您好,欢迎来到年旅网。
搜索
您的当前位置:首页大型地下水封洞库主洞室稳定性研究

大型地下水封洞库主洞室稳定性研究

来源:年旅网
166 西部探矿工程 20i5年第1期 大型地下水封洞库主洞室稳定性研究 李云鹏 (惠州国储石油基地有限责任公司,广东惠州516080) 摘要:地下洞室的稳定性问题是地下洞室设计、施工所需面对的一个核心问题,通过对洞室围岩稳 定性进行分析,可以了解洞室开挖后围岩的应力重分布状态、变形情况,分析出洞室围岩是否发生塑 性变形及塑性区范围,为洞室的尺寸、轴线方向、洞室间距等设计及洞室开挖方法及顺序提供参考。 采用数值计算方法对大型水封石油洞库的一个主洞室进行分析,模拟实际的开挖工序,分析了不同 等级岩体内不同截面形状、不同截面尺寸地下洞室围岩的应力、变形分布情况及其稳定性。 关键词:水封洞库;围岩;尺寸;形状;岩体等级 .… 中图分类号:TE822文献标识码:A文章编号:1004—5716(20i5)01—0166-05 1概述 洞库的一个主洞室进行分析,模拟实际的开挖工序,分 析不同等级岩体内不同形状和不同尺寸洞室围岩的应 力、变形情况与稳定性。 2计算方法与原理 国际上的石油储备库分为地上油库和地下油库2 种,而作为大规模的储备库多以地下油库为主。地下 油库分为2种,一种是水封岩石洞库,另一种是盐岩洞 库。水封岩石洞库的储油原理是在稳定的地下水位线 以下一定的深度,通过人工在地下岩石中开挖出一定 FLAC∞软件是大型显式有限差分数值计算软件, FLAC是Fast Lagrangian Analysis of Continua缩写,可 容积的洞室,利用稳定地下水的水封作用密封储存在 洞室内的石油 盐岩库则是利用埋藏在一定深度的盐 翻译为连续介质快速拉格朗日分析,是由美国名尼苏 达ITASCA咨询集团于1986年研制推出。它应用了 岩,其孔隙率和渗透率几乎等于零,具有很好的气密性 和液密性,在盐岩中冲刷出来的洞穴中储存石油。这 两种形式的地下库在国外已建造了很多,如北欧多花 岗岩体 多采用水封岩石洞库,美国,an拿大等有厚盐 岩层的国家多建盐岩洞库。 地下水封岩石洞库最先出现在瑞典、挪威等北欧 国家,现在仅在斯堪的纳维亚地区就建有200多座地下 水封岩石原油库,总库容达1830x10 m3。El本建有3座 地下水封岩石原油库,总库容500x10 m。。美国建有5 个地下盐岩洞库,总库容达到lxl0。II1。以上-1 我国于 20世纪70年代在山东黄岛成功建设了一座15x10 ITI。 的地下水封油库,至今运营状况良好,可以作为地下水 封油库选址的范例。但是,要应对当前地下水封油库 动辄数百万方大库容、大跨度、高边墙的工程特点,从 理论上系统地研究大型地下水封洞库主洞室群稳定性 结点位移连续的条件,可以对连续介质进行大变形分 析,同时FLAC∞又可以对地下水产生的渗流场进行模 拟计算,可以实现水岩(土)相互作用的耦合分析。 FLACa。软件采用拉格朗日方法运算,按时步采用 动力松弛的方法来求解,不需要形成刚度矩阵,不用求 解大型联立方程组,占用内存较少,便于用微机求解大 型工程问题。 运用FLAC∞软件进行一个工程的模拟分析计算, 须确定问题的3个基本元素,即:网格模型、材料本构关 系及参数、模型的边界和初始条件。网格模型确定问 题的几何形状;本构关系和材料参数要求模型再现“干 扰’’(比如,由于开挖的变形响应)的响应类型;边界和 初始条件一般定义原位状态。在FLAC中,在这些条 件确定后,首先为模型进行初始平衡状态的计算,然后 进行改变(例如,开挖或改变边界条件),接着进行计算 已成为我1i']N不容缓的任 。 ]。 本文采用FLAC∞数值分析软件对大型水封石油 ¥收稿日期:2014—02—18修回日期:2014—03—05 模型的结果响应。FLAC软件应用精确时步方法解决 代数方程,在一系列计算布置后,获得计算答案。在 作者简介:李云鹏(1962一),男(汉族),黑龙江讷河人,工程师,现从事地下洞库的管理和研究工作。 2015年第1期 西部探矿工程 167 FLAC中,解决问题的时步数目可以由代码自动控制 或用户人工控制,在分析洞室稳定性的时候,一般均把 方向和v、z方向上的移动。在垂直于z方向的外边界 上(x=lOO)和垂直于v方向的外边界( 200)上施加应 力边界条件。根据某实际工程的地应力模拟结果 ,工 程区域内的水平最大主应力约为10.0MPa,近垂至于 洞室围岩看作均质各向同性介质,通过弱化岩体参数 的方法来表现节理裂隙的影响。 3数值计算 3.1计算模型 洞室截面形状采用直墙圆拱形和斜墙圆拱形两 种 如图1所示,每种断面形状都计算了3种不同的截 面尺寸,如表1所示。 洞室轴线方向( 方向);水平最小主应力约为6.5MPa, **行于洞室轴线方向(v方向),因此在模型的x=100 边界上施加10.0MPa的压应力,在y=200边界上施加 6.5MPa的压应力。将模型的顶面设为自由边界面,同 时施加因上覆岩体自重而产生的压应力,在本次研究 中,设洞室拱顶埋深为150m,而模型上顶面距洞室拱 顶的距离为80m,故还需在模型顶面施加70m的岩体 自重(为1.89MPa)作为边界应力。在计算时亦考虑了 岩体自重的作用。 需要指出的是,实际工程洞室轴线很少能够正好 与最大原岩主应力垂直,而是考虑到洞室围岩的稳定 性。往往在设计时,尽量使得洞室轴线与最大原岩主 应力小角度相交,按照本文上述方法施加边界应力实 际上是在最不利条件下分析洞室围岩稳定性,增加了 分析结果的安全性,同时不必在模型边界上施加剪应 (a)直墙圆拱形 (b)斜墙圆拱形 图1洞室截面形状 表1洞室断面尺寸 力,使得模型结构和边界条件在两个对称面(y=0、 = 0)上严格对称,大大减少模型单元数,增加了计算效 率。 3.3材料本构及参数 本次研究有限差分法属于连续介质数值分析方 法,计算过程中将洞室围岩视为均匀各向同性弹塑性 介质,材料破坏规律服从莫尔一库仑准则。由于本次 研究并非针对某个特定的地下水封洞室工程,因此本 次研究采用工程岩体分级标准(GB 50218-94)推荐的 岩体参数下限值来进行计算 ,数值分析考虑了工级和 Ⅱ级2种不同岩体类型,其具体物理力学参数列于表 2 模型尺寸为100mmx200mmx190m,z轴垂直洞室 轴线方向,Y轴平行轴线方向, 轴为竖直方向,模型以 y=0和x=0为对称面,模型并未模拟至地表高程,地表 表2岩体参数 至模型顶面的岩体按其自重施加于模型顶面边界。在 z方向上,模型边界离洞室外壁的距离为90m。在y方 向上,模型总长为200m,其中洞室长度为100m。 3.2边界条件 数值分析的边界条件通常有位移边界条件和应力 边界条件,位移边界条件中最常用的就是固定边界条 件。对于静力问题,可以将无穷远处边界和对称面定 为固定边界条件,本次数值分析,将模型的底面和对称 面(v=O、z=-o)设为固 边界,分别边界上节点在 4结果分析 4.1 I级岩体 本次数值分析对洞室进行三步开挖,第一步开挖 拱顶部分,第二步开挖中部直墙部分,第三步开挖下部 168 西部探矿工程 2015年第1期 直墙部分。将1 、2 、3 模型的各围岩特征点的应力值 和位移值列于表3,表中应力值为负数表示拉应力。综 合对比分析3种不同尺寸直墙圆拱形洞室围岩特征点 的位移、应力可知,3种洞室围岩的位移和应力分布形 式基本相同,其量值亦相差不大,总体上有如下规律: 随洞室截面尺寸减小,洞室围岩各特种部位的位移均 相应减小;各特征部位 方向压应力集中程度随洞室截 面尺寸减小而略微有所加剧,而y,z方向的压应力集中 程度则略微有所减缓;边侧直墙岩壁处产生的拉应力 随洞室截面尺寸减小有所降低,而且拉应力区域面积 逐渐减小;随洞室截面尺寸减小,洞室围岩塑性区发展 深度有所减小。 表3 l级岩体不同尺寸直墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移 注:A1:拱顶;A2:边侧直墙与洞底板的拐角;A3:圆拱八分处;A4:边侧直墙;A5:底板;A6:两端边墙。 为了解洞室截面形状对围岩稳定性的影响,故而 分析斜墙圆拱形洞室围岩稳定性,与直墙圆拱形洞室 进行对比分析。 将4 、5 、6 模型的各围岩特征点的应力值和位移值 样,斜墙圆拱形洞室也是分为三步开挖,为了对比分 析不同洞室形状对围岩稳定性的影响,在此直接列出 一列于表4,表4中应力值为负数表示拉应力。综合对比 分析3种不同尺寸斜墙圆拱形洞室围岩特征点的位移、 应力可知,斜墙圆拱形洞室围岩的应力和变形情况随洞 室尺寸的变化规律与直墙圆拱形洞室围岩基本相同。 各尺寸斜墙圆拱形洞室开挖完成后围岩的应力、变形 及破坏情况,并将其与相应尺寸直墙圆拱形洞室围岩 表4 I级岩体不同尺寸斜墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移 对比分析表3和表4中相同洞室尺寸,不同形状洞 室围岩特征点的位移、应力可知:斜墙圆拱形洞室围岩 的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比,分布规律基 本相同,量值亦相差不大;斜墙圆拱形洞室拱顶处围岩 2015年第1期 西部探矿工程 169 z方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩大,这主要 是因为斜墙圆拱形洞室的圆拱直径略小于直墙圆拱形 洞室,同理在圆拱岩壁附近 方向的压应力值也略比直 墙圆拱形洞室围岩的大,斜墙圆拱形洞室边墙处z、 方 将Ⅱ级岩体1 、2 、3 模型的各围岩特征点的应力 值和位移值列于表5,表5中应力值为负数表示拉应 力。综合对比分析Ⅱ级岩体中3种不同尺寸直墙圆拱 形洞室围岩特征点的位移、应力可知,3种洞室围岩的 向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略小,两种形 状洞室围岩yTY向的应力基本一样;斜墙圆拱形洞室围 位移和应力分布形式基本相同,其量值亦相差不大,总 体上有如下规律:随洞室截面尺寸减小,洞室围岩各特 岩最大位移亦出现在边墙处,其最大位移值略大于直 种部位的位移均相应减小;洞室围岩各方向最大压应 墙圆拱形洞室围岩,此外,底板的隆起量略大于直墙圆 力随洞室截面尺寸减小而略微有所减小, 、 方向的拉 拱形洞室围岩,而两端边墙的位移值则略小于直墙圆 应力则有所增大,而v方向上的拉应力有所减小;随洞 拱形洞室围岩。 室截面尺寸减小,洞室围岩塑性区域及发展深度有所 4.2 Il级岩体 减小。 表5 Il级岩体不同尺寸直墙圆拱形洞室开挖后围岩特征点应力与位移 综合对比分析工、Ⅱ级岩体直墙圆拱形洞室围岩 对比分析表5和表6中Ⅱ级岩体相同洞室尺寸,不 的应力、位移和破坏情况(表3和表5)可知不同质量等 同形状洞室围岩特征点的位移、应力可知:斜墙圆拱形 级岩体中相同尺寸直墙圆拱形洞室围岩应力和变形的 洞室围岩的应力分布与直墙圆拱形洞室围岩相比,分 变化规律:随岩体质量等级的降低,洞室围岩各方向上 布规律基本相同,量值亦相差不大;斜墙圆拱形洞室拱 的压应力明显减小,尤其是z方向上的压应力,而拉应 顶处围岩 方向的压应力值略比直墙圆拱形洞室围岩 力变化不大;随岩体质量等级的降低,洞室围岩各特征 大,这主要是因为斜墙圆拱形洞室的圆拱直径略小于 部位的位移明显增大,Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值 直墙圆拱形洞室,同理在圆拱岩壁附近 方向的压应力 比I级岩体洞室围岩最大位移值增大约70%;随岩体 值也略比直墙圆拱形洞室围岩大,斜墙圆拱形洞室边 质量等级的降低,洞室围岩发生破坏的范围及其发展 墙处z、 方向的拉应力均较直墙圆拱形洞室围岩要略 深度均显著加大。 小,两种形状洞室围岩Y方向的应力基本一样;斜墙圆 将Ⅱ级岩体中4 、5 、6 模型各围岩特征点的应力 拱形洞室围岩最大位移亦出现在边墙处,其最大位移 值和位移值列于表6,表中应力值为负数表示拉应力。 值略大于直墙圆拱形洞室围岩,此外,底板的隆起量略 综合对比分析Ⅱ级岩体中3种不同尺寸斜墙圆拱形洞 大于直墙圆拱形洞室围岩,而两端边墙的位移值则与 室围岩特征点的位移、应力可知,斜墙圆拱形洞室围岩 直墙圆拱形洞室围岩基本一致。 的应力和变形随洞室尺寸的变化规律与直墙圆拱形洞 综合对比分析工、Ⅱ级岩体斜墙圆拱形洞室围岩 室围岩基本相同。 的应力、位移和破坏情况(表4和表6)可知不同质量等 170 西部探矿工程 2015年第1期 级岩体中相同尺寸斜墙圆拱形洞室围岩应力和变形的 变化规律:随岩体质量等级的降低,洞室围岩各方向上 的压应力明显减小,尤其是z方向上的压应力,而拉应 力变化不大;随岩体质量等级的降低,洞室围岩各特征 部位的位移明显增大,Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值 比直墙圆拱形洞室围岩大,而边墙处z、 方向的拉应力 均较直墙圆拱形洞室围岩要略小,两种形状洞室围岩v 方向的应力基本一样;斜墙圆拱形洞室围岩最大位移 亦出现在边墙处,其最大位移值略大于直墙圆拱形洞 室围岩,此外,底板的隆起量略大于直墙圆拱形洞室围 比工级岩体洞室围岩最大位移值增大约7O%;随岩体 质量等级的降低,洞室围岩发生破坏的范围及其发展 深度均显著加大。 5结论 岩,而两端边墙的位移值则略小于直墙圆拱形洞室围 岩。 (3)随岩体质量等级的降低,洞室围岩各方向上的 压应力明显减小,尤其是 方向上的压应力,而拉应力 地下洞室的稳定性问题是地下洞室设计、施工所 需面对的一个核心问题,通过对洞室围岩稳定性进行 变化不大;随岩体质量等级的降低,洞室围岩各特征部 位的位移明显增大,Ⅱ级岩体洞室围岩最大位移值比 I级岩体洞室围岩最大位移值增大约70%;随岩体质 分析,可以了解洞室开挖后围岩的应力重分布状态、变 形情况,分析出洞室围岩是否发生塑性变形及塑性区 范围,本文采用有限差分法分析了不同等级岩体、不同 形状、不同尺寸洞室围岩的稳定性,发现: 量等级的降低,洞室围岩发生破坏的范围及其发展深 度均显著加大。 参考文献: (1)随洞室截面尺寸减小,洞室围岩各特种部位的 位移均相应减小;各特征部位 方向压应力集中程度随 洞室截面尺寸减小而略微有所加剧,而y,z方向的压应 [1】陈祥.黄岛地下水封石油洞库岩体质量评价及围岩稳定性 分析【D】.北京:中国地质大学(北京),2007. 力集中程度则略微有所减缓;边侧直墙岩壁处产生的 拉应力随洞室截面尺寸减小有所降低,而且拉应力区 域面积逐渐减小;随洞窒截面尺寸减小,洞室围岩塑性 区发展深度有所减小。 【2】朱以文,黄克戬,李伟.地应力对地下洞室开挖的塑性区影 响研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(8):1344-1348. [3】祁文刚.二滩水电站泄洪洞典型围岩稳定性分析[J].水电站 设计,2002,1 8(2):62-65. [4] 陈祥,孙进忠,张杰坤,陈庆寿.黄岛地下水封石油洞库场区 地应力场模拟分析[J].岩土工程学报,2009,31(5):713-719. (2)斜墙圆拱形洞室围岩的应力分布与直墙圆拱 形洞室围岩相比,分布规律基本相同,量值亦相差不 大;斜墙圆拱形洞室拱顶处围岩 、 方向的压应力值略 【5】GB50218—94工程岩体分级标准[S】冲国计划出版社,1995. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- oldu.cn 版权所有 浙ICP备2024123271号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务