二滩洞室群围岩稳定分析FEM及相关问题

许多工程分析问题，如固体力学中位移场和应力场分析、热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等，都可借助于计算机数值模拟技术来求出它们的数值解，其中有限单元法（Finite Elements Method，以下简称 FEM）是工程中最常用的数值模拟技术之一。本文结合二滩水电站地下厂房洞室群的围岩稳定分析，对使用有限元软件进行大规模数值模拟计算时的相关问题进行探讨，给出了建议。
    1、建模与有限元网格划分
    1.1  工程概况
    二滩地下厂房洞室群设置在左岸下游的山体内，上覆岩体厚度为250~350m，水平埋深300m，洞轴线方向NW6°。洞室群所在区域主要为正长岩和蚀变玄武岩，围岩岩体有80％质量达到A,B级。地下厂房洞室群由三大洞室和母线洞以及尾水洞组成。其中主厂房：长×宽×高＝280.29m×25.5m×65.78m；主变室：214.9m×18.3m×25.0m；尾调室：203.0m×19.8m×69.8m。主厂房主要采用喷锚支护，在主副厂房和尾调室高边墙采用了一定数量的预应力锚索。地下洞室群水平区域布置如图1。
    1.2  建模
    一般的有限元计算，70%~80%的时间花在建立模型上面，因此选择合适的建立模型的方法是很重要的，否则将有可能事半功倍。
    二滩洞室群位于地下，结构复杂，操作起来比较困难。为此把大模型分解为许多很小的模型，划分单元以后再把它们拼装成一个大的模型；并且不能把它们合成一个整体，否则将无法划分单元。具体的作法是：先建立洞室群的模型，然后在长、宽、高方向上分别向外延伸，形成一个长×宽×高=404.2m×283.7m×185.3m的巨大岩体，用该岩体挖去洞室群，就是所需要的模型。由于有限元软件的自适应网格划分功能只能划分规整的模型，如六面体或规则的棱柱体（如三角棱柱体），而地下厂房洞室群则是纵横交错，极其不规则的，建模难度可想而知。经过不断的修改和试验，最终建立的模型共有3647个体组成。
    尽管如此，本文模型与洞室的布置相比，还是进行了一些简化，主要有：（1）出于单元形状不致过分奇异以及单元数量方面的考虑，忽略了尾调室和主变室之间的夹角，将它们的轴线设为平行。（2）由于仅考虑三大洞室及其之间的围岩变形与破坏，忽略了进水洞和两个尾水洞。（3）忽略了洞径较小并且仅有局部影响的施工支洞、交通洞、电缆斜井和排水廊道等。
    建模过程中，需要注意的有以下几点：
    1)对模型内部操作（如空洞）时，可以先生成空洞部分，再和外部模型体组合成所需要的模型。
    2)对于任何体的某一个面，都应当是凸多边形（即图形必须在任何一边或其延长线的一侧），且其边数不应超过4，否则将会出现拓扑错误，无法划分单元。
    3)合并重复的实体图元，如相同位置的两个关键点或线，以节省存储空间。
    4)不能出现扭曲的面，但允许是弧面。
    1.3  网格划分
    此工程模型中间是地下厂房的洞室群，为此，先给洞室群部分划分单元，然后给厂房邻近的模型体划分单元，这里要注意的一点是要保证它们的接触部分的节点能够吻合。最初采用的是四面体单元，之所以使用该种单元，主要是它