Моделирование крупнопролетных выработок на примере подземных ГЭС

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