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大型水电站隧洞开挖施工的三维数值模拟研究

作　者: 杜鑫
导　师: 刘小兵
学　校: 西华大学
专　业: 水利水电工程
关键词: 大型水电站隧洞数值模拟围岩稳定性开挖方法
分类号: TV554
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 80次
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内容摘要

随着我国水电站装机巨型化,隧洞大型化的发展,特大断面隧洞的出现对“地下工作者”提出了严峻的考验。隧洞作为水电站的关键部位,对水电站的导流、泄洪起着尤为重要的作用。但是国内外有关特大断面、大跨度隧洞的施工研究成果并不多,可借鉴的施工经验较少,大跨度的隧洞施工带有一定的盲目性。通过对大型隧洞开挖过程及开挖方法的分析,可以了解大型隧洞的位移场分布,这对保障施工安全、加快施工进度均具有十分重要的意义。本研究以一个具体水电站的导流洞为参考,建立其隧洞的几何模型,并应用ANSYS软件对其开挖过程进行了数值模拟,通过不同工况下的计算结果对大型隧洞开挖方法进行了分析。本文完成的主要研究工作如下:1、根据所选水电站导流洞的实际地质条件、断面大小,对隧洞开挖部位、隧洞周围岩体建立了三维几何模型,并将建好的三维模型进行了计算网格划分;2、利用ANSYS软件对隧洞周围进行了边界设定、参数选择、求解器选择等,对其计算网格模型进行了边界条件设置;3、对隧洞开挖过程进行了数值计算,并对求解收敛的结果进行后处理,得到了各个工况下隧洞开挖过程中岩体竖直方向和水平方向的位移场以及位移等值线分布,并分析了不同工况下隧洞周围位移的变化;4、通过对比和分析各开挖工况下隧洞的特征,获取隧洞关键部位的收敛变化信息,从而选择合理的施工方法。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-18
  1.1 课题来源  10
  1.2 课题研究的背景、目的及意义  10-12
    1.2.1 课题研究的背景  10-11
    1.2.2 课题研究的目的和意义  11-12
  1.3 国内外研究现状及特点  12-17
    1.3.1 隧洞开挖模拟的国内外研究现状  12-13
    1.3.2 隧洞围岩稳定性理论的国内外研究现状  13-15
    1.3.3 隧洞数值计算方法的国内外研究现状  15-17
    1.3.4 大型地下隧洞开挖研究的特点  17
  1.4 本课题的主要研究内容  17-18
2 大型隧洞开挖方法、影响因素及围岩稳定性评价  18-28
  2.1 大型隧洞开挖方法  18-21
    2.1.1 台阶法  18-20
    2.1.2 分部开挖法  20-21
  2.2 大型隧洞开挖影响因素  21-22
    2.2.1 隧洞断面尺寸  21
    2.2.2 围岩类别  21-22
    2.2.3 爆破振动因素  22
  2.3 隧洞围岩稳定性影响因素  22-25
    2.3.1 地应力  22-23
    2.3.2 岩体地质结构  23
    2.3.3 岩体的力学性质  23
    2.3.4 地下水  23-24
    2.3.5 工程因素  24
    2.3.6 时间因素  24-25
  2.4 隧洞围岩稳定性分析方法  25-26
    2.4.1 地质分析法  25
    2.4.2 工程类比法  25
    2.4.3 岩体结构分析法  25
    2.4.4 模型及原型实验方法  25-26
    2.4.5 数值分析法  26
  2.5 隧洞围岩变形破坏机理及类型  26-28
    2.5.1 隧洞围岩变形破坏机理  26
    2.5.2 隧洞围岩变形的类型  26-28
3 隧洞弹塑性有限元理论研究  28-50
  3.1 弹塑性本构模型  28-29
  3.2 隧洞围岩的应力和位移  29-33
    3.2.1 隧洞围岩的受力状态  29-30
    3.2.2 隧洞弹塑性区应力  30-32
    3.2.3 隧洞洞周位移  32-33
  3.3 屈服准则  33-36
    3.3.1 单参数准则  33-34
    3.3.2 双参数准则  34-35
    3.3.3 三参数准则  35-36
    3.3.4 Drucker-Prager(DP)屈服准则  36
  3.4 有限元法  36-43
    3.4.1 有限元法的基本原理  37-40
    3.4.2 有限元法求解的基本步骤  40-41
    3.4.3 有限元法的常用术语  41-43
  3.5 ANSYS 有限元软件  43-48
    3.5.1 ANSYS 的特点  43
    3.5.2 ANSYS 的优势  43-44
    3.5.3 APDL 简介  44-45
    3.5.4 ANSYS 有限元数值分析过程  45-48
  3.6 隧洞开挖施工的数值模拟方法  48-50
    3.6.1 时空效应  48
    3.6.2 初始地应力的数值模拟原理  48
    3.6.3 开挖施工数值模拟方法  48-50
4 隧洞开挖过程数值模拟的工程应用  50-103
  4.1 工程简介  50-53
    4.1.1 工程概况  50
    4.1.2 导流洞的布置  50-51
    4.1.3 导流洞地质情况  51-53
  4.2 数值模拟的几何模型、网格划分、边界条件  53-64
    4.2.1 模型的基本假设  53-57
    4.2.2 隧洞几何模型建立  57-58
    4.2.3 网格划分  58-63
    4.2.4 加载与计算  63-64
  4.3 模拟结果及分析  64-103
    4.3.1 全断面开挖  65-68
    4.3.2 上层高度10m  68-71
    4.3.3 上层高度9m  71-74
    4.3.4 上层高度8m  74-77
    4.3.5 上层高度7m  77-82
    4.3.6 上层高度9m, 跨度18m  82-85
    4.3.7 上层高度9m, 跨度16m  85-88
    4.3.8 上层高度9m, 跨度14m  88-92
    4.3.9 上层高度9m, 跨度12m  92-103
5 结论与展望  103-105
参考文献  105-109
攻读硕士学位期间学术论文及科研情况  109-110
致谢  110-111

大型水电站隧洞开挖施工的三维数值模拟研究

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