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1、瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳定的影响分析水电站设计DHPS第21卷第2期2005年6月瀑布沟水电站地下厂房岩体渗流场对围岩稳定的影响分析苏鹏云,肖明2(1.国家电力公刮成都勘测设计研究院,四川成郜610072;2.武汉大学水利水电学院,湖北武汉430072)摘要:根据瀑布沟地下厂房所采取的防渗,排水措施,采用三维有限元方法分析了施工开挖过程中岩体渗流场的变化,论证和分析了防渗帷幕和排水设施布置的合理性及必要性关键词:地下厂旁;渗流场;三维有限元法;围岩稳定性;瀑布淘水电站中图法分类号:TV223.6文献标识码:B文章编号:1003—98
2、05(2005)02—0024—051前言瀑布沟水电站位于大渡河中游,地处四川省西部汉源和甘洛两县境内,是一座以发电为主,兼有防洪,拦沙等综合利用任务的大型水利水电工程.地下厂房涧室群是由主厂房,主变室,尾水闸门室,母线洞,交通洞,尾水隧洞和压力引水管道等纵横交错组成的复杂的地下空间结构.地下厂房洞室群位于坝轴线下游左岸花岗岩山体中,围岩以Ⅱ,Ⅲ类为主,上覆岩体厚度220～360m.厂区岩体岩性单一,无大的断裂切割,地应力l=21.1～27.3MPa,方位N54.～84.E.通过厂房洞室群的主要断层有,,,f9一】,F2,Fl8,,F29八条.厂
3、区岩体的物理力学指标计算参数见表1.由地下水和水库蓄水后形成的渗流场所产生的渗流荷载,将会对地下厂房洞室群围岩的稳定存在一定的影响.本文针对厂区洞室上游三层灌浆帷幕(高程为856.00m,796.00m,731.00m)和排水廊道(高程为649.00m,677.00m,695.70m)布置,结合选择的围岩锚固支护参数,分析岩体初始三维渗流场,施工期及运行期的渗流场分布规律,并对渗流场对洞室围岩稳定的影响进行分析比较,为工程设计和施工安全提供依据.2岩体三维渗流场分析方法岩体主渗透坐标下的三维稳定渗流的基本渗流方程为l]:Ox(OH)+()+宝(O
4、H)=Q(1)式中k,——计算坐标下的主渗透系数;p——内源;日——水头.对上式进行积分求和,可得出三维有限元渗流的基本方程:[4]{日}={F}(2)式中{H}——有限单元结点水头;{F}——对渗流边界积分引起的结点荷载;[4]——三维有限元渗流的单元传导矩阵.矩阵中的元数分别为:=…NiQdxdydz一1l,dL(30=…[B]_r[][B]dv(4)式中——单元的形函数;[B]——单元的几何矩阵;[卜一三个渗透系数矩阵.式(3)右端第1项为第一类渗流边界引起的结点荷载,第2项为第二类渗流边界引起的结点荷载.当主渗透方向与坐标轴不一致时,[]
5、可根据主渗透系数矩阵[]和三个主渗透方向的局部坐标与整体坐标的转换关系矩阵[R],按下式确定:[]:[BIT[K][B](5)为了便于有限元网格剖分,可将地下洞室视为岩体的积水单元l2j.所谓积水单元是一种渗流的内边界,其流量是水头的函数,即q=++K.OH(6)=[,n,][][B]{H}收稿日期:2004—03—08作者简介:苏鹏云(1964一),男,四川大竹人,硕士,高级工程师,主要从事水电工程设计与研究工作.24表1厂区岩体物理力学指标计算参数其中1'l,,1"1z——渗流过水断面的法向矢量.积水单元水头是未知的,对单元的六个过流面进行积
6、分,则可得到:66JJ∑qNids:JJ∑E,,][K][B]{Hlds(7)r=Ir=I由此可得积水单元的渗流刚度矩阵:6E口:]:ll∑Enx,]E/GEB]Nids(8)￡=1根据渗流场,按下式可求出有限元网格各结点的渗透荷载{}:{}=…EⅣH}dv(9)3洞室群三维岩体渗流场分析3.1渗流场计算网格根据地下厂房洞室群和排水廊道,防渗帷幕的布置,建立三维渗流场计算模型.模型的坐标沿,Y,z轴三个方向的计算范围分别为1229.0m,84.9m,678.1m;沿z轴方向计算范围从高程307.6m到985.7m,沿X轴方向计算范围从厂房上游一4
7、02.omN下游827.0m,沿Y轴方向计算范围从一9.4m~lJ75.4m.坐标原点位于厂房纵轴线与6号机组中心线的交点.三维渗流场计算网格一共剖分了22640个8结点的空间单元,4～6号机组段施工期开挖洞室单元划分见图1,4～6号机组段运行期帷幕和排水廊道布置见图2.3.2渗流场计算条件SnT况(1)计算工况1:计算地下洞室开挖前的初始渗流场.(2)计算工况2～8:计算施工期第一期到第七期开挖情况下的渗流场变化.施工期的渗流计算只考虑了洞室开挖的影响,没有考虑排水廊道和防渗帷幕的影响,地下水线按825～819m高程考虑.4～6号机组段计算模型
8、分期开挖顺序见图3.(3)计算工况9:计算运行期在水库蓄水后的渗流变化情况.分析时考虑了洞室开挖的影响和排水廊道及防渗帷幕的作用(见图2
