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1、东北大学硕士学位论文大伙房水库输水工程围岩稳定数值分析姓名：王天佑申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：刘斌20041201独创性声明本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：王天佑日期：2 0 D 红J 毋f学位论文版权使用授权书本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许
2、论文被查阅和借阅。本人授权东北大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。( 如作者和导师同意网上交流，请在下方签名；否则视为不同意。)学位论文作者签名：签字日期：导师签名：签字日期：东北大学硕士学位论文第一章绪论第一章绪论1 1 围岩稳定分析研究现状我国水利水电地下工程围岩稳定性研究基本上是从围岩压力研究开始的。五十年代初，水工隧洞直径不大，一般为3 8 m ，广泛采用普氏理论确定山岩压力。据此，来评价围岩的稳定性。从五十年代中期开始，根据岩石强度、岩体完攘性、断层节理等不利组合以及裂隙夹泥，地下水的作用等实际情况来分析围岩稳定性和普氏坚固系数。六十年代，由于地下洞室断面
3、逐渐增大，开始采用弹性或弹塑性理论对围岩稳定性进行分析。七十年代以来，开始程度不同地采用新奥法原理进行修建，用喷锚支护对围岩进行加固，大型地下厂房，除采用弹塑性理论对洞室围岩的应力和应变进行分析外，并对洞壁围岩变形进行观测，同时，对围岩表面应力和深部应力进行测试，分析地应力对围岩的作用。八十年代以来，我国水利水电地下工程越来越多地采用围岩分类来评价围岩稳定性，八十年代末至九十年代初，除传统方法以外还出现了一些关于洞室围岩稳定性评价的新的理论和方法，如灰色系统理论、神经网络系统、模糊数学理论以及数值法等，这些理论和方法的大量出现，极大地丰富和提高了稳定性研究程度和可靠度。综合以上，当前对地下洞室
4、l 王I 岩稳定性研究的方法可以概括性地分为两类，即定性( 或半定性) 和定量两种研究方法【l J 。1 1 1 洞室围岩稳定性评价的围岩分类法该方法主要是通过对洞室围岩类型的确定来评价围岩的稳定程度。在地下工程实践中，对围岩稳定性的评价，总体上是经验判别、数值分析以及监测预报相并用。近几年来，尽管岩体稳定的数值分析得到了较大的发展，但由于目前尚未很好地解决如何使计算的数学模型适应岩体的本构特征这一问题，数值分析就显得很有局限性。因此，以工程经验为基础的岩体质量分类，在设计和施工阶段都起着重要作用。六十年代以前，岩体质量评价主要是以岩石强度这一单指标为基础的。如前苏联的普氏岩石坚固系数的分类；
5、以抗压强度为依据的捷克分类法；太沙基的载荷分类法：日本围岩准抗压强度分类法；法国隧道围岩分类法。单指标分类不能反映岩体质量的本质，可靠度很低。六十年代至七十年代，逐渐引入了岩体完整性的概念。如D e e r ( 1 9 6 4 ) 提出的岩石质量指标R Q D ；日本学者提出的龟裂系数等。近一二十年以来，岩体质量评价发展迅速，尤其是B i “a 粥“( 1 9 7 3 ，1 9 7 6 ) 的I m m体系和B a n o n ( 1 9 7 4 ) 的O 体系的提出，展示了岩体质量评价的前景。在国外还有东北大学硕士学位论文第一章绪论态、地下水和主要结构面产状等五项因素之和的总评分为基本判据，
6、围岩强度应力比为限定判据，将围岩分为五级：1 级( T 8 5 ，S 4 ) ：n 级( 8 5 T 6 5 ，s 4 ) ；级( 6 5 T 4 5 ，S 2 ) ；级( 4 5 T 2 5 ，S 2 ) 及V 级( T 2 5 ) ；其次，国外对围岩类型划分所采用的主要方法有以下三种：( 1 ) R O D 分类法。美国学者迪尔( D e e r ) 是以钻孔获取的大于I O c m 的岩心断块长度与岩心进尺总长度之比，作为岩石质量指标。根据该值的大小，将岩体质量分为五级：极劣( O 2 5 ) ；劣( 2 5 5 0 ) ；可以( 5 7 5 ) ；好( 7 5 9 0 ) 及极好( 9
7、 0 1 0 0 ) 。( 2 ) 地质力学分类法。该方法是由南非学者比尼威斯基( z T B i c n i a w a s H ) 于1 9 7 3 年提出的，简称为R M R 分类法，其分级依据是节理化岩体的R M R 值的大小，此分类法是建立在六个参数的基础上，即岩石单轴抗压强度、钻孔岩心质量R O D 、不连续面间距、方位和状态以及地下水状态。对五种岩体等级，规定了各参数评分的分配和总的岩体评分( R M R ) 。按照岩体总的评定分数，把岩体划分为五个等级：I 级( 8 l 1 0 0 ) ，属于非常好的岩体；I I 级( 6 1 8 0 ) ，属于好岩体；I 级( 4 1 6 0
8、 ) ，属于一般岩体：级( 2 l 4 0 ) ，属于差的岩体；V 级( 卢时( 为倾向洞壁内的其中一组结构面的倾角) 。洞壁块体是稳定的，否则视为不稳定；相应地，也推导出了在洞室顶部围岩中所形成的这种楔形块体的稳定条件的基本表达式。另外，水利部水电规划设计院( 1 9 8 5 ) 对在拱顶围岩中所形成的四边形结构体的稳定性也进行了验算，并推导出了计算过程中不考虑四边形块体的自重G 和考虑四边形块体自重G 作用时，这两种情况下四边形块体呈稳定状态时的基本表达式。据现行的岩土工程勘察规范( G B 5 0 0 2 l 9 4 ) 分别给出了在洞顶、洞侧壁形成楔形块体时的稳定性的计算公式( 仅考虑
9、块体在自重应力作用下) 。康宁( 1 9 8 9 ) 研究了当软弱结构面将洞室侧墙切割为三角形横断面的楔形体和梯形横断面的楔形体时，在考虑自重应力的情况下，块体的稳定系数。张倬元、王士天、王兰生( 1 9 9 4 )同样对拱顶围岩中简单块体的稳定性进行了验算：第一种情况是两组走向平行于洞轴、倾向相反的结构面将洞室顶拱围岩切割成对称的块体时，认为评价该块体在自重应力作用下的稳定性时可用安全系数进行评价，并给出了安全系数的计算式，即足：只佃用( 式中户为块体的自重力，只为垂直方向力的总和) ：第二种情况为走东北大学硕士学往论文第一章绪论向平行洞轴、倾向相反的两组结构面将顶拱围岩切割成不对称块体时，
10、其具体评价的方法与第一种基本相同，不同之处只是只的大小。以下将重点论述一下洞周围岩块体按空间问题考虑时，关于块体稳定性的判断。目前，在处理该类问题时，一般采用的是赤平极射投影来确定块体的位置和形状，应用实体比例确定其大小，然后进行稳定性计算，以判断其是否稳定。在稳定性的计算中，一般只考虑块体的自重应力，对拱顶可能出现的不稳定块体的坠落、边墙块体滑落( 即单面滑动和多面滑动) ，均有相应的判别式：( 1 ) 洞顶块体发生坠落时，稳定系数K i 0 ( 于学馥等，1 9 8 3 ) ；( 2 ) 洞侧壁块体单面滑动时，也给出了其稳定性系数的表达式；张倬元等( 1 9 9 4 ) 研究了如果是沿单一
11、结构面滑动时的安全系数的计算公式；( 3 ) 洞侧壁块体双面滑动时，也已推导出了相应的稳定性系数的表达式( 于学馥等，1 9 8 3 ；张悼元等，1 9 9 4 ) 。J S K l l S z m a l 】1 ( 1 9 9 9 ) 提出在节理裂隙较为发育且岩体质量较差的地区开挖地下洞室时，认为应重点研究关键性块体，并按平面问题进行了研究。s 觚i e e vs l l a 肋a 等( 1 9 9 9 ) 采用块体极限平衡法对位于喜马拉雅山地区 Y 枷u n a 河流域2 0 4 m 高的重力混凝土大坝的基础的稳定性进行了研究。M s D i e d 商c l l s 和P K K a j
12、 s e r ( 1 9 9 9 ) 采用块体极限平衡法对洞室围岩的破坏过程进行了研究。1 1 4 洞室围岩稳定性评价的有限元数值模拟法实践证明，有限元数值模拟方法在研究洞室围岩应力以及围岩变形和破坏的发展，进而定量她评价围岩稳定性方面具有重要的作用。因为该方法不仅可以解决各种非均质、非线性、含有软弱结构面以及具有流变特性和复杂洞形的围岩应力一应变分析问题，而且，还可以模拟各种支护方案的有效性以及不同旌工程序对围岩稳定性的影响等。张倬元等( 1 9 9 4 ) 研究了与围岩稳定性分析、评价有关的问题，并指出对围岩稳定性的数值模拟研究，通常采用二维有限元分析模型，按平面应变问题进行处理。王思敬、
13、杨志法等( 1 9 8 4 ) 对整体块状结构围岩的应力、变形以及节理和层状岩体的稳定性进行了二维有限元分析。谷兆祺、彭守拙、李仲奎( 1 9 9 4 )对地下洞室有限元分析中的基本问题进行了论述。葛修润( 1 9 9 2 ) 采用三维有限元的数值模拟研究了隧道围岩表面因开挖而引起的纵向变形问题，认为导致隧道发生纵向变形的主要因素是隧道岩体具有倾斜的初始应力状态。雷晓燕等( 1 9 9 3 ) 采用接触摩擦单元对在具有节理和软弱介质中隧道开挖和衬砌进行了二维有限元模拟，以解决节理对隧道开挖和衬砌的影响。张玉军、王建华( 1 9 9 5 ) 论述了自适应多重网格有限元方程求解算法的原理、数据结构
14、及计算程序的实现，并采用该方法对洞室围岩稳定性进行了分析。金丰年、钱七虎( 1 9 9 6 ) 利用非线性粘弹性模型，对圆东北大学硕士学位论文第一章绪论形洞室的开挖过程进行了三维有限元模拟计算，并通过计算对开挖面和开挖速度的影响进行了具体的分析。李宁、陈飞熊、崔政权等( 1 9 9 7 ) 应用兰维变形块体与弹塑性摩擦接触理论，初步分析了某区地下洞室可能存在不稳定块体的数量、规模、坍滑方式和方向，预测了该类不稳定块体对洞室开挖施工的影响，并提出了关于预防措旌的意见。李宁、段庆伟、杨志伟等( 1 9 9 6 ) 应用从国外引进的大型岩土工程数值分析软件系统F N A L ，对某区地下厂房的分期开
15、挖方案与加固施工工程进行了多组数值仿真对比分析，探讨了分期开挖顺序、初始地应力场、围岩力学参数以及围岩力学模型对洞周应力与位移的影响。哈秋龄、李永仁( 1 9 8 5 ) 介绍了八一林隧洞围岩应力分析及锚喷结构设计的二维有限元计算。孙钧、张德兴、张玉生等( 1 9 8 1 ) 应用凯尔文( K e l v i n ) 体和宾汉姆( B i n 功a m ) 体相串联的粘性流交模型研究了深层隧洞围岩为一均质、各向同性的连续介质的情况下围岩的瞬时与蠕变变形等与稳定性相关的问题，并编制了平面应变问题的有限元计算程序。孙钧、张玉生( 1 9 8 3 ) 应用粘弹塑性理论模拟隧洞围岩与支护混凝土材料的蠕
16、变形状，按材料非线性数值分析了某水电站地下厂房洞室就分步开挖程序施工及围岩形态随时间变化的围岩稳定性。肖明、龚玉锋、俞裕泰( 2 0 0 0 ) 采用三维非线性有限元对层状各向异性岩体中洞群围岩稳定性进行了论证，进行了大型洞室参数优化、支护形式和支护参数优化，论证了开挖方式的合理性。杨明举、常艄东( 2 0 0 0 ) 结合某水电站大型地下洞室群施工过程中围岩稳定性问题，利用三维非线性有限元以三大洞室开挖顺序不同的三种施工工序+ 对地下渝室群进聋亍了稳定牲计算租分析比较。俞裕泰( 1 9 8 3 ) 应用有限元法研究了地下洞室围岩应力的分布规律，分析了岩体特性、地应力场特性、洞型、开挖方式对围岩应力场的影响，提出了岩体流变对围岩的影响及采用计算理论的合理性等。常士骠( 1 9 8 2 ) 对包含节理裂隙的岩层中地下洞室的开挖过程提出了平面有跟元模拟的一种近似求解的方法即等效结点荷载法，用以求出每步开挖后岩体相应的应力、位移值。邹志晖( 1 9 9 1 ) 采用平面有限元法，对位
