下载文档原格式
第20卷 第1期岩石力学与工程学报20(1):6～10 2001年1月Ch inese J ou rna l of R ock M echan ics and E ng ineering J an.,2001FLAC-3D进行三峡船闸高边坡稳定分析3寇晓东 周维垣 杨若琼(清华大学水利水电工程系 北京 100084)摘要 首先介绍了FLA C23D的基本原理及其特点,然后将其应用于三峡船闸高边坡开挖过程的应力变形分析和稳定分析。
结果说明船闸结构是稳定的。
关键词 FLA C23D,显式有限差分法,大变形,三峡船闸高边坡分类号 O242,TV691,TD824.7 文献标识码 A 文章编号 100026915(2001)01200062051 概 述长江三峡水利枢纽永久船闸位于长江的左岸,总长为6442m,其中闸室段长1607m,上游引航道2113m,下游引航道2772m。
总水头113m。
为双线连续五级船闸,船闸位于坛子岭以北约200m的山体中,系在山体中深切开挖而成,船闸基岩为花岗岩,开挖后两侧形成岩质高边坡,最大开挖深度达170m。
开挖引起的岩体卸荷,将导致边坡的变形和应力重分布,对岩坡的稳定和安全性产生影响。
由于三峡永久船闸的重要性和很高的运行要求,对其进行开挖稳定与变形分析是非常重要的一个环节。
FLA C23D[1](Fast L agrangian A nalysis of Con tinua in3D i m en si on s)是由美国Itasca Con su lting Group Inc开发的三维显式有限差分法程序,它可以模拟岩土或其他材料的三维力学行为[2]。
FLA C23D将计算区域划分为若干六面体单元,每个单元在给定的边界条件下遵循指定的线性或非线性本构关系,如果单元应力使得材料屈服或产生塑性流动,则单元网格及结构可以随着材料的变形而变形,这就是所谓的拉格朗日算法,这种算法非常适合于模拟大变形问题。
三峡船闸高边坡岩体的细观损伤及长期稳定性研究随着人类使用水力发电的逐步增加，三峡船闸作为放水及水流控制工程的重要组成部分，也逐渐得到了广泛的应用，但是作为大型建筑结构，其稳定性和安全性问题一直是工程实践中的难点。
在船闸高边坡岩体发生细微损伤后，岩体局部的强度将受到影响，长期发展下可能引起岩体稳定性问题，因此必须进行深入的研究。
本文旨在探讨三峡船闸高边坡岩体的细观损伤及长期稳定性问题。
一、船闸高边坡岩体损伤机理分析船闸高边坡岩体的损伤机理主要包括裂隙扩展、力学性质的改变和孔隙压力等。
引起裂隙扩展的主要原因为岩体受到剪切应力、张力或压力等作用下其内部的裂纹逐渐扩展，最终导致局部的断裂。
岩体内部的应力状态会影响其物理性质，而岩体的物理性质会进一步影响其力学性质，从而导致其局部的力学性质的改变，这将进一步加速细观损伤的发展。
孔隙压力是另一个引起岩体损伤的重要因素，其来源包括岩体内部的化学反应、温度变化、流体运动等。
二、船闸高边坡岩体的细观损伤分析船闸高边坡岩体的细观损伤是指岩体内部的细小裂缝、微孔隙等小尺度结构的变化。
岩体内部存在的微观缺陷常常会带来宏观的影响，进而导致岩体的断裂或塌方等事故的发生。
因此，对岩体内部的微观结构进行“体视图”研究，可揭示岩体内在的结构和自身的物理机制。
本研究采用物理实验与数值模拟相结合的方法来对船闸高边坡岩体的细观损伤进行分析。
1.物理实验本研究采用岩石力学试验系统（Instron）对不同应力下的岩样进行拉伸实验、剪切实验以及压缩实验，并分析不同应力下岩样内部的裂缝分布及扩展情况。
实验结果显示，当岩样受到较大的拉伸应力时，岩体内部裂缝比较难产生，但是当岩样受到较大的压缩应力时，岩体内部的裂隙有较大概率发生。
此外，在铲洞区，由于它的明显偏离切线方向，很容易导致主裂隙产生，并且与此同时，大量的细小裂纹沿着主裂隙扩展，导致岩样的劣化。
2.数值模拟本研究采用有限元分析软件（Abaqus）对不同应力情况下船闸高边坡岩体的应力场分布、应变场分布及细观结构的演化进行模拟研究。
第23卷 第7期岩石力学与工程学报 23(7)：1078～10812004年4月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering April ，20042002年6月18日收到初稿，2002年7月24日收到修改稿。
三峡船闸边坡卸荷扰动区范围及岩体力学性质弱化程度研究周火明 盛 谦 李维树 肖国强(长江科学院岩基研究所 武汉 430010)摘要 采用岩体声波测试和现场岩体变形试验等手段，研究了三峡船闸边坡卸荷扰动区范围以及岩体力学性质弱化程度和岩体力学参数取值。
研究成果表明，强、弱卸荷区岩体性状弱化程度分别为60%和30%左右。
关键词 岩石力学，三峡船闸边坡，卸荷扰动区，弱化，声波测试，变形试验分类号 TU 457 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)07-1078-04EXCAVATION-DISTURBED ZONE AND WEAKEN DEGREE OF MECHANICALPROPERTIES FOR ROCKMASS OF TGP SHIPLOCK SLOPEZhou Huoming ，Sheng Qian ，Li Weishu ，Xiao Guoqiang(Yangtze River Scientific Research Institute ， Wuhan 430010 China )Abstract By means of acoustic wave test and in-situ deformation test of rockmass ，the excavation-disturbed zone and weaken degree of mechanical properties for the rockmass of the Three Gorge Project(TGP) shiplock slope are studied ，and the mechanic al parameters for disturbed zone rockmass are determined. The study results show that the weaken degree of strongly disturbed zone is 60% and that of weakly disturbed zone is 30%. Key words rock mechanics ，TGP shiplock slope ，excavation-disturbed zone ，weaken degree ，acoustic wave test ，deformation test1 引 言三峡永久船闸边坡最大坡高170 m ，主要岩性为闪云斜长花岗岩，保证足够的稳定和控制适当的变形是本工程的主要技术问题。
收稿日期:2004-01-15作者简介:刘祖强,男,长江水利委员会设计院三峡勘测研究院工程测量处主任工程师,高级工程师。
文章编号:1001-4179(2004)05-0003-03三峡永久船闸直立坡岩体变形监测与变形分析刘祖强 张 潇 施云江(长江水利委员会三峡勘测研究院,湖北宜昌443003)摘要:众多不同类的监测仪器设备和长时间的观测资料,较全面地揭示了三峡永久船闸直立坡岩体的变形规律,在分析了大地测量点、滑动变形计、钻孔测斜仪和多点位移计的观测资料后,认为直立坡岩体整体稳定性良好。
实测直立坡顶最大水平位移为32.72mm ;直立坡深层岩体的水平和竖向位移分布符合一般变形规律;统计模型分析表明,中隔墩侧直立坡岩体时效变形远小于边坡侧直立坡岩体;微新岩体上测点的时效变形小于强风化岩体上的测点。
此外,北坡三闸首的观测成果说明,在槽挖结束后的第5个月开始浇筑混凝土是合理的。
关 键 词:变形监测;变形分析;岩体变形;永久船闸;三峡水利枢纽中图分类号:T V698.11 文献标识码:A1 概述长江三峡水利枢纽永久船闸为双线连续五级船闸,它位于长江左岸坛子岭北侧。
船闸总水头113m ,闸室主体段总长1621m 。
船闸是在山体岩石中深切开挖修建的人工河道,最大开挖深度176m ,其中闸槽直立坡最大开挖深度68m ,两线船闸中心线相距94m ,中间为底宽57m 的岩石隔墩,由于船闸薄壁衬砌墙依附于岩体,使边坡岩体成为结构的组成部分。
第一期开挖至高程170m ,于1994年4月17日开工,1995年12月23日完成主体段开挖,完成总挖方量约1669万m 3。
第二期两线闸槽开挖,自1996年4月开工,至1999年9月主体段开挖完成,部分监测断面1999年2月至1999年4月完工,开挖总方量约2354万m 3。
地面混凝土工程自1998年9月开工,至2002年6月底,主体段和下游引航道混凝土浇筑全部完成。
永久船闸于2003年6月16日开始1a 的试运行期。
三峡永久船闸高边坡开挖中的岩石力学问题
董学晟
【期刊名称】《长江科学院院报》
【年(卷),期】2001(018)005
【摘要】三峡永久船闸是深切山体建造的,开挖形成了双向岩石高陡边坡,其规模巨大,由此带来的边坡稳定问题引起世人普遍关注.回顾高边坡施工开挖6年中发生的边坡成型困难、岩体开裂和塌方等情况,及研究采取对策、解决问题的过程,对岩体开裂和塌方等问题的原因进行了岩石力学分析,提出了几点经验,可供其它类似工程参考.
【总页数】5页(P48-52)
【作者】董学晟
【作者单位】长江科学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU452;TV554.13
【相关文献】
1.三峡永久船闸高边坡稳定性几个问题的分析 [J], 陈德基;王军怀;余永志;马能武
2.三峡永久船闸高边坡预应力锚索施工中几个问题的处理 [J], 涂传军
3.关于三峡永久船闸高边坡快速施工地质超前预报的几个问题 [J], 徐卫亚;王思敬
4.三峡永久船闸高边坡开挖及加固支护设计 [J], 徐年丰
5.三峡永久船闸高边坡开挖三维离散元数值模拟 [J], 李世海;高波;燕琳
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
文章编号：（2003）-02-09三峡永久船闸地面开挖施工质量控制及评价吕邦华（中南勘测设计研究院三峡建设监理中心）【摘要】永久船闸基本形态为二条平行的深槽，槽二侧均为90o直立边坡，整个边坡最大开挖高度176m。
监理对开挖施工阶段的质量控制按照事前控制、过程控制和终控三个阶段展开。
基础开挖完成后，基础验收工作分基础初验和终验两个阶段进行。
根据2851个单元工程的质量评定结果统计，合格率100%，优良率90.82%。
基础开挖工程质量属优良。
【关键词】三峡永久船闸地面开挖质量控制及评价1 工程概况1.1 工程简述永久船闸二期工程开挖为船闸主体段开挖，其基本形态为二条平行的深槽，槽宽37m（闸首段大于37m）。
二槽间保留有宽57m中隔墩，槽二侧均为90o直立边坡。
主体段开挖桩号为X=14980~16637。
整个开挖工程在上下游划分为二个标段，其标段分界线桩号为X=15631。
1.2 地质简况永久船闸区域岩体为闪云斜长花岗岩。
系强度高均一性好的酸性岩浆岩，但其中穿插有片岩捕虏体和多种岩脉。
槽挖岩体为弱下微新花岗岩。
船闸区为前震旦纪古老花岗岩，经受过多次地质构造运动，经受了多次损伤。
先期构造运动形成区内地质断裂，后期构造运动又形成新的断裂，使区域内断裂构造多达20组以上。
断层、裂隙、节理等结构面发育。
断层按走向可分为四组：NE-NEE组，NNW组，NNE组NW-NWW组。
断层破碎带除NNW组胶结较好外，余皆胶结较差。
裂隙发育的特征：陡倾角占70%以上，缓倾角不足10%。
但四闸首以下北东向缓倾角裂隙较多。
裂隙面平直稍粗型为主，无充填和钙质充填为主。
裂隙面紧密接触密合为主。
闸室底板水平地应力10MPa左右，方向NW40o，与船闸轴线交角29 o。
开挖后方向转向与船闸轴线近正交。
1.3 工程特点（1）永久船闸结构为岩锚+砼薄衬砌结构。
边坡最大开挖高度176m，为上缓下陡高边坡，下部直立墙最大高度67.5m。
开挖爆破施工引起边坡的松弛和影响高边坡的稳定。
收稿日期:19972072073国家自然科学基金专题( 2425)及院科学技术基金资助项目(96210)作者简介:李端有 男 长江科学院大坝安全监测研究所 高级工程师 主要从事大坝安全监测研究工作三峡永久船闸开挖边坡岩体力学参数反分析3李端有 李 迪 马水山(大坝安全监测研究所)摘 要 采用基于人工神经网络的边坡位移反分析方法,取得了三峡永久船闸开挖边坡多介质岩体的宏观等效弹性模量,并利用各层等效弹性模量进行了有限元正分析计算,预测了三峡永久船闸开挖边坡下一开挖阶段的应力及变形发展趋势。
关键词 三峡工程 永久船闸 开挖边坡 位移反分析 神经网络 均匀设计0 概 述由于岩体的不连续性、不均匀性和明显的尺度效应,以及工程区域岩体的地应力及岩体力学参数也伴随着岩体的开挖而发生改变,因此人们研究利用岩体现场量测信息来确定各类力学数值计算模型的参数[1～3]。
必须指出,反分析所取得的力学参数,是岩体的宏观等效参数。
1 力学参数反分析样本的设计1.1 船闸布置及工程地质条件三峡永久船闸为双线连续五级船闸,布置于枢纽左岸坛子岭左侧一带山体中,船闸中心线方向为SE 110°58′08″,与轴线夹角为67.42°。
船闸线路总长6442m ,主体结构段长1607m ,每闸室平面有效尺寸为280m ×34m 。
两组船闸中心线相距94m ,中间保留60m 宽的中隔墩。
船闸闸室是在山体中开挖深槽形成,从上游至下游呈阶梯状,两侧开挖边坡高度一般为70～120m ,最高达170m 。
其中闸室段墙顶以下垂直边坡高为50～70m 。
船闸座落在坚硬的闪云斜长花岗岩上,岩性在总体上比较完整,整体强度高,断层、裂隙以陡倾角为主,主要断层、岩脉走向与边坡走向间的夹角多大于30°,断层以长50～100m 、宽小于1m 的陡倾角 级结构面为主,以走向NNW 、倾向S W 、倾角65～75°断层最发育,走向N EE 次之。
裂隙统计表明,裂隙走向分为N EE ,NNW ,NN E ,NNW 4组,缓倾角裂隙不发育。
按风化程度,永久船闸区岩体可分为全强风化、弱风化、微风化及新鲜岩体等几种介质,全强风化岩体厚度约9～34m ,弱风化岩体厚约8～22m 。
1.2 基于神经网络的边坡位移反分析方法基于神经网络[4]的反分析优化方法可以较好地解决多参数反分析的问题。
结合均匀试验设计方法[5],使有限元正分析的数值计算过程与反分析优化过程分离,正分析次数确定,数值计算工作量大为减小。
利用多层前馈神经网络及其反转算法,可建立起边坡位移与边坡力学参数的多元输入与输出的连续映射关系[4]。
实现步骤(图1):(1)组织网络训练样本。
依据室内及现场原型力学试验成果,选取力学参数的样本取值区间。
将这一区间的力学参数给予一定的变化水平,依据均匀设计方法,选取力学参数的组合。
一组力学参数,对应一个正分析方案,亦即一组神经网络训练样本。
(2)以正分析求解的有现场量测位移节点的计算位移为训练网络的输入矢量,对应的边坡岩体力学参数为训练网络的输出矢量。
用训练样本集训练网络,当网络总误差达到一定的精度,即认为网络训练成功。
(3)将现场量测位移输入训练好的网络,网络输出即为边坡岩体待求的宏观等效力学参数。
1.3 位移反分析力学参数样本的设计永久船闸17217监测断面(15+675m )为重点第15卷第2期长 江 科 学 院 院 报V o l .15N o.21998年4月Journal of Yangtze R iver Scientific Research Institute A p r .1998a网络训练b网络预测图1 基于神经网络的边坡位移反分析方法实现简图监测断面,一期开挖边坡达高80余m,为最高边坡,选此断面为研究对象。
根据岩体力学试验及相关的研究成果①,边坡3个不同风化带的物理力学参数取值范围如表1所示。
表1 岩体物理力学参数取值岩体分区弹性模量E M Pa泊桑比Λ重 度Χ kN・m-3微新岩体20000～600000.2227.0弱风化岩体10000～200000.2426.8全、强风化岩体50～10000.3226.0 按均匀试验设计的方法,将永久船闸开挖边坡3个不同风化带岩体的弹性模量考虑为试验的3个因素,并将其划分为21个水平,查均匀设计表U321 (217)得到正分析的弹性模量组合方案(表2)。
上述21个正分析方案的弹性模量集合{E1i,E2i,E3i}即为神经网络训练的输出目标矢量,由正分析计算出的边坡系统部分空间点(有现场量测位移测点)的位移集合{X j i},即为网络训练的输入矢量。
表2 正分析的弹性模量组合方案M Pa方案微新弱风化全强风化E1E2E3方案微新弱风化全强风化E1E2E31200007000430.013440003000335.0 22200014000857.5144600010000762.5 32400021000240.0154800017000145.0 4260006000667.516500002000572.5 5280001300050.0175200090001000.0 63000020000477.5185400016000382.5 7320005000905.519560001000810.0 83400012000287.520580008000192.5 93600019000715.0216000015000620.0 1038000400097.5114000011000525.0124200018000952.52 边坡正分析的基本假定及计算条件2.1 计算剖面与有限元网格选取永久船闸17217监测断面(15+675m)计算域。
计算剖面、施工开挖顺序见图2。
计算采用坐标系:x轴向右(N E200°58′58″)为正,y轴向上为正,剪应力以逆时针方向为正。
计算域的两侧均采用法向约束条件。
计算域横宽700m,为双线底宽的5倍和地表开口的2倍;最大垂直高度为413m,为最大开挖深度的2倍。
网络单元总数为748个,节点总数为797个。
2.2 初始地应力场模拟 三峡永久船闸区初始地应力按不同的风化带分别采用不同的计算假定;对于位于三闸首的17217监测断面的岩体,其初始地应力按如下计算: 全强风化带为Ρx=-Λ1-ΛΧhΡy=-Λ1-ΛΧh (h<h1)(1)式中:h为岩体深度;h1为全强风化带的垂直向厚度;应力以拉为正、压为负,以下同。
微新岩体,采用实测回归反演的地应力场为Ρx=-4.3982-0.01168hΡy=-1.6628-0.03039h(h>h1+h2)(2) 中间弱风化带岩体为Ρ=a+bh (h1<h<h1+h2)(3) 式(3)中a,b按应力沿深度方向连续的原则,由式(1)及式(2)给定;h2为全强、弱风带厚度。
2.3 开挖过程的模拟 根据释放荷载的概念,对于开挖边界荷载的等效节点力是由预定的开挖边界上的初始地应力形成的,采用“反转应力法”,对开挖边界上的结点施加等效节点荷载。
永久船闸边坡分两期开挖。
第1期11第2期李端有等 三峡永久船闸开挖边坡岩体力学参数反分析①董学晟,夏熙伦.三峡船闸高边坡岩体及结构面力学参数和试验综合分析研究.长江科学院,1995图2 17217断面岩体材料分区、施工开挖顺序及监测仪器布置开挖包括如下开挖步:1994年12月以前的开挖为第1开挖步;1995年1月～1995年6月间的开挖为第2开挖步;1995年6月～1995年12月间的开挖为第3开挖步。
1995年12月～1996年5月为施工间歇期。
第2期开挖包括如下开挖步:1996年6月～1996年10月间的开挖为第4开挖步;161m 高程以下的开挖合并考虑为第5开挖步,该开挖步仅用作预测后期(1996年10月以后)施工开挖边坡应力状态及变形趋势。
计算荷载仅考虑上述初始地应力、开挖荷载,未计入渗流场的影响。
限于篇幅,上述21个样本的有限元正分析结点位移计算结果略去。
3 反分析结果的分析、检验与评价3.1 反分析结果分析计算域内具有表面位移监测点4个,借用邻近(15+699m )测点SX (T P BM 11GP 01),共5个表面位移测点。
深部位移测孔I N 7GP 02由于受爆破破坏影响,资料可靠性较差,I N 4GP 02附近没有表面位移测点不能进行绝对位移转换;因而深部位移增量反分析可以利用的测孔只有I N 6GP 02,M 6GP 02,两孔均穿越了风化层及微新岩体,其资料具有一定的代表性。
本文采用了如下几种不同的方案进行反分析,即表面绝对水平位移增量反分析、深部绝对垂直位移增量反分析、表面绝对水平位移与深部绝对垂直位移增量联合反分析。
3种方案的反分析结果见表3。
3.2 反分析结果的检验与评价对于反演结果的有效性和可靠性,只能利用反分析取得的力学参数进行正分析,将正分析所得到的位移值(预测值)与工程实测位移值相比较,将二者的符合程度进行统计检验。
常用的统计检验方法有多种,这里采用“后验差”的检验方法[6]。
表3 不同方案的反分析结果方 案微新岩体弹模E 1 M Pa弱风化岩体弹模E 2 M Pa全、强风化岩体弹模E 3 M Pa地表绝对位移增量21016.028150.91478.385深部绝对位移增量22818.7814295.93566.08地表+深部绝对位移增量22386.308945.88550.69网络收敛精度0.08490.1220.095 设实测数据序列为u m (i ),预测数据为u c (i ),其残差为:Ε(i )=u m (i )-u c (i ) i =1,2,…n (4) 若含S 1为量测数据均方差,S 2为残差均方差,则S 21=1n2ni =1(u m (i )-u θ)2(5)S 22=1n2ni =1(Εm (i )-Εγ)2(6) 式中u θ=1n 2ni =1[u m (i )](7)Εγ=1n2ni =1[Εm (i )](8) 后验比值C =S 1 S 2(9) 小误差概率P =P { Ε(i )-Εγ <0.6745S 1}(10) 根据式(9)及式(10)求得的C ,P 值,可按表4对反分析结果作出定性评价。
表4 反分析结果评价指标指标优合格勉强不合格P >0.95>0.80>0.70≤0.70C<0.35<0.50<0.65≥0.65 利用表面绝对水平位移增量与深部绝对垂直位移增量联合分析的结果进行了有限元正分析,求得参与反分析结点对应的位移增量,其后验差检验结果C =0.4796,P =0.909。
