Современные подходы к моделированию камерных выработок подземных ГЭС

ВЕСТНИК 4/2010

СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ КАМЕРНЫХ ВЫРАБОТОК ПОДЗЕМНЫХ ГЭС

М.Г. Зерцалов, Д.В. Устинов

НИУ CA ГОУ ВПО МГСУ

В статье приводятся результаты моделирования камерных выработок подземных ГЭС с применением методики расчета разработанной на кафедре ПОГР МГСУ.

The article covers the results of the simulation of the large-span caverns of the underground hydroelectric power stations with a design procedure application developed by the Underground Construction & Hydrotechnical Operations Department of the Moscow State University of Civil Engineering.

Бурное развитие применения метода конечных элементов 1960-70-х годов, в первую очередь в аэрокосмической области, в значительной степени ограничило применение физических моделей популярных в 50-60-х годах. Это обусловлено бурным ростом производительности вычислительной техники, особенно заметным в последние годы. Помимо этого немаловажным моментом является достоверность и экономичность численного моделирования. На протяжении этих лет были разработаны тысячи программ реализующих метод конечных элементов. Таким образом в современной практике стало возможным рассматривать математические модели, как физические выполненные в реальном масштабе (1:1), а программное обеспечение как лабораторную установку или комплект инструментов натурных исследований.

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 ресурсо-емкости моделирования.

Многочисленные исследования, проведенные за последние годы на кафедре ПОГР позволили разработать методику численного расчёта, использованную при моделирования камерных выработок ГЭС Тери, ГЭС Деринер и Роунской ГЭС.

Комплекс подземных сооружений гидроузла Тери в Индии в своей центральной части состоит из трёх параллельных камерных выработок: машзала (МЗ), трансформаторного зала (ТЗ) и уравнительной камеры отводящего туннеля, дренажных галлерей, параллельных камерам, и туннелей токопроводов, соединяющих машинный и трансформаторный залы. Проведенные исследования учитывали существующую неодно-

4/2010 М1 ВЕСТНИК

родность массива и 6 крупных тектонических трещин 1У-го и У-го порядков, а также выполнялись с учетом поэтапности работ.

Расчеты показали, что максимальные горизонтальные перемещения скального массива в процессе строительства выработок составляют: вблизи стен машинного зала - 20-30 мм, вблизи стен трансформаторного зала - 10-20 мм. При этом большие значения, особенно для выработки ТЗ, получены со стороны массива, меньшие - со стороны скального целика между выработками, а) б)

Рис. 1. Расчетная область и моделируемые выработки ГЭС Тери, ГЭС Деринер и Роунской ГЭС

Это можно объяснить тем, что в целике имеет место взаимное и противоположное влияние на перемещения массива выработок МЗ и ТЗ.

Отметим, что учет в численной модели крупных трещин и неоднородности массива практически не сказался на значениях горизонтальных перемещений. В первую очередь данное обстоятельство, видимо, объясняется ориентацией трещин, которая

ВЕСТНИК МГСУ

4/2010

субортогональна продольным осям выработок и не оказывает заметного влияния на поперечные горизонтальные перемещения.

Следует подчеркнуть, что полученные расчетным путем значения горизонтальных перемещений в целом имеют высокую сходимость с наблюдаемым перемещением массива, фиксируемым по показаниям экстензометров.

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. При моделировании учитывалась поэтапность и предусмотренной проектом крепление стен выработки двумя рядами предварительно напряженных анкеров.

г!« I I :|

31!) и/и-у-иишН МИСЬ-И!)

Рис. 2. Изохромы горизонтальных перемещений ГЭС Тери, сравнение прогнозных величин перемещений с данными натурных наблюдений

Проведенные исследования показали, что максимальные перемещения стен выработки машинного зала имеют 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.

Полученные результаты имели высокую сходимость с данными по натурным измерениям, что позволило в дальнейшем сделать прогноз по перемещениям при замораживании строительства.

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).

4/2010

ВЕСТНИК _МГСУ

Рис. 3. Изохромы горизонтальных перемещений ГЭС Тери, прогнозные величины перемещений с учетом замораживания строительства

Наметившиеся в 2004 году перспективы достройки подземного комплекса Рогун-ской ГЭС сделали необходимым анализ геотехнической ситуации в массиве горных пород, вмещающих рассматриваемые подземные сооружения и калибровку численной модели в соответствии с имеющимися данными натурных наблюдений. При этом адекватное построение численных моделей различных скальных пород (в нашем случае -алевролитов и песчаников), подвергавшихся длительной разгрузке при достаточно высоких уровнях естественных напряжений, динамическому воздействию взрывных работ в приконтурных зонах выработок, замачиванию и выветриванию, является достаточно сложной задачей.

На основании серии калибровочных расчетов было получено удовлетворительное согласование расчетных величин перемещений с измеренными в натуре при проходке 4 яруса машинного зала, что послужило основанием для использования уточненных значений деформационных и прочностных характеристик при моделировании достройки подземных выработок.

Рис. 4. Изохромы горизонтальных перемещений Рогунской ГЭС

При дальнейшей достройке камерных выработок по измененному проекту, предусматривающему установку предварительно напряженных анкеров и перенос монтажной площадки в зону алевролитов, максимальные перемещения стен машинного зала в зоне алевролитов составили 397 мм, и не превысили 290 мм в зоне песчаников. При этом в камерной выработке трансформаторного зала величины перемещения стен составили в зоне алевролитов 210-287 мм и 105-170 мм в зоне песчаников. Необходимо также отметить незначительную зону увеличения величин перемещения стен, до 192

ВЕСТНИК 4/2010

мм, в зоне песчаников на стене со стороны нижнего бьефа вблизи торцевой стенки. Данное проявление связано с влиянием находящегося поблизости разлома №35. Перемещение торцевых стен машинного зала составило 183 мм в районе 6-го агрегата и 153 мм у стены монтажной площадки, находящихся в зоне алевролитов, а со стороны песчаников не превысило 68,5 мм. Перемещения торцевых стен трансформаторного зала составили 82 мм в зоне песчаников и 227 мм в зоне алевролитов.

Таким образом, результаты выполненных исследований позволили сделать вывод о возможности достройки подземных сооружений Рогунской ГЭС, поскольку анализ их взаимодействия со скальным массивом показал отсутствие зон потенциального вы-валообразования, как в период остановки строительства, так и при раскрытии выработок машинного и трансформаторного залов на полное сечение.

Результаты выполненного численного моделирования подземных камерных выработок ГЭС и сравнение их с натурными данными позволило протестировать предлагаемую методику. Это позволило расширить границы её применения для исследования взаимодействия объектов городской инфраструктуры с вмещающим породным массивом, таких как: сооружения метрополитена, котлованы жилых и многофункциональных комплексов, а также моделировании реконструкции сооружений исторической застройки.

Литература:

1. Data Preparation & Tutorials Z_Soil.PC 2009 manual. Lausanne, Switzerland: Elme-press 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

E-mail автора: Ustinov@mgsu.ru Статья представлена Редакционным советом «Вестник МГСУ»