CC BY
24
МОДЕЛИРОВАНИЕ КРУПНОПРОЛЕТНЫХ ВЫРАБОТОК НА ПРИМЕРЕ ПОДЗЕМНЫХ ГЭС
THE NUMERICAL MODELLING OF LARGE SPAN EXCAVATIONS OF UNDEGROUND POWER STATIONS
Д.В. Устинов
МГСУ ИЭВПС, кафедра ПОГР
В статье проводится сравнительный анализ результатов моделирования крупнопролетных выработок подземных ГЭС в плоской и пространственной постановке.
The article covers a comparative analysis of the results of the simulation of the large-span cavern of the underground hydroelectric power stations in a plane and 3D cases.
При проектировании крупнопролетных выработок, таких как машинные и трансформаторные залы подземных ГЭС, существует необходимость оценки напряженно-деформированного состояния конструкций и вмещающего массива. Основным методом предварительной оценки служит математическое моделирование. Данная методика позволяет на начальной стадии проектирования предсказать возможные осложнения при строительстве и эксплуатации сооружения и избежать их в дальнейшем, что, в свою очередь, приводит к повышению надежности и удешевлению конструкции за счет ее облегчения в целом и усиления наиболее «опасных» участков.
Как правило, строительство крупнопролетных выработок, связано с поэтапным процессом раскрытия сечения, установки и ввода в работу крепи. Последовательный анализ происходящих при этом физических процессов позволяет в достаточно полной мере определить основные закономерности взаимодействия горных выработок с вмещающим массивом скальных пород. Для достижения поставленной цели возможно применение различных методов, программных средств и подходов, которые открывают широкие возможности в выборе путей решения задачи, но при этом увеличивается степень риска получения некорректных результатов связанная с ошибочным выбором методики исследования. Как следствие, возникает необходимость принятия решения по выбору основных критериев, которые необходимо учесть в расчетных исследованиях. Это связано с тем, что выбор большего числа учтенных параметров не только повышает точность результата, но и приводит к увеличению трудоемкости и ресурсоемкое™ моделирования.
Проведённый анализ результатов моделирования камерных выработок ГЭС Тери, ГЭС Деринер и Роунской ГЭС, позволяет оценить степень влияния некоторых из расчетных факторов, учитываемых при построении математических моделей.
Комплекс подземных сооружений гидроузла Тери в Индии в своей центральной части включает три параллельные камерные выработки - машзал (МЗ), трансформаторный зал (ТЗ) и уравнительную камеру отводящего туннеля, дренажные галлереи, параллельные камерам и туннели токопроводов, соединяющие машинный и трансформаторный залы.
4/2010 „. ВЕСТНИК
Необходимо отметить, что исследования массива, вмещающего выработки машинного и трансформаторного залов ГЭС Тери, до этого проводились на протяжении 15 лет. В течение этого времени были проведены многочисленные натурные наблюдения, позволившие с высокой достоверностью определить прочностные и деформатив-ные характеристики вмещающего массива, которые для удобства сведены в таблицу 1.
Группы сохранности 1 и 1а соответствуют по классификации специалистов ОБ1 породам группы PQM, группы сохранности 2а и 2Ь - PQT, группа сохранности 3 а - СР.
Во вмещающем массиве зафиксированы 6 крупных тектонических трещин 1У-го и У-го порядков: №№ 40, 41, 58, 60 (IV порядок), №№ 49 и 113 (У порядок). Порядок и нумерация трещин соответствуют классификации НР1. Все трещины ориентированы субортогонально продольным осям выработок и имеют углы падения в пределах 450650. Расположение моделируемых трещин представлено на рис. 1.
Таблица 1.
Группа сохранности массива Плотность породы р, т/м3 Модуль деформации Е, МПа Коэффициент Пуассона Д Прочность на сжатие Яс, МПа Прочность на растяжение МПа Коэффициент трения Ф Сцепление С, МПа
1 2 3 4 5 6 7 8
1 2,77 7500 0,22 10 0,20 1,12 2,0
1а 2,77 6000 0,22 10 0,20 1,12 2,0
2а 2,77 3500 0,22 7,5 0,12 1,06 1,75
2Ь 2,77 2500 0,25 5 0,12 1,00 1,5
3а 2,65 750 0,25 2 0,06 0,94 1,0
Рис. 1. Расчетная область и моделируемые выработки ГЭС Тери: а) двумерная постановка; б) расчетная область; в) моделируемые выработки без учета геологии; г) моделируемые выработки при учете геологии
В соответствии с выполненными в 1988-91 г.г. специалистами HPI геомеханическими и геофизическими исследованиями напряженного состояния скального массива в районе расположения машинного и трансформаторного залов, величины естественных напряжений принимались следующими: сту (вертикальные) = 9 МПа, стх (перпендикулярно продольным осям камер) = 6 МПа, стz (параллельно продольным осям камер) = 8 МПа.
Для оценки степени влияния различных критериев на изменения НДС скального массива, был проведен сравнительный анализ вариантов численных исследований в плоской и объемной постановке (рис. 1):
1. Рассматривалось решение плоской задачи в сечении 2 агрегата.
2. Скальный массив рассматривался однородным и без трещин. При этом свойства массива соответствовали группе сохранности 1 (по классификации НР1).
3. Основной вариант, при котором учитывались существующая неоднородность массива и 6 крупных тектонических трещин 1У-го и У-го порядков и зоны их влияния, мощностью 3 ми 1 м соответственно, со свойствами, соответствующими группе сохранности 3 а (таблица 1).
Для упрощения расчетов в варианте 3 по сравнению с вариантом 2 не моделировались некоторые выработки небольшого размера (в частности, дренажные галереи), что не должно сильно отразиться на основных результатах расчетов в связи с небольшими размерами выработок и ограниченностью их зон влияния.
Размер расчетной области в пространственной постановке составляет 280 м х 175 м х 290 м (соответственно по осям X, У и 2).
Анализ результатов показал, что максимальные горизонтальные смещения скального массива в процессе строительства выработок составляют для расчетов в пространственной постановке: вблизи стен машинного зала - 20-30 мм, вблизи стен трансформаторного зала - 10-20 мм (рис. 2). При проведении моделирования в плоской постановке величины максимальных горизонтальных смещений достигают 40-60 мм вблизи стен трансформаторного зала и до 90 мм вблизи стен машинного зала. Столь значительные расхождения в результатах по максимальным перемещениям связаны с невозможностью учета пространственного характера распространения трещины при решении плоской задачи.
Рис. 2. Изохромы горизонтальных перемещений ГЭС Тери: а) двумерная постановка; б) пространственная постановка
4/2010
ВЕСТНИК .МГСУ
Однако следует подчеркнуть, что полученные расчетным путем значения горизонтальных смещений их в целом имеют высокую сходимость с наблюдаемым смещением массива, фиксируемым по показаниям экстензометров (рис. 3). Заниженные величины горизонтальных перемещений графиков (рис. 3.6) и (рис. 3.в) в двумерной постановке по сравнению с решением в пространственной постановке объясняются учетом анкерного крепления.
— -
— * п ■
. № .-птим «НЛвМ *
Рис. 3. Сопоставление величин расчетных и натурных перемещений в измерительном
створе 3
Комплекс подземных сооружений гидроузла ГЭС Деринер включает выработку подземного машинного зала, подводящие и отводящие водоводы, камеру затворов и галерею токопроводов.
Горный массив сложен кварцевыми диоритами с жилами и дайками диабазов мощностью до 10 м. Эти породы представляют собой крепкие скальные грунты, характеризующиеся высокой прочностью и низкой деформативностью. Сооружения располагаются выше уровня подземных вод на глубине около 80 м в массиве, который практически не затронут экзогенными процессами.
Для оценки степени влияния различных критериев на изменения НДС скального массива, был проведен сравнительный анализ результатов моделирования в плоско-приведенной и пространственной постановке (рис. 4).
Размер расчетной области в пространственной постановке составляет 205 м х 294 ^ 118 м х 57 м соответственно по осям X, У и 2.
В расчетах были смоделированы два ряда предварительно напряженных анкеров:
• Верхний ярус на отметке 199,25 м - 9 прядей (канатов). Величина предварительного натяжения 132 тонны.
• Нижний ярус на отметке 193,25 м - 8 прядей (канатов). Величина предварительного натяжения 117 тонны. Шаг анкеров в ряду 3,5 метра.
Анализ результатов показал, что максимальные смещения стен выработки машинного
ВЕСТНИК МГСУ
зала, при решении задачи в пространственной постановке, имеет место в пределах отметок 180,0 - 185,0 (со стороны верхнего бьефа) и 172,0 - 180,0 (со стороны нижнего бьефа) и достигает величин 55-67 мм. Это объясняется отсутствием на этих отметках анкеров, а также ослаблением массива в нижней части выработки подводящими и отводящими водоводами. В верхней части выработки, благодаря наличию двух рядов предварительно напряженных анкеров на отм. 199,25 и 193,25 ми бетонного свода, величина конвергенции меньше и не превышает величины 22 - 51 мм (рис. 5). При проведении моделирования в плоскоприведенной постановке, величины максимальных горизонтальных смещений составляет 54-68 мм и 22-53 мм в зоне отметок 199,25 и 193,25 м.
Полученные результаты свидетельствуют о совпадении максимальных величин горизонтальных перемещений в плоскоприведенной и пространственной постановке.
Рис. 4. Расчетная область и моделируемые выработки ГЭС Деринер: а) плоскоприведенная постановка; б) расчетная область; в) моделируемые выработки
Рис. 5. Распределение величин горизонтальных перемещений: а) двумерная постановка; б) пространственная постановка по оси 3 водовода
Но по мере приближения к торцевой стене, величины горизонтальных перемещений начинают постепенно уменьшаться. Так, если на удалении от торцевой стены на 1,4-1,6 пролета выработки наблюдается стабилизация величин горизонтальных перемещений и их величина соизмерима значениям полученным при решении задачи в плоскоприведенной постановке, то уже на расстоянии 0,75 пролета значения горизонтальных перемещений уменьшаются в 1,2 раза, с последующим уменьшением в 1,8 раз
4/2010 „. ВЕСТНИК
на расстоянии 0,2 пролета. В непосредственном примыкании к торцевой стене величины горизонтальных перемещений составляют 0,3 от максимальных.
Комплекс подземных сооружений гидроузла Рогунской ГЭС включает вмещающего выработку подземного машинного и трансформаторного залов, а также галерей токопроводов, камер затворов, фрагментов подводящих и отводящих водоводов.
Подземные камерные выработки располагаются на глубине 350-400 м от дневной поверхности в скальном массиве, сложенном песчаниками и алевролитами. Вмещающий массив характеризуется высоким уровнем естественных напряжений с преобладанием значений горизонтальных (18 МПа) напряжений над вертикальными (14 МПа).
Размер расчетной области в пространственной постановке составляет 338,9 м х 289,4 м и высотой 240 м. Крепление областей массива, прилегающих к контуру подземных выработок, производилось с помощью предварительно напряжённых анкеров.
Для оценки степени влияния различных критериев на изменения НДС скального массива, был проведен сравнительный анализ результатов моделирования в плоско-приведенной и пространственной постановке (рис. 6).
Рис. 6. Расчетная область и моделируемые выработки Рогунской ГЭС: а) плоскоприведенная постановка; б) расчетная область; в) - г) моделируемые выработки
Для рассмотренного решения в плоскоприведенной постановке в зоне алевролитов не было достигнуто требуемое условие сходимости на первых этапах моделирования, в результате чего решение было исключено из окончательного анализа.
Сравнительный анализ результатов моделирования проведенного для песчаников в плоскоприведенной и пространственной постановках показал что, величины горизонтальных смещений стен машинного зала в плоскоприведенной постановке составили 170-180 мм, и для пространственной постановки 150-180 мм с увеличением до 260 мм по мере приближения к зоне алевролитов (рис. 7). В камерной выработке трансформаторного зала величины перемещения стен составили 110-90 мм в плоско приве-
денной постановке и 120-80 мм в пространственной постановке.
Необходимо отметить незначительную зону увеличения горизонтальных перемещений в стене трансформаторного зала со стороны нижнего бьефа (до 192 мм) в зоне песчаников вблизи торцевой стены. Данное проявление связано с влиянием, оказанным находящимся по близости разломом №35.
Рис. 7. Распределение величин горизонтальных перемещений: а) двумерная постановка; б) пространственная постановка по оси 3 водовода
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. При решении задачи в плоской постановке в некоторых зонах наблюдается завышение величин перемещений в 2-3 раза по сравнению с результатами пространственного моделирования, связанные с невозможностью учета пространственного характера ориентации трещин. Учет трещин и неоднородностей в пространственной постановке позволяет наиболее точно оценить характер деформаций вмещающего массива и прогнозировать зоны возможного вывалообразования, для которых возможно увеличение величин перемещений в 1,5-2 раза и проявления в этих зонах небольших растягивающих напряжений.
2. При решении задачи в пространственной и плоскоприведенной постановке, для однородного массива наблюдаются идентичные величины максимальных перемещений с их уменьшением по мере приближения к торцевой стенке выработки.
3. При решении задачи в пространственной и плоскоприведенной постановке с учетом характеристик вмещающего массива наблюдается незначительное расхождение в максимальных величинах перемещений стен и свода камерных выработок для пространственной и плоскоприведенной схемы расчета. Однако плоскоприведенная схема не позволяет учесть влияние находящихся по близости инженерно-геологических разломов и изменений прочностных и деформативных свойств вмещающего массива.
Литература:
1. Data Preparation & Tutorials Z_Soil.PC 2009 manual. Lausanne, Switzerland: Elmepress International
Ключевые слова: пространственное моделирование, мониторинг, подземные сооружения, гидроэлектростанция, метод конечных элементов, геологическое строение
Keywords: 3D numerical modeling, monitoring, underground structures, hydroelectric power station, FEM analyses, geological structure
