地下廠房圍巖蠕變參數(shù)反演研究

地下廠房圍巖蠕變參數(shù)反演研究

1地質(zhì)及地質(zhì)條件的研究隨著土木工程反演理論的發(fā)展，土木工程設(shè)計(jì)和施工的理論和實(shí)踐逐漸發(fā)展起來。它根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)分析結(jié)果,通過反算的方法得到巖土體的力學(xué)參數(shù)和地應(yīng)力場(chǎng)。目前,隨著我國(guó)西部重大水利水電工程的陸續(xù)開工建設(shè),為獲得巖土體更真實(shí)的力學(xué)參數(shù)和應(yīng)力場(chǎng),反演方法得到了越來越多的應(yīng)用和發(fā)展,尤其是在巖土工程原始應(yīng)力場(chǎng)和力學(xué)參數(shù)方面做了很多研究性的工作。江權(quán)等針對(duì)錦屏二級(jí)水電站,提出了結(jié)合彈塑性計(jì)算、地層剝蝕模擬和進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的地應(yīng)力場(chǎng)非線性反演方法,模擬分析了廠址區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)的遠(yuǎn)古構(gòu)造過程和地表剝蝕過程以及廠址區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分布特征。羅潤(rùn)林等在研究粒子群算法原理以及地應(yīng)力反演方法的基礎(chǔ)上,基于FLAC軟件編制了反演程序,并對(duì)錦屏二級(jí)水電站巖體初始地應(yīng)力進(jìn)行反演研究。付成華等結(jié)合溪洛渡水電站工程,基于有限單元法基本原理,對(duì)回歸分析方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法在地應(yīng)力反演中的應(yīng)用進(jìn)行了分析研究。姚顯春等根據(jù)拉西瓦水電站地下廠房現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果與開挖過程的圍巖變形監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行系統(tǒng)反演分析,確定廠房區(qū)三維地應(yīng)力場(chǎng),為后續(xù)廠房開挖圍巖變形作出可靠預(yù)測(cè)。賈善坡等通過大崗山大型水電工程地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料,對(duì)地下廠房區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)和力學(xué)參數(shù)進(jìn)行反演分析,提出Nelder-Mead法與有限元聯(lián)合反演法,對(duì)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行求解。工程巖體蠕變參數(shù)是大型地下工程反演研究的一項(xiàng)重要內(nèi)容。隧洞開挖施工時(shí),由于巖體變形并非瞬時(shí)完成,為分析地下巖體工程的長(zhǎng)期穩(wěn)定性,合理確定蠕變參數(shù)至關(guān)重要。雖然通過室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)和蠕變?cè)囼?yàn)也能獲得巖體力學(xué)基本參數(shù)和蠕變參數(shù),但由于受尺寸效應(yīng)和原巖體現(xiàn)場(chǎng)條件等諸多因素的影響,往往不能很好地反映實(shí)際巖體性能。近年來,S.Sakurai等[6~10]通過工程現(xiàn)場(chǎng)施工過程反饋的監(jiān)測(cè)資料,應(yīng)用不同方法來反演獲取工程巖體的蠕變力學(xué)參數(shù)。本文依托錦屏二級(jí)水電站大型地下廠房工程,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)長(zhǎng)期的位移監(jiān)測(cè)資料,通過建立實(shí)際施工開挖過程的計(jì)算模型和蠕變本構(gòu)模型來反演圍巖體的蠕變及其他力學(xué)參數(shù),為后續(xù)研究大型地下洞室群的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性提供理論依據(jù)。2項(xiàng)目總結(jié)2.1主變洞室?guī)r石學(xué)特征錦屏二級(jí)水電站位于四川省雅礱江干流錦屏大河灣上,利用雅礱江卡拉至江口下游河段150km長(zhǎng)大河灣的天然落差,獲得水頭約310m。電站總裝機(jī)容量4800MW,單機(jī)容量600MW,額定水頭288m,是雅礱江上水頭最高、裝機(jī)規(guī)模最大的水電站。工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房三大部分組成。地下發(fā)電廠房位于雅礱江錦屏大河灣東端的大水溝。設(shè)計(jì)為主廠房和主變室2大洞室:主廠房尺寸為352.4m×28.30m×72.20m(長(zhǎng)×寬×高);主變洞尺寸為374.60m×19.80m×31.40m(長(zhǎng)×寬×高),位于主廠房下游45m處。水電站廠址區(qū)域山體雄偉,地形起伏較大,高程1330~1600m,坡度一般可達(dá)50°~70°,沿江形成了一系列陡壁。地下廠房置于巖性為微風(fēng)化狀T52y-1灰黑色中厚層細(xì)晶大理巖和T42y灰綠色條帶狀云母大理巖中。T52y-1多為中厚~厚層塊狀,圍巖完整性較好,且穩(wěn)定條件較好;T42y層由于層理發(fā)育,且層面裂隙中多處見有暗色礦物形成的軟弱夾層,圍巖穩(wěn)定條件一般。地下廠房區(qū)域所在巖體完整性以一般為主,局部較完整或較破碎~破碎,如在f16,f17,f24,f35,f36,f37,f41,f56和f60等斷層發(fā)育部位、裂隙密集帶及巖體破碎部位易形成掉塊或坍塌,與其他不利結(jié)構(gòu)面切割組合。二洞室方案的主廠房無I,V類圍巖,主要以III類圍巖為主,占總洞長(zhǎng)的83.5%;主變洞位于主廠房洞外側(cè)45m,洞室圍巖為弱風(fēng)化狀T42y條帶狀云母大理巖和T52y-1灰黑色中厚~厚層細(xì)晶大理巖。廠房圍巖質(zhì)量中等偏差,經(jīng)加強(qiáng)支護(hù)處理后,具備修建大型地下洞室的地質(zhì)條件。2.2主變室地面鉆孔位移分布截至2009年7月底,主副廠房洞第VII層開挖基本完成,廠右0+140~232段下游側(cè)保護(hù)層待開挖。目前主要進(jìn)行主副廠房EL.1313.9m以上剩余支護(hù)施工及進(jìn)行3#~6#機(jī)窩開挖與支護(hù)。主變洞已于2009年2月23日基本完成開挖。斷面1–1(廠右0+000)地層巖性為灰黑色中厚~厚層塊狀大理巖,巖層產(chǎn)狀N25#E/NW∠85°~90°,上游側(cè)有f65斷層,下游側(cè)有f68斷層通過,圍巖分類為III類。截至2009年7月底,斷面1–1共埋設(shè)多點(diǎn)位移計(jì)11套。由位移監(jiān)測(cè)成果可知:(1)該斷面主廠房孔口累計(jì)最大位移為44.48mm,位于上游邊墻的多點(diǎn)位移計(jì)MCF0+000–1,位移變化量較小,基本穩(wěn)定;多點(diǎn)位移計(jì)各測(cè)點(diǎn)均比較穩(wěn)定,位移變化量較小,該斷面位移基本穩(wěn)定。(2)主變室下游側(cè)D2–2預(yù)埋多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)位移較大,為70.09mm,本月變化速率達(dá)0.29mm/d,其余部位實(shí)測(cè)位移變化均較小,該斷面圍巖變形基本穩(wěn)定。斷面1–1主廠房多點(diǎn)位移計(jì)實(shí)測(cè)得到的位移分布和變化時(shí)程曲線如圖1,2所示。多點(diǎn)位移計(jì)MCF0+000–1的孔底樁號(hào)為廠右0+000、廠上0+012.95,孔底高程:1348.20m;部位:廠房上游邊墻(二層排水廊道預(yù)埋),測(cè)點(diǎn)最大埋深:27.5m,于2007年11月12日埋設(shè)完畢。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)測(cè)成果及工程施工進(jìn)度,選取最近監(jiān)測(cè)得到的主廠房和主變室斷面主要控制點(diǎn)作為反演數(shù)據(jù),如圖3所示。3反演方法和數(shù)據(jù)處理3.1位移值的計(jì)算采用位移反分析法,利用現(xiàn)場(chǎng)位移測(cè)量資料反演分析地下工程圍巖體的蠕變及其他力學(xué)參數(shù)。待反演參數(shù)可以表示為式中:m為待求參數(shù)的總個(gè)數(shù)。通過測(cè)量手段可得到測(cè)點(diǎn)處的相對(duì)位移或絕對(duì)位移,表示為式中:u10,u20,…,un0為各測(cè)點(diǎn)處的位移實(shí)測(cè)值;n為測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)。巖土體位移U是變量X的函數(shù),即U=f(x1,x2,…,xn);給定待求參數(shù)X初始值,通過數(shù)值計(jì)算,由這些初始參數(shù)可以得到測(cè)點(diǎn)處的位移計(jì)算值,即式中:u1,u2,…,un為各測(cè)點(diǎn)處的位移計(jì)算值。保證各力學(xué)參數(shù)取值在允許范圍內(nèi)時(shí),優(yōu)化各力學(xué)變量,使得各種工況下的有限元計(jì)算結(jié)果和相應(yīng)點(diǎn)原位觀測(cè)值的差值的平方和最小。在數(shù)學(xué)上用誤差函數(shù)來表示:材料參數(shù)在一定的允許范圍內(nèi),約束條件為式中:ximin和ximax為材料參數(shù)的允許范圍,可根據(jù)相關(guān)室內(nèi)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)獲得。參數(shù)優(yōu)化反演的過程就是尋找一組材料參數(shù){X*},使下式成立:位移反演的優(yōu)化解法認(rèn)為,當(dāng)誤差函數(shù)Ψ取得最小極值時(shí),計(jì)算用的材料參數(shù)X*即可視為現(xiàn)場(chǎng)巖體的材料參數(shù)。3.2位移反演的基本原理在巖土工程領(lǐng)域,常利用工程現(xiàn)場(chǎng)量測(cè)得到的反映系統(tǒng)力學(xué)行為的某些物理量來推算該系統(tǒng)的一些參數(shù),通常是基于實(shí)測(cè)位移反求力學(xué)參數(shù),把參數(shù)反演問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)目標(biāo)函數(shù)的尋優(yōu)問題。設(shè)在t0時(shí)刻隧道不同斷面和位置處有m個(gè)測(cè)點(diǎn),經(jīng)過n個(gè)時(shí)間間隔,可觀測(cè)到mn個(gè)相對(duì)于t0時(shí)刻各測(cè)點(diǎn)初讀數(shù)的增量位移序列,即在實(shí)際觀測(cè)中比較方便的做法是觀測(cè)兩點(diǎn)之間的相對(duì)位移,得到的是測(cè)線收斂值序列,即設(shè)測(cè)線L的兩端點(diǎn)為P1和P2,與y軸的夾角為θ,點(diǎn)P1和P2處的計(jì)算位移分別為和,則由圖4可求得測(cè)線L的計(jì)算收斂值為式中:ΔLc為有限元計(jì)算所得的位移收斂值?；跍y(cè)線相對(duì)變形數(shù)據(jù),采用最小二乘法建立反分析的目標(biāo)函數(shù),即式中:ΔLmji和ΔLcji分別為同一測(cè)線的相對(duì)位移實(shí)測(cè)值和計(jì)算值。待反演參數(shù)包含在目標(biāo)函數(shù)的ΔLcji中,由于ΔLcji不存在顯式表達(dá)式,黏彈塑性的位移反演問題是隱式非線性問題,因此,無法采用收斂速度較快的梯度法優(yōu)化求解,一般只能采用直接尋優(yōu)解法。根據(jù)上述思想,基于MATLAB軟件,結(jié)合精確罰函數(shù)法以及Nelder-Mead優(yōu)化算法,編制了相應(yīng)的位移反分析計(jì)算程序,并對(duì)錦屏二級(jí)水電站地下廠房力學(xué)蠕變參數(shù)反演研究。位移反分析計(jì)算程序及方法詳見賈善坡等的研究。4圍巖塑性參數(shù)的建議值、區(qū)域化及主要控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移值依據(jù)錦屏二級(jí)水電站地形地勢(shì)圖,建立二維數(shù)值計(jì)算模型,如圖5所示,并考慮了f16,f41和f65等斷層的影響。廠址區(qū)圍巖與結(jié)構(gòu)面物理力學(xué)參數(shù)的建議值如表1所示。采用經(jīng)驗(yàn)型的蠕變方程形式,即式中:εc為蠕變應(yīng)變;P1,P2,P3均為待定參數(shù),通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反演得到;σ為應(yīng)力(MPa);t為時(shí)間(s)。取地下廠房圍巖體中厚層大理巖(T5-12y)的彈性模量、內(nèi)摩擦角和黏聚力、蠕變待定參數(shù)P1,P2,P3以及側(cè)壓力系數(shù)λ作為待反演參數(shù),其區(qū)間和初始值如表2所示。主要控制點(diǎn)的監(jiān)測(cè)位移值如表3所示。由于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)多于待反演參數(shù),反演結(jié)果具有唯一性。5工進(jìn)度中內(nèi)裝植物的開挖錦屏二級(jí)水電站地下廠房的二洞室開挖順序如表4所示,考慮到目前施工進(jìn)度中主廠房VIII層和二洞室之間的母線洞并未施工開挖。因此,本文所建模型中主廠房也是開挖到第VII層,數(shù)值模擬也未考慮到母線洞的開挖。錦屏二級(jí)水電站地下廠房的分步開挖順序如圖6所示。6優(yōu)化后的支護(hù)效果通過計(jì)算,優(yōu)化程序迭代211次,調(diào)用ABAQUS計(jì)算563次。反演結(jié)果如表5,6所示。由表6可知,大部分反演結(jié)果與實(shí)測(cè)值誤差均在8%以內(nèi),反演所得的測(cè)點(diǎn)位移也與實(shí)測(cè)值非常接近,測(cè)點(diǎn)C8結(jié)果失真,這可能是該測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)有誤的原因。總體而言,Nelder-Mead法局部搜索能力較強(qiáng),反演參數(shù)的精度較高。從反演結(jié)果來看,彈性模量和內(nèi)摩擦角基本在III類圍巖參數(shù)范圍內(nèi),反演的黏聚力c值較高,為2.33MPa,由于本文還考慮到蠕變參數(shù)的反演,因此本次反演結(jié)果符合工程實(shí)際。地下廠房參數(shù)反演后得到的錨桿應(yīng)力結(jié)果與大部分實(shí)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)較為一致。主廠房和主變室之間的高預(yù)應(yīng)力錨索的結(jié)果對(duì)比如圖7所示。由圖7可知,反演與實(shí)測(cè)結(jié)果較為相近。圖8~10分別為反演后得到的圍巖體位移、應(yīng)力和塑性區(qū)分布云圖。主廠房最大位移分布在開挖III邊墻處,為4.67cm;在主廠房和主變室的邊墻部位出現(xiàn)了較大的拉壓應(yīng)力,最大拉應(yīng)力為3.2MPa,最大壓應(yīng)力為23.7MPa;這些部位均出現(xiàn)較大的塑性屈服,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.53×10-3。7圍巖模型材料反演研究根據(jù)錦屏二級(jí)水電站地下廠房施工階段的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料,建立了反映施工開挖過程的計(jì)算力學(xué)模型,采用基于Nelder-Mead優(yōu)化搜索算法的位移反分析計(jì)算程序,對(duì)水電站地下廠房圍巖體力學(xué)蠕變參數(shù)進(jìn)行了反演研究,初步得到以下結(jié)論:(1