shuō)明粒在不同的小模貓型之間尚未完謙全合并，需調(diào)毀整合并圖元的脾容差，直至所涌有小模型合并蛇成一個(gè)整體為章止。結(jié)束語(yǔ)孟利用有限元軟字件進(jìn)行數(shù)值模關(guān)擬計(jì)算已成為咽當(dāng)前許多行業(yè)趴數(shù)值計(jì)算的主促流，本文結(jié)合故具體工程，討彩論了在運(yùn)用此販類軟件進(jìn)行大茂規(guī)模數(shù)值計(jì)算怎時(shí)的相關(guān)問題圍，主要有以下陣幾點(diǎn)：元1憤）建立模型時(shí)允，整體考慮選喘擇合適的模型隙和建模方法，飄盡量符合工程拘原型且要便于址計(jì)算分析。政2朵）把大模型分箭解為小模型，甚做到化繁為簡(jiǎn)圾。攝3符）計(jì)算時(shí)，可碎編制計(jì)算步驟朽文件，在不同頸的載荷步調(diào)用紐不同的文件即云可。參考文獻(xiàn)：醋[1]披恨張有天臺(tái),猜胡惠昌群.改地應(yīng)力場(chǎng)的趨衰勢(shì)分析挎.匆水利學(xué)報(bào)敏.1984,竿(測(cè)4般).蓋[2]此虛徐秉業(yè)鍛,伐劉信聲爛.喊應(yīng)用彈塑性力石學(xué)異.陰北京分:翼清華大學(xué)出版康社藝,1995.悔513~51奇4.降[3]岸懼二灘水電站地更下廠房洞室群善模擬開挖過程捷的三維非線性喝有限元分析述.戰(zhàn)昆明理工大學(xué)透電力工程學(xué)院斬,2000.流Surrou堵nding拜RockS屬tabili隸tyAna范lysis廟FEMof刑Er-ta染n涂Chambe談rsand路Relat京ivePr庸oblems輔Abstra擋ct棒陳FEM(F免inite斑Elemen限tsMet傷hod)i陷sthe摘mainw叮ayof息numeri旦ccomp求uting植inal虜otof翼domain倉(cāng)atpr男esent.瀉撕Thisp猾aperc已ombini構(gòu)ngthe搖surro齒unding道rock弓stabil題ityof僑Er-ta香nunde疏rgroun筐dpowe公rhouse過chamb坊ers,f侍ocuso培nrela蛛tivep著roblem暴sabou大tproc鐘essing井large貫-