本發(fā)明涉及水利水電工程領(lǐng)域，尤其涉及一種高地應(yīng)力條件下大型洞室軸線選擇方法。
背景技術(shù)：
地下洞室設(shè)計包括洞室功能設(shè)計、布置設(shè)計以及開挖支護(hù)設(shè)計，在滿足功能要求的前提下，洞室布置設(shè)計和開挖支護(hù)設(shè)計的首要目標(biāo)是確保洞室圍巖穩(wěn)定。圍巖穩(wěn)定靠兩種途徑來維系：一是巖體自穩(wěn)能力，二是支護(hù)措施，因此洞室布置設(shè)計和開挖支護(hù)設(shè)計的核心思想就是充分發(fā)揮巖體自穩(wěn)能力，以減少支護(hù)措施的使用，從而達(dá)到經(jīng)濟且安全的目的。洞室軸線選擇屬于洞室布置設(shè)計的內(nèi)容，其目的就是在滿足功能的前提下，調(diào)整洞室軸線，讓洞周巖體自穩(wěn)能力更好。
工程區(qū)任意一點的地應(yīng)力狀態(tài)可由六個獨立的地應(yīng)力分量表示，即三個正應(yīng)力分量及三個剪應(yīng)力分量，當(dāng)三個正應(yīng)力分量為主應(yīng)力時，三個剪應(yīng)力分量為0，工程區(qū)的地應(yīng)力實際上是一個空間地應(yīng)力場，如何選擇洞室軸線使得地應(yīng)力對洞室圍巖的影響最小，這個問題一直沒有很好的解決?，F(xiàn)行設(shè)計規(guī)范《水電站廠房設(shè)計規(guī)范NB/T 35011-2013》中洞室軸線選擇在7.1.3條第2款中給出了建議：高地應(yīng)力地區(qū)，洞室縱軸線走向與地應(yīng)力的最大主應(yīng)力水平投影方向呈較小夾角。這條建議只考慮了最大主應(yīng)力，沒有考慮地應(yīng)力的其他分量，顯然不能充分反映地應(yīng)力的影響。在過去的工程實踐中，較少遇到水電站廠區(qū)地應(yīng)力水平高的情況，且最大主應(yīng)力傾角普遍較小，此時最大主應(yīng)力對洞室圍巖水平方向的穩(wěn)定性起控制性作用，采用最大主應(yīng)力的水平投影方向確定洞室軸線是可行的。但隨著我國西部高山峽谷地區(qū)的水電開發(fā)，近幾年建設(shè)的高地應(yīng)力條件下的地下洞室越來越多，受地質(zhì)構(gòu)造和地形影響，存在最大主應(yīng)力傾角較大的情況，例如猴子巖水電站地下廠房區(qū)域?qū)崪y最大主應(yīng)力為36.43MPa，傾角44.5°，這種情況下最大主應(yīng)力對水平方向的影響力降低，洞室圍巖水平方向的穩(wěn)定性由各地應(yīng)力分量綜合決定，采用最大主應(yīng)力水平投影方向確定洞室軸線則不合理。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
為克服現(xiàn)有設(shè)計建議在高地應(yīng)力條件下采用最大主應(yīng)力水平投影方向作為洞室軸線的參照標(biāo)準(zhǔn)所帶來的局限性，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種新的、具有普適意義的高地應(yīng)力條件下大型洞室軸線選擇方法。
本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：高地應(yīng)力條件下大型洞室軸線選擇方法，包括以下步驟：
A、根據(jù)需要開挖地下洞室的規(guī)模進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，獲取洞室區(qū)地應(yīng)力實測資料和巖體主要結(jié)構(gòu)面特性；
B、按照地應(yīng)力大小將巖體分為三個等級，分別為低地應(yīng)力、中地應(yīng)力和高地應(yīng)力；
C、在低地應(yīng)力條件下，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面來確定洞室軸線；中地應(yīng)力條件下，以巖體結(jié)構(gòu)面為主，地應(yīng)力為輔來確定洞室軸線；高地應(yīng)力條件下，以地應(yīng)力為主，巖體結(jié)構(gòu)面為輔確定洞室軸線；
D、在高應(yīng)力條件下，以最大水平應(yīng)力作為洞室軸線選擇的參照標(biāo)準(zhǔn)，使洞室軸線與最大水平應(yīng)力方向呈小角度布置。
進(jìn)一步的是，步驟A中所勘察的巖體結(jié)構(gòu)面特性包括斷層產(chǎn)狀、優(yōu)勢節(jié)理裂隙產(chǎn)狀情況。
進(jìn)一步的是，對工程區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力水平分級時采用巖石強度應(yīng)力比來劃分，參照GB50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》中巖體初始地應(yīng)力分級方式，巖石強度應(yīng)力比小于4考慮為高地應(yīng)力。
進(jìn)一步的是，步驟C中在高地應(yīng)力條件下輔助考慮巖體結(jié)構(gòu)面時，主要考慮地質(zhì)斷層和優(yōu)勢節(jié)理裂隙，原則上以洞室軸線與斷層走向呈大角度，與優(yōu)勢節(jié)理裂隙走向呈大角度布置。
進(jìn)一步的是，步驟D中的最大水平應(yīng)力通過以下步驟進(jìn)行計算：
假設(shè)正應(yīng)力以壓為正、拉為負(fù)，剪應(yīng)力以順時針旋轉(zhuǎn)為正、逆時針為負(fù)，局部坐標(biāo)系定義為：X軸正方向為廠房軸線方向，Y軸正方向垂直于X向并指向上游，Z軸正方向豎直向上，定義洞室的三個典型剖面：橫剖面(YOZ平面)、縱剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小應(yīng)力可以由三個主應(yīng)力及主應(yīng)力方向換算得到，換算過程如下：
其中σ1、σ2、σ3分別為第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，li、mi、ni(i＝1,2,3)為主應(yīng)力方向與OXYZ坐標(biāo)系各軸夾角的三角函數(shù)，以li為例：
其中α為σ1的走向，δ為NOE平面(即XOY平面)上N向順時針轉(zhuǎn)向Y軸正向的角度，β為σ1的傾角(定義仰角為正)，mi、ni的表達(dá)式與li相同，各角度的含義對應(yīng)各主應(yīng)力的方位；
在平剖面上(XOY平面)，最大水平應(yīng)力σH和最小水平應(yīng)力σh的表達(dá)式如下：
X軸順時針轉(zhuǎn)到最大水平應(yīng)力σH的角度θ按下式計算：
按上述步驟確定最大水平應(yīng)力大小和方向，高地應(yīng)力條件下洞室軸線與最大水平應(yīng)力方向呈小角度。
本發(fā)明的有益效果是：通過理論計算、綜合分析和試驗驗證，在高地應(yīng)力條件下，采用最大水平應(yīng)力方向作為參照標(biāo)準(zhǔn)來確定洞室軸線能夠使洞周巖體的自穩(wěn)能力更強，從而可大幅降低設(shè)計風(fēng)險，減少支護(hù)措施，以達(dá)到經(jīng)濟安全的目的。
具體實施方式
以下通過實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步描述。
高地應(yīng)力條件下大型洞室軸線選擇方法，包括以下步驟：
A、根據(jù)需要開挖地下洞室的規(guī)模進(jìn)行工程地質(zhì)勘察，獲取洞室區(qū)地應(yīng)力實測資料和巖體主要結(jié)構(gòu)面特性；
B、按照地應(yīng)力大小將巖體分為三個等級，分別為低地應(yīng)力、中地應(yīng)力和高地應(yīng)力；
C、在低地應(yīng)力條件下，根據(jù)巖體結(jié)構(gòu)面來確定洞室軸線；中地應(yīng)力條件下，以巖體結(jié)構(gòu)面為主，地應(yīng)力為輔來確定洞室軸線；高應(yīng)力條件下，以地應(yīng)力為主，巖體結(jié)構(gòu)面為輔確定洞室軸線；
D、在高應(yīng)力條件下，以最大水平應(yīng)力作為洞室軸線選擇的參照標(biāo)準(zhǔn)，使洞室軸線與最大水平應(yīng)力方向呈小角度布置。
工程區(qū)任意一點的地應(yīng)力狀態(tài)具有六個獨立的分量，即三個正應(yīng)力及三個剪應(yīng)力分量，當(dāng)三個正應(yīng)力分量為主應(yīng)力時，三個剪應(yīng)力分量為0，工程區(qū)的地應(yīng)力實際上是一個空間地應(yīng)力場，如何選擇洞室軸線使得地應(yīng)力對洞室圍巖的影響最小，這個問題一直沒有很好的解決。比如現(xiàn)行規(guī)范《水電站廠房設(shè)計規(guī)范NB/T 35011-2013》中建議高地應(yīng)力地區(qū)，洞室軸線與最大主應(yīng)力水平投影方向呈小夾角，這條建議只考慮了地應(yīng)力的最大主應(yīng)力，沒有考慮地應(yīng)力的其他分量，顯然不能充分反映地應(yīng)力的影響。經(jīng)過理論分析和試驗驗證，發(fā)現(xiàn)與現(xiàn)行參照標(biāo)準(zhǔn)相比，以最大水平應(yīng)力作為洞室軸線選擇的參照標(biāo)準(zhǔn)，使洞室軸線與最大水平應(yīng)力方向呈小角度布置能夠使周圍巖體的自穩(wěn)能力更強。
本發(fā)明主要是確定在高地應(yīng)力條件下洞室軸線的選擇，低地應(yīng)力和中地應(yīng)力條件暫不考慮，所謂高地應(yīng)力指的是巖石強度應(yīng)力比小于4的情況。
在高地應(yīng)力條件下輔助考慮巖體結(jié)構(gòu)面時，主要考慮地質(zhì)斷層和優(yōu)勢節(jié)理裂隙，原則上以洞室軸線與斷層走向呈大角度，與優(yōu)勢節(jié)理裂隙走向呈大角度。斷層產(chǎn)狀和節(jié)理裂隙產(chǎn)狀在巖體穩(wěn)定性中所占比重較大，因此在確定洞室軸線的參照標(biāo)準(zhǔn)后，還需要綜合考慮一下這兩個因素，以便找到使周圍巖體的自穩(wěn)能力最強的布置方式。
在對巖體中某一點的實測地應(yīng)力進(jìn)行計算，采用如下公式：
假設(shè)正應(yīng)力以壓為正、拉為負(fù)，剪應(yīng)力以順時針旋轉(zhuǎn)為正、逆時針為負(fù)，局部坐標(biāo)系定義為：X軸正方向為廠房軸線方向，Y軸正方向垂直于X向并指向上游，Z軸正方向豎直向上，定義洞室的三個典型剖面：橫剖面(YOZ平面)、縱剖面(ZOX平面)、平剖面(XOY平面)，典型剖面上的最大、最小應(yīng)力可以由三個主應(yīng)力及主應(yīng)力方向換算得到，換算過程如下：
其中σ1、σ2、σ3分別為第一主應(yīng)力、第二主應(yīng)力和第三主應(yīng)力，li、mi、ni(i＝1,2,3)為主應(yīng)力方向與OXYZ坐標(biāo)系各軸夾角的三角函數(shù)，以li為例：
其中α為σ1的走向，δ為NOE平面(即XOY平面)上N向順時針轉(zhuǎn)向Y軸正向的角度，β為σ1的傾角(定義仰角為正)，mi、ni的表達(dá)式與li相同，各角度的含義對應(yīng)各主應(yīng)力的方位；
在平剖面上(XOY平面)，最大水平應(yīng)力σH和最小水平應(yīng)力σh的表達(dá)式如下：
X軸順時針轉(zhuǎn)到最大水平應(yīng)力σH的角度θ按下式計算：
按上述過程確定最大水平應(yīng)力的大小和方向。橫剖面、縱剖面上的最大、最小應(yīng)力的計算方法與平剖面上相同，需要注意的是各平面上坐標(biāo)軸方向應(yīng)滿足右手法則。
實施例：
為了驗證在高地應(yīng)力條件下采用最大水平應(yīng)力方向作為洞室軸線參照標(biāo)準(zhǔn)比采用最大主應(yīng)力水平投影方向作為參照標(biāo)準(zhǔn)所得到的洞周巖體的自穩(wěn)能力更強，特設(shè)計兩個試驗方案進(jìn)行對比。
兩個方案采用相同的地應(yīng)力場(見表1)，地質(zhì)條件相同，均采用含拉應(yīng)力截斷的摩爾庫倫本構(gòu)模型，巖體物理力學(xué)參數(shù)相同(見表2)，洞室尺寸相同，邊界條件相同。方案一以最大主應(yīng)力σ1水平投影方向為洞室軸線方向(NW40.7°)，方案二以最大水平應(yīng)力σH方向為洞室軸線方向(NW24.1°)。計算過程采用特定網(wǎng)格模型進(jìn)行有限元分析。
表1洞室區(qū)地應(yīng)力場
表2計算采用的巖體物理力學(xué)參數(shù)
試驗結(jié)果：方案一最大洞周位移為0.59251m，方案二最大洞周位移為0.58699m；方案一洞周塑性區(qū)體積為91692m3，方案二洞周塑性區(qū)體積為89376m3。綜上可知，方案二的洞周最大位移小于方案一，洞周塑性區(qū)體積也小于方案一，方案二的洞周巖體自穩(wěn)能力更強，說明方案二確定的洞室軸線更優(yōu)。