有限元論文王明

PAGEPAGE27研究生課程《有限單元法》結(jié)課論文基于FLAC3D的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析姓名：王明學(xué)號：2012202060125學(xué)院：水利水電學(xué)院研究方向：地下工程結(jié)構(gòu)二零一三年二月摘要本文根據(jù)當(dāng)前地下工程洞室群圍巖受力復(fù)雜的特點(diǎn)，以通用有限差分軟件FLAC3D(ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua)為基礎(chǔ)，對地下洞室群圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算與分析，主要成果和內(nèi)容如下：1）介紹了作為有限差分軟件FLAC3D，相對于其他有限元軟件，在算法上所具有的優(yōu)缺點(diǎn)，簡單的介紹了一下FLAC3D計(jì)算的基本原理，包括導(dǎo)數(shù)的有限差分，運(yùn)動方程，應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力，阻尼力，以及FLAC3D的計(jì)算循環(huán)步驟與原理。2）結(jié)合坪頭水電站地下工程實(shí)例，通過基本工程資料，完成三維模型的建立，并總結(jié)了三維建模的一般方法。首先在AutoCAD中建立平面模型，將其導(dǎo)入到實(shí)驗(yàn)室軟件中進(jìn)行網(wǎng)格平推、劃分材料和分期開挖單元等工作生成所需的三維模型。然后將模型文件通過轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)格式，導(dǎo)入FLAC3D完成三維建模。3）通過運(yùn)用FISH語言進(jìn)行編程，編寫自定義的函數(shù)和變量將各個參數(shù)讀入到FLAC3D中，并依次為模型定義材料的參數(shù)和本構(gòu)模型、施加邊界約束條件、施加地應(yīng)力、添加錨桿，然后進(jìn)行模型的開挖，以完成模型的平衡計(jì)算工作。4）在三維建模以及輸入相關(guān)參數(shù)等工作完成的基礎(chǔ)上，利用FLACD強(qiáng)大的模型結(jié)果分析功能進(jìn)行圖形化與數(shù)據(jù)輸出，包括模型在各期開挖后的位移云圖以及最大與最小主應(yīng)力云圖，并根據(jù)這些圖形進(jìn)行相應(yīng)的分析以指導(dǎo)后期的設(shè)計(jì)與監(jiān)測等。關(guān)鍵詞：洞室群穩(wěn)定；有限差分法；FLAC3DABSTRACTInviewofthecomplexityofsurroundingrockaroundtheundergroundhousegroup,thispresentpaper,basedonthefinitedifferencemethodsoftwareFLAC3D(ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua),hasmadeananalysistowardthestabilityofsurroundingrockaroundtheundergroundhousegroup.Themaincontentsandresultsareasfollows:1、IntroducetheadvantageanddisadvantageinthealgorithmofFLAC3D,comparedwithotherfinite-elementmethodsoftware.Also,itbrieflyintroducesthebasicalfundamentalwhilecaculating,whichincludesthefinitedifferenceofthedifferentcoefficient,motionequations,strain,stress,theunbalancedforceonthenodalpointandtheproceduresofcalculatingcycleandfundamentalsofFLAC3D.2、ThestudyisappliedtotheprojectofPingTouhydropowerstation’sundergroundpowerhouse.Accordingtothebasicalengineeringdataanddrawings,wehaveestablishedthe3-Dmeshmodel,andsummarizedthegeneralmethodofhowtoestablishamodel.First,establishaplanarmodelinAutoCAD,thenimportitintothesoftwareofourlabtogeneratethe3-Dmeshmodel,transformthemodelfileintorelevantformat,thenyoucanimportittoestablishthemodelinFLAC3D.3、ByusingFISHlanguage,wecanprogramself-definingfunctionsandvariablestoreadallkindsofparametersintoFLAC3D,whichwillsuccessivelydefinethematerialparameters,constitutivemodel,applyboundaryconstraints,groundstressandaddanchors.Finallyitwillexcavatethemeshmodeltofinishthejobofbalancecalculation.4、ByusingthepowerfulanalysisfunctionsofFLAC3D,wecanoutputthegraphicsanddata,whichincludedisplacementcontourmaps,maximumprincipalstressmaps,minimumprincipalstressmaps,andaccordingtotheanalysisoftheseresultstoguidethedesignandmonitoring.Keywords:Thestabilityofcaverns；Finitedifferencemethod；FLAC3D

目錄摘要 IIABSTRACT III目錄 IV第1章緒論 11.1引言 11.2主要技術(shù)路線 11.2.1有限差分網(wǎng)格 21.2.2確定模型的本構(gòu)特性與材料性質(zhì) 21.2.3確定邊界條件和初始條件 31.2.4設(shè)置結(jié)構(gòu)單元 31.2.5求解 3第2章FLAC3D介紹及基本原理 42.1FLAC3D介紹 42.2計(jì)算原理 52.2.1導(dǎo)數(shù)的有限差分 52.2.2運(yùn)動方程 62.2.3應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力 62.2.4阻尼力 62.2.5計(jì)算循環(huán) 72.3本章小結(jié) 7第3章工程概況及建模 83.1工程概況 83.2模型的建立 103.2.1FLAC3D建模 103.2.2實(shí)驗(yàn)室軟件建模導(dǎo)入到FLAC3D 13第4章模型結(jié)果分析 174.1模型位移云圖 174.2模型主應(yīng)力云圖 204.3本章小結(jié) 25第5章結(jié)論 25參考文獻(xiàn) 27第1章緒論1.1引言地下水電站是指引水道中絕大部分、調(diào)壓井、壓力管道、主廠房以及一部分附屬洞室、尾水洞等均位于地下的電站。新中國成立后，自第一座地下水電站廠房——古田溪一級電站于1956年投入運(yùn)行以來，我國的地下水電站建設(shè)取得了蓬勃發(fā)展。繼三峽工程之后，開發(fā)西部的大型、特大型水電站與水利設(shè)施都已進(jìn)入設(shè)計(jì)和施工階段。如雅礱江上的錦屏一、二級水電站，瀾滄江上的小灣、糯扎渡，金沙江上的溪洛渡、向家壩、虎跳峽以及南水北調(diào)工程等，均具有一定規(guī)模的地下工程[1]。20世紀(jì)90年代，我國建成的一大批大型水利工程，如太平鮮、天荒坪、大朝山、廣蓄、二灘、三峽、棉花灘工程等，都廣泛布置有大型地下工程，通過這些工程的建設(shè)，不僅積累了我國地下工程設(shè)計(jì)與施工的豐富經(jīng)驗(yàn)，而且，把我國的地下工程的設(shè)計(jì)與施工水平推上一個嶄新的高度[2]！但由于地下洞室群有可能位于地質(zhì)條件比較復(fù)雜的區(qū)域，且存在地下工程埋深大、洞室尺寸大、洞室與洞室之間的影響不容忽視等諸多問題，因此研究洞室群圍巖穩(wěn)定問題十分重要！當(dāng)前圍巖穩(wěn)定分析的基本方法主要是采用三維非線性彈塑性有限元計(jì)算方法，并且考慮結(jié)構(gòu)受力進(jìn)入塑性之后，出現(xiàn)損傷破壞，使結(jié)構(gòu)的承載能力下降。相比有限元計(jì)算方法，本論文主要討論作為顯式有限差分方法的FLAC3D(ThreeDimensionalFastLagrangianAnalysisofContinua)如何來進(jìn)行地下洞室群圍巖穩(wěn)定計(jì)算與分析。選取《基于FLAC3D的地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析》作為我的畢業(yè)設(shè)計(jì)題目，主要是學(xué)習(xí)運(yùn)用FLAC3D軟件模擬地質(zhì)材料在達(dá)到強(qiáng)度極限時發(fā)生的破壞或塑性流動的力學(xué)行為，并利用它包含的彈塑性本構(gòu)模型、計(jì)算模式來模擬多種結(jié)構(gòu)形式和復(fù)雜的巖土工程或力學(xué)問題，進(jìn)行電站地下洞室群圍巖穩(wěn)定計(jì)算與分析。因此通過FLAC3D來加強(qiáng)對這方面的學(xué)習(xí)與研究，無論是對我今后踏入工作崗位的現(xiàn)實(shí)意義，還是學(xué)習(xí)補(bǔ)充這個方面的理論意義都十分重要！1.2主要技術(shù)路線FLAC3D的求解的基本流程[3]如圖1.1所示：圖1.1求解流程圖1.2.1有限差分網(wǎng)格根據(jù)FLAC3D建立網(wǎng)格的命令、參數(shù)以及12種基本網(wǎng)格的形狀，建立復(fù)雜的實(shí)體模型。同時建立網(wǎng)格是要考慮兩個方面：一是重要區(qū)域精確解所需的單元體密度；二是網(wǎng)格邊界定位對結(jié)果的影響。1.2.2確定模型的本構(gòu)特性與材料性質(zhì)FLAC3D中基本的本構(gòu)模型可分為：空模型（NullModel）、各向同性彈性模型（Elastic,IsotropicModel）、正交各向異性彈性模型（Elastic,OrthotropicModel）、橫向同性彈性模型（Elastic,TransverselyIsotropicModel）、德魯克—普拉格模型（Drucker—PragerModel）、摩爾—庫侖模型（Mohr—CoulombModel）、多節(jié)理模型（UbiquitousModel）、應(yīng)變硬化/軟化模型（Strain—Hardening/SoftingModel）、D—Y模型（Double—YieldModel）、修正劍橋模型（ModifiedCam—ClayModel）。根據(jù)其不同的適用條件和所要模擬的材料，選擇所需的本構(gòu)模型。該模型主要模擬普通土壤和巖石地下開挖后的力學(xué)行為，因此主要采用空模型和摩爾—庫侖模型等。然后確定所選材料本構(gòu)模型所需要的各種材料參數(shù)，即彈性變形參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)。例如彈性體積變量K、內(nèi)聚力C、剪脹角、內(nèi)摩擦角、彈性切變模量G、抗拉模量等。1.2.3確定邊界條件和初始條件施加與邊界的力學(xué)條件有兩大類：指定位移和指定應(yīng)力。在FLAC3D中借助APPLY命令，可以對任何邊界或部分邊界施加力或應(yīng)力，用sxx、syy、szz、sxy、sxz和syz關(guān)鍵字來指定應(yīng)力張量的單個分量。對于位移邊界，由于FLAC3D中不能直接控制位移，需要指定邊界對給定步數(shù)的速率，可以使用APPLY、FIX和INI命令來指定速率（也可以漸變）。然后確定模型的初始條件，在地下工程開始開挖和構(gòu)造之前，都有一個原始應(yīng)力狀態(tài)。FLAC3D中，通過設(shè)置初始條件來模擬這種原始狀態(tài)，理想情況下，原始狀態(tài)的信息來自大面積測量，但是，當(dāng)無現(xiàn)成資料時，模型在盡可能合理?xiàng)l件范圍執(zhí)行。1.2.4設(shè)置結(jié)構(gòu)單元對于地下洞室群中需要錨固支護(hù)或加固巖土的結(jié)構(gòu)件，F(xiàn)LAC3D中用不同材料和材料參數(shù)各異的結(jié)構(gòu)單元模型來模擬真實(shí)的構(gòu)件，包括梁（Beams）結(jié)構(gòu)單元、錨索（Cables）結(jié)構(gòu)單元、樁（Piles）結(jié)構(gòu)單元、殼（Shells）結(jié)構(gòu)單元、土工格柵（Geogrids）結(jié)構(gòu)單元、襯砌（Liners）結(jié)構(gòu)單元等6種，本文中主要運(yùn)用錨索結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模型的加固。且對于錨索結(jié)構(gòu)件，要確定包括每個結(jié)構(gòu)件的開始和結(jié)束節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、橫截面的面積、彈性模量等基本參數(shù)資料。1.2.5求解通過并依次為模型定義材料的參數(shù)和本構(gòu)模型、施加邊界約束條件、施加地應(yīng)力、添加錨桿，進(jìn)行模型的開挖計(jì)算，并求解得到的圖形和數(shù)據(jù)。第2章FLAC3D介紹及基本原理2.1FLAC3D介紹自R.W.Clough1965年首次將有限元引入土石壩的穩(wěn)定性分析以來，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程領(lǐng)域取得了巨大的進(jìn)步，并成功的解決了許多重大的問題[4]。目前FLAC3D軟件的應(yīng)用十分的廣泛，主要用于巖土力學(xué)分析，例如礦體滑坡、煤礦開采沉陷預(yù)測、水利樞紐巖體穩(wěn)定性分析、采礦巷道穩(wěn)定性研究等，以及在巖土工程、采礦工程、水利工程、地質(zhì)工程中的應(yīng)用[5]。作為有限差分軟件，相對于其他有限元軟件，在算法上，F(xiàn)LAC3D有以下幾個優(yōu)點(diǎn)：1、對模擬塑性變形和塑性流動采用的是“混合離散法”，這種方法比有限元中通常采用的“離散集成法”更為準(zhǔn)確、合理。2、即使模擬的系統(tǒng)是靜態(tài)的，仍采用動態(tài)運(yùn)動方程，這使得FLAC3D在模擬物理上的不平衡過程不存在數(shù)值上的障礙。3、采用顯示差分法求解微分方程。對顯式法來說，非線性本構(gòu)關(guān)系與線性本構(gòu)關(guān)系并無算法上的差別，根據(jù)已知應(yīng)變增量，可以很方便地求得應(yīng)力增量、不平衡力并跟蹤系統(tǒng)的演化過程。此外，由于顯式法不形成剛度矩陣，每一時步計(jì)算所需內(nèi)存很小，因而使用較少的內(nèi)存就可以模擬大量的單元。在大變形問題的求解過程中，由于每一時步變形很小，因而可采用小變形本構(gòu)關(guān)系，將各時步的變形疊加，得到大變形。這就避免了推導(dǎo)并應(yīng)用大變形本構(gòu)關(guān)系時所遇到的麻煩，也使得它的求解過程愈小變形問題一樣。毋庸置疑，F(xiàn)LAC3D是十分優(yōu)秀的巖土工程數(shù)值模擬軟件，其實(shí)用性和專業(yè)性得到了廣泛證實(shí)。但不可否認(rèn)，F(xiàn)LAC3D也存在許多的不足，主要集中在以下幾個方面：1、求解時間受網(wǎng)格尺寸的影響很大。對于一般的彈塑性問題，F(xiàn)LAC3D的求解時間大致與（N為單元數(shù)目）成正比。2、某些模式下的計(jì)算求解時間很長。由于很多物理過程（如固結(jié)過程、長期動力影響等）與時間有關(guān)，而FLAC3D采用真實(shí)時間予以考慮，從而造成求解時間很長。3、前處理功能較弱。FLAC3D對于復(fù)雜三維模型的建立任然十分困難。由于FLAC3D在建立模型是采用的是鍵入數(shù)據(jù)/命令行文件的方式，加上FISH語言（FLAC3D內(nèi)嵌語言）獨(dú)特的源代碼表達(dá)方式，造成FLAC3D三維建模計(jì)算周期大、難度大。盡管如此，F(xiàn)LAC3D的不足之處還是可以采取一定的方法加以克服。其計(jì)算時步受網(wǎng)格尺寸影響較大和某些模式下計(jì)算時間過長的問題，由于涉及到軟件內(nèi)核即算法和計(jì)算效率的問題，可從算法和計(jì)算機(jī)性能上予以改進(jìn)（戴榮，李仲奎等，2006），普通用戶是難以解決的。但隨著算法的不斷改進(jìn)和完善，以及高性能計(jì)算機(jī)的普及，這些不足之處有望得到改善。至于FLAC3D前處理較弱的問題，我們可以先用有限元軟件進(jìn)行三維建模，然后將其轉(zhuǎn)化為FLAC3D可以識別的數(shù)據(jù)格式，運(yùn)用其強(qiáng)大的后處理功能進(jìn)行分析和計(jì)算。2.2計(jì)算原理采用FLAC3D進(jìn)行數(shù)值模擬時，有三個基本部分必須指定：有限差分網(wǎng)格、本構(gòu)關(guān)系和材料特性、邊界和初始條件。網(wǎng)格用來定義分析模型的幾何形狀，本構(gòu)關(guān)系和與之對應(yīng)的材料特性用來表征模型在外力作用下的力學(xué)響應(yīng)特性，邊界和初始條件用來定義模型的初始條件（即邊界條件發(fā)生變化或者受到擾動之前，模型所處的狀態(tài)）。在定義完這些條件后，即可進(jìn)行求解獲得模型的初始狀態(tài)；接著，執(zhí)行開挖或變更其它模擬條件，進(jìn)而求解獲得模型對模擬條件變更后做出的響應(yīng)。其計(jì)算的一般原理為：2.2.1導(dǎo)數(shù)的有限差分FLAC3D的計(jì)算均在四面體上進(jìn)行，先以一個四面體說明計(jì)算時導(dǎo)數(shù)的有限差分近似過程，如圖2-1所示，對于一個四面體，節(jié)點(diǎn)編號是1~4，第n面表示與節(jié)點(diǎn)n相對的面，設(shè)其內(nèi)任一點(diǎn)的速率分量為，則可有高斯公式得：（2.1）式中，V為四面體的體積，S為四面體的外邊面，為外邊面的單位法向向量分量。圖2.2對于常應(yīng)變單元，則有（2.2）式中，上標(biāo)l表示節(jié)點(diǎn)l的變量，（l）表示面l的變量。2.2.2運(yùn)動方程FLAC3D以節(jié)點(diǎn)為計(jì)算對象，將力和質(zhì)量均集中在節(jié)點(diǎn)上，然后通過運(yùn)動方程在時域內(nèi)進(jìn)行求解。節(jié)點(diǎn)運(yùn)動方程可表示為如下形式：（2.3）式中，為在t時刻l節(jié)點(diǎn)的在i方向的不平衡力分量，可有虛功原理導(dǎo)出；為i節(jié)點(diǎn)的集中質(zhì)量，在分析靜態(tài)問題時，采用虛擬質(zhì)量來保證數(shù)值穩(wěn)定，在分析動態(tài)問題時則用實(shí)際的集中質(zhì)量。將上式用中心差分來近似，則可得到（2.4）2.2.3應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力FLAC3D由速率來求某一時步的單元應(yīng)變增量，如下式：（2.5）有了應(yīng)變增量，可有本構(gòu)方程來求出應(yīng)變增量，然后將各時步的應(yīng)力增量疊加即可得到總應(yīng)力。在大變形情況下，尚需根據(jù)本時步的總應(yīng)力進(jìn)行旋轉(zhuǎn)修正。隨后即可由虛功原理求出下一時步的節(jié)點(diǎn)不平衡力，進(jìn)入下一步計(jì)算。2.2.4阻尼力對于靜態(tài)問題，F(xiàn)LAC3D在不平衡力中加入非粘性阻尼，以使系統(tǒng)的振動逐漸衰減直至達(dá)到平衡狀態(tài)（即不平衡力接近零），則可得到下式（2.6）阻尼力式中為阻尼系數(shù)，其默認(rèn)值為0.8，而（2.7）2.2.5計(jì)算循環(huán)由以上可以看出FLAC3D的計(jì)算循環(huán)，如圖2.3所示：運(yùn)動方程對每個節(jié)點(diǎn)運(yùn)動方程對每個節(jié)點(diǎn)由應(yīng)力及外力利用虛功原理求節(jié)點(diǎn)不平衡力由不平衡力求節(jié)點(diǎn)速率本構(gòu)方程對每個單元由節(jié)點(diǎn)速率求應(yīng)變增量由應(yīng)變增量求應(yīng)力增量及總應(yīng)力圖2.32.3本章小結(jié)本章首先介紹了一種新的有限差分軟件FLAC3D，論述了它相對于有限元軟件，在算法上所具有的優(yōu)缺點(diǎn)，以及FLAC3D作為專業(yè)的巖土軟件的適用范圍。同時還簡單的介紹了一下FLAC3D計(jì)算的基本原理，包括導(dǎo)數(shù)的有限差分，運(yùn)動方程，應(yīng)變、應(yīng)力及節(jié)點(diǎn)不平衡力，阻尼力，以及計(jì)算循環(huán)的原理。第3章工程概況及建模3.1工程概況坪頭水電站位于四川省涼山彝族自治州美姑、昭覺、雷波三縣交界處，是美姑河水電規(guī)劃“一庫五級”方案的第五級水電站。工程區(qū)距西昌市173km，距美姑縣城86km，距美姑河匯入金沙江的匯入口10km。工程開發(fā)任務(wù)為發(fā)電，利用落差328m（913m～585m），設(shè)計(jì)發(fā)電引用流量72m3/s，總裝機(jī)容量180MW，保證出力28.96MW，年發(fā)電量7.788/8.61億kW·坪頭水電站采用地下式廠房系統(tǒng)，由主廠房、安裝間、副廠房、主變及GIS室、出線洞及母線洞、通風(fēng)洞、交通洞、有壓尾水洞、帷幕灌漿及排水平洞組成。采用主廠房、主變及GIS室兩洞室平行布置方式，之間巖柱厚度為28m，有母線洞及主變運(yùn)輸?shù)肋B接。廠房開挖寬度為18.6m，最大高度39.6m。主機(jī)間長44m，副廠房長11m，安裝間長20m。主變及GIS室外平面尺寸為長39.2m，寬16m。工程區(qū)位于南北向普雄河斷裂帶、美姑河斷裂帶、剎水壩~馬頸子斷裂帶之間的穩(wěn)定地塊內(nèi)。地塊內(nèi)無大的斷裂構(gòu)造發(fā)育，新構(gòu)造活動不明顯，不具備發(fā)生強(qiáng)地震的地質(zhì)背景。廠區(qū)山體雄厚，無大的斷裂發(fā)育，圍巖以Ⅲ、Ⅳ類為主，巖溶較發(fā)育，以中等透水為主。地下廠房位于水平埋深190～205m，垂直埋深130～140m的山體內(nèi)，圍巖為震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd3-1）灰白色中厚層狀細(xì)晶白云巖、灰色石灰?guī)r，層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖層總體產(chǎn)狀為N60°～70°E／SE∠30°～40°，微傾山外偏下游。根據(jù)地表測繪資料和探洞揭露情況：圍巖中無斷層分布，裂隙除第①組裂隙外，其它多為局部段發(fā)育，主要有5組：①N50°～70°E/SE∠35°～45°，延伸大于5m，平直粗糙，多閉合，部分張開0.3～0.6cm，充填少量粉土及巖屑，間距一般15～25cm，部分40～80cm，干燥。②N65°～85°E/SE∠75°～85°,延伸大于10m，起伏粗糙，多閉合，無充填，間距15～30cm，干燥。③N15°～25°E/SE∠75°～85°,延伸大于10m，三壁貫通，起伏粗糙，多閉合，無充填，間距一般0.5～1m，部分20～40cm，干燥。④N20°～30°W/SW∠65°～85°，延伸大于10m，三壁貫通，多閉合，部分張開0.2～0.5cm，充填少量粉土及巖屑，間距30～60cm，部分1～2m，干燥。⑤N65°～85°E/NW∠45°～55°，延伸1～3m，起伏粗糙，多閉合，少量張開1～2mm，充填少量粉土，間距15～30cm，干燥。地下廠房圍巖為中厚層狀細(xì)晶白云巖、灰色石灰?guī)r，第①組層面裂隙發(fā)育，延伸性較長，多閉合、部分充填溶蝕粉土，走向與廠房等洞室的縱軸線交角約20°～40°，層面傾角較大，為35°～40°，巖體多呈互層～中厚層狀結(jié)構(gòu)，部分厚層狀結(jié)構(gòu)，圍巖為Ⅲ～Ⅳ類，以中等透水為主，廠區(qū)以自重應(yīng)力為主。主變室位于水平埋深145～155m，垂直埋深100～120m的山體內(nèi)，圍巖巖性為震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbd3-1）灰白色中厚層狀細(xì)晶白云巖、灰色石灰?guī)r，層狀結(jié)構(gòu)，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖層總體產(chǎn)狀為N60°～70°E／SE∠30°～40°，微傾山外偏下游。根據(jù)探洞主洞120m支洞PCD01-1揭示：主變室圍巖中無斷層分布，巖體風(fēng)化作用較弱，但卸荷、巖溶作用較強(qiáng)烈，裂隙發(fā)育，主要有4組結(jié)構(gòu)面，張開2～5cm，受結(jié)構(gòu)面切割、組合，巖體松弛，邊墻、頂拱處掉塊、塌頂現(xiàn)象嚴(yán)重，巖體以塊裂結(jié)構(gòu)為主，完整性差，為Ⅳ類圍巖，應(yīng)作好圍巖穩(wěn)定性支護(hù)和防滲排水措施。其中坪頭廠址區(qū)各類巖體及結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)建議值如下表所示：表3.1廠址區(qū)巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值表圍巖類別巖體特征密度濕抗壓強(qiáng)度變形模量泊松比抗剪斷強(qiáng)度堅(jiān)固系數(shù)單位彈性抗力系數(shù)建議開挖坡比ρ0RwE0μfˊcˊfkko永久臨時g/cm3MPaGPaMPaMPa/cmⅢ微新～次塊狀中厚層狀細(xì)晶白云巖2.775～955～80.250.7～0.90.3～0.53～430～40Ⅳ裂隙發(fā)育的鑲嵌～次塊狀結(jié)構(gòu)細(xì)晶白云巖2.65～2.760～702～40.30.5～0.60.2～0.41～210～201：0.751：0.5強(qiáng)風(fēng)化薄～中厚層狀泥質(zhì)灰?guī)r1：1.01：0.752007年2月原廠房EL.608.9至EL.590.0范圍已開挖完成。但受圍巖變形及其它因素影響，廠房頂拱砼出現(xiàn)掉塊、裂縫，并且尾水施工支洞、下平施工支洞在EL583高程出現(xiàn)地下涌水。為此設(shè)計(jì)對廠房系統(tǒng)進(jìn)行了重大修改，將廠房整體上抬15m，原廠房開挖尺寸及中軸線平面位置不變，廠房頂拱高程上抬至EL.623.9m,機(jī)坑底板高程至EL.583.9.主變室、尾水洞、壓力管道也相應(yīng)上抬15m。根據(jù)坪頭地下工程已給的基本資料和圖紙，我們不難發(fā)現(xiàn)三大洞室中調(diào)壓室相對尺寸較小，且位于工程的上游，與廠房和主變洞之間的距離較遠(yuǎn)，因此在進(jìn)行地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析時，可忽略調(diào)壓室對地下洞室群穩(wěn)定的影響，而只考慮廠房與主變洞兩者之間的相互影響。3.2模型的建立3.2.1FLAC3D建模FLAC3D內(nèi)置功能強(qiáng)大的網(wǎng)格生成器，它包含多種基本形狀的網(wǎng)格，包括六面塊體網(wǎng)格（brick）、楔形體網(wǎng)格（wedge）、四面體網(wǎng)格（tetra）、棱錐體網(wǎng)格（pyramid）、柱體網(wǎng)格（cylinder）、退化體網(wǎng)格（dbrick）、塊體外圍漸變放射網(wǎng)格（radbrick）、六面體隧道外圍漸變放射網(wǎng)格（radtunnel）、圓柱體隧道外圍漸變放射網(wǎng)格（radcylinder）、柱形殼體網(wǎng)格（cshell）、柱形交叉隧道網(wǎng)格（cylint）和六面體交叉隧道網(wǎng)格（tunint），通過匹配、連接這些基本形狀的網(wǎng)格單元，能夠生成一些較為復(fù)雜的三維結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。例如利用FLAC3D建模來模擬連續(xù)開挖并支護(hù)的隧道，下面為進(jìn)行三維建模的命令流?！璶ewtitle隧道開挖genzonradcyldim1.0p0000p1500p2020p3005&ratio1.01.01.01.2size1844fillgrouptunnelgenzonradcyldim1.0p0020p1520p2050p3025&ratio1.01.01.01.2size1344fillgrouptunnelgroupsection1rangey01grouptunnelgroupsection2rangey12grouptunnelgroupsection3rangey23grouptunnelgroupsection4rangey34grouptunnelgroupsection5rangey45grouptunnelmodelelaspropbulk50e6shear18e6inisxx-1e6syy-1e6szz-1e6fixxrangex-0.0010.001fixyrangey-0.0010.001fixzrangez-0.0010.001fixxyzrangex4.995.01fixxyzrangey4.995.01fixxyzrangez4.995.01histid1unbal；第一階段:開挖隧道區(qū)域1modelnullrangegroupsection1solvesaveshell_tun1.sav；原始位移inixdisp0.0ydisp0.0zdisp0.0histid2gpzdisp011histid3gpzdisp011；第二階段:開挖隧道區(qū)域2modelnullrangegroupsection2saveshell_tun1_temp.savsolvesaveshell_tun2ns.savrestoreshell_tun1_temp.sav；增添錨桿selshellid1rangecylend1000end201.010rad1.0selnodefixxyrzrrangex-0.10.1selnodefixyxrzrrangey-0.10.1selnodefixzxryrrangez-0.10.1selshellid1propiso10.5e90.25thick0.2solveplotcreatethe_mxplotaddselrecoversresmxsurfx010saveshell_tun2.sav；第三階段:開挖隧道區(qū)域3modelnullrangegroupsection3selshellid2rangecylend100.990end202.010rad1.0selnodefixxyrzrrangex-0.10.1selnodefixyxrzrrangey-0.10.1selnodefixzxryrrangez-0.10.1selshellid2propiso10.5e90.25thick0.2solvesaveshell_tun3.sav……………其生成的三維模型如下圖3.1所示：圖3.1隧道的開挖3.2.2實(shí)驗(yàn)室軟件建模導(dǎo)入到FLAC3D但是正如第二章所提到的，相比其他功能而言，F(xiàn)LAC3D對于復(fù)雜三維模型的建立任然十分困難。由于FLAC3D在建立模型是采用的是鍵入數(shù)據(jù)/命令行文件的方式，加上FISH語言（FLAC3D內(nèi)嵌語言）獨(dú)特的源代碼表達(dá)方式，造成FLAC3D三維建模計(jì)算周期大、難度大。因此對于復(fù)雜三維模型我們一般都是在其他有限元軟件中生成三維網(wǎng)格[5]，然后將網(wǎng)格模型以特定的數(shù)據(jù)文件來描述，再將網(wǎng)格數(shù)據(jù)導(dǎo)入到FLAC3D中進(jìn)行分析和計(jì)算[10]。對于坪頭地下工程實(shí)例，主要用我們實(shí)驗(yàn)室有限元軟件進(jìn)行建模，主要步驟如下：1、根據(jù)工程各方面的資料，如模型的埋深，廠房、主變室的跨度和高度等，將平面模型在CAD中畫出來，其中要特別注意由于FLAC3D的計(jì)算均在四面體上進(jìn)行，因此平面模型必須要由最基本的四邊形所組成。2、將第一步中建立的平面CAD模型保存成后綴名為“.dxf”圖形文件的格式，然后將其導(dǎo)入到我們實(shí)驗(yàn)室軟件中形成后綴名為“.dat”的文件形式。3、將形成的.dat文件通過實(shí)驗(yàn)室有限元軟件讀入，并運(yùn)用該軟件首先進(jìn)行網(wǎng)格的平推，同時根據(jù)實(shí)際模型的長度來確定平推的距離和方向。根據(jù)工程基本資料為模型進(jìn)行網(wǎng)格材料、開挖單元和開挖次序的劃分。結(jié)合坪頭地下工程實(shí)例中我們可以將0劃分為圍巖單元，1—7分別代表7個開挖次序。如圖3-2所示：圖3.2開挖分期4、將生成的三維模型保存為“坪頭模型.dat”的前處理文件，然后將該文件轉(zhuǎn)化為FLAC3D可以識別的后綴名為“.FLAC3D”的數(shù)據(jù)文件。5、需要注意的是要實(shí)現(xiàn)其他軟件三維模型的導(dǎo)入，首先需要了解FLAC3D的網(wǎng)格單元數(shù)據(jù)格式。FLAC3D遵從的是點(diǎn)（GRIDPOINT）、單元（ZONE）、組（GROUP）自上而下的網(wǎng)格建立模式，即在建立實(shí)體模型的同時，軟件自動完成該實(shí)體的剖分，并以點(diǎn)、單元和組的形式保存下來。因此，采用其他軟件導(dǎo)入時，只要將這些軟件輸出的網(wǎng)格數(shù)據(jù)中的單元節(jié)點(diǎn)按FLAC3D單元的節(jié)點(diǎn)編號順序重新組合，就可轉(zhuǎn)換為符合FLAC3D網(wǎng)格數(shù)據(jù)形式的文件。最終生成的坪頭地下工程三維模型計(jì)算網(wǎng)格一共剖分了32584個8節(jié)點(diǎn)的空間單元，34863個空間節(jié)點(diǎn)，且模型分7期開挖，共6種網(wǎng)格材料。圖3.3有限元軟件建模圖3.4有限元軟件建立的開挖單元圖3.5導(dǎo)入FLAC3D形成的模型圖3.6導(dǎo)入FLAC3D形成的開挖單元第4章模型結(jié)果分析數(shù)值計(jì)算軟件的后處理功能通常是指查看分析的結(jié)果，包括圖形化的輸出和數(shù)據(jù)的輸出[11]。FLAC3D具有強(qiáng)大的模型結(jié)果分析功能，可以輸出包括云圖、矢量圖、曲線、動畫等各種格式的結(jié)果。在對建立的模型進(jìn)行前處理之后，本章我們可以簡單地對模型進(jìn)行相應(yīng)的后處理以指導(dǎo)設(shè)計(jì)等工作。在坪頭模型中，從廠房縱軸線方向看，各機(jī)組段位移、應(yīng)力等分布情況與2#機(jī)組段基本相同。因此我們選取2#機(jī)組所在斷面進(jìn)行分析與計(jì)算，基本能代表整個廠房的分布規(guī)律，此時計(jì)算范圍為沿Y軸方向從-26.4到-19.2，并輸出模型的位移云圖和主應(yīng)力云圖。4.1模型位移云圖圖4.1第1期位移云圖圖4.2第4期位移云圖圖4.3第6期位移云圖圖4.4第7期位移云圖表4.12#機(jī)組段洞周位移變化（位移單位：cm）分期部位2#機(jī)組段一二三四五六七主廠房頂拱3.52.82.42.62.22.42.4上游1.23.34.71.22.24.24.5下游1.23.95.81.22.24.24.6主變洞頂拱0001.61.31.31.4上游0000.31.93.03.1下游0000.62.64.44.51、從圖4.1、圖4.2、圖4.3、圖4.4中，我們可以發(fā)現(xiàn)三維模型整體上沒有大的位移變化，而在洞室群附近特別是主廠房底座處產(chǎn)生的位移相對較大，主變洞處主要是其下游邊墻變位相對較大。2、由表4.1可知第一期開挖后，2#機(jī)組段主廠房頂拱的最大位移值較大，且后期開挖頂拱位移逐漸回彈，隨開挖過程中邊墻臨空面逐漸擴(kuò)大，上下游邊墻位移逐步增大。3、洞室開挖過程中位移變化規(guī)律正常，受地質(zhì)條件和初始地應(yīng)力場的影響，除主廠房下游邊墻的位移值偏大外，其它部分的洞周位移值基本都在合理范圍內(nèi)，對這些部位應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測與支護(hù)。4.2模型主應(yīng)力云圖圖4.5第1期最大主應(yīng)力云圖圖4.6第1期最小主應(yīng)力圖圖4.7第4期最大主應(yīng)力云圖圖4.8第4期最小主應(yīng)力圖圖4.9第6期最大主應(yīng)力云圖圖4.10第6期最小主應(yīng)力圖圖4.11第7期最大主應(yīng)力圖圖4.12第7期最小主應(yīng)力圖1、從圖4.5~圖4.12可知，第1期開挖后，主廠房頂拱的第一主應(yīng)力在-11.2MPa～-14.8MPa，第三主應(yīng)力在-2.2MPa～-3.1MPa之間，拱座處壓應(yīng)力值達(dá)到-31.9MPa。且第1到3期的開挖過程中，頂拱第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力均有小幅增加。第4期開挖后，主廠房頂拱應(yīng)力相對較小，第一主應(yīng)力在-8.5MPa～-10.0MPa范圍內(nèi)，第三主應(yīng)力在-1.5MPa~-2.5MPa范圍內(nèi)，拱座應(yīng)力達(dá)到-14.19MPa。到第七期開挖完畢，位于主廠房上游邊墻中部的拱座處壓應(yīng)力達(dá)到-32.95MPa。同時主變室尺寸較小，應(yīng)力相對較小，開挖完成后，第三主應(yīng)力大約在-0.5MPa～-2.5MPa范圍內(nèi)。2、從主應(yīng)力云圖的分布規(guī)律看，應(yīng)力場基本上反應(yīng)了地形地貌對初始應(yīng)力場的影響。地應(yīng)力場的主應(yīng)力云圖隨山體地形變化而變化，梯度變化均勻，說明整個初始應(yīng)力場分布較均勻。3、隨著洞室群的逐步開挖，通過對比最大主應(yīng)力圖，我們可以發(fā)現(xiàn)三維模型整體上處于受壓的狀態(tài)，在洞室群開挖處進(jìn)行錨固支護(hù)后圍巖狀態(tài)良好與開挖之前最大主應(yīng)力沒有太大的變