白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究

 在建的金沙江白鹤滩水电站地下厂房开挖规模巨大,其复杂地质条件和高应力导致围岩破坏现象突出。针对左、右厂房第一层开挖过程中曾频繁遭遇到的围岩片帮破坏问题,结合地质、施工、测试、试验及数值分析资料,全面总结和深入分析玄武岩片帮机制。首先,归纳和总结地下厂房围岩片帮破坏的基本特征与规律,包括其表现形式、形态特征、空间位置、破坏规模、滞后规律、破坏发展特征、对应岩性及支护特征等主要信息;进而重点探讨厂区地应力、岩体结构、岩性、施工因素等对围岩片帮的影响规律;最后,综合分析揭示片帮的形成与发生机制。该研究可为白鹤滩水电站地下厂房后续开挖过程中围岩片帮破坏的预防和调控提供重要支撑,也可为同类高地应力条件下大型地下洞室类似围岩破坏的防控提供参考。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

DDA方法在复杂地质条件地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

摘要：以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

高地应力条件下大型地下洞室群围岩失稳模式分类及调控对策

锦屏一级、猴子岩等大型水电工程地下洞室群的施工过程中出现岩爆、塌方、大变形及支护后喷层、围岩开裂等围岩变形破坏现象,对围岩变形失稳模式及针对性的调控措施缺乏系统、总结性的研究。在收集大岗山、锦屏一级、猴子岩、官地等多个典型水电工程地下洞室群施工地质、设计、物探、监测资料及现场调查的基础上,从控制因素上将围岩失稳模式分为岩体结构控制型重力驱动型、应力驱动型、复合驱动型3种类型;从破坏主要发生的工程部位将破坏模式归纳为5个部位、16种基础模式;以猴子岩水电工程主厂房动态调控为实例,说明所提出的调控措施的有效性和可行性。该研究成果可为大型地下洞室动态设计提供借鉴,为施工安全的保障提供理论依据,具有重要的工程意义。     

大跨度地下洞室拱顶稳定性及支护措施研究

拟建的金沙江下游一水电站引水发电系统地下洞室群规模巨大且布置复杂,其圆筒型阻抗式调压井高度达100 m,直径达50 m,洞室在同类工程中罕见,拱顶稳定及支护措施问题突出。针对复杂地质条件下,尾调顶拱围岩潜在的应力型破坏和结构面导致的变形与坍塌两类不同性质的问题,采用工程地质分析与三维数值模拟3DEC等相结合的方法,深入探讨圆筒形尾调室围岩应力集中范围、程度和高应力破坏风险;说明软弱层间错动带对围岩变形稳定影响及其安全性。研究表明：圆筒形尾调室总体受力特征良好,拱顶应力集中水平(30～44 MPa)相对不高,高应力破坏问题不突出;但层间错动带对拱顶稳定影响明显,沿层间错动带的错动变形较大且NNE向浅层7 m范围发生剪切屈服。采用系统支护与混凝土置换的加强支护措施后,可以明显减小层间带的错动变形,提高层间带的安全储备。     

龙滩水电站巨型地下洞室群稳定性分析

龙滩水电站地下洞室群的围岩由陡倾角、软硬相间的层状砂岩和泥板岩构成,层间断层和错动非常发育.运用有限元法和离散单元法模拟了地下洞室群开挖过程中围岩的变形和破坏特征,评价了洞室群的整体稳定性.计算成果表明洞室群围岩变形特征和破坏特征主要受断层和层间错动带控制;洞室上游侧墙的变形和破坏特征表现为围岩顺结构面的剪切滑移;洞室下游侧墙则以倾倒变形破坏为主;顶拱变形表现为下沉,底板变形表现为轻微回弹,两者的稳定性较好;有限元和离散元模拟的围岩变形和破坏特征基本一致.     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题

为全面认识川藏铁路沿线主要不良地质条件与工程地质问题,为铁路规划、选线和设计提供科学依据,保障铁路安全施工与运营,通过大量文献调研对现有研究成果进行总结,对铁路沿线不良地质条件与工程地质问题进行分析,最后为川藏铁路沿线潜在问题提出研究建议。研究结果表明:川藏铁路沿线不良地质极为发育,具有"五高"(高海拔、高地震烈度、高地应力、高水压、高地温)、"两活跃"(断裂带活跃、冻土边坡和隧道洞口段冻害破坏活跃)七大显著特征。活动断裂带第四纪以来活动明显且地震频繁,还可诱发地质灾害链,是铁路建设所面临的严峻挑战;浅表层崩塌、滑坡、泥石流灾害的空间分布受活动断裂带控制,灾害在地震后较长时间内仍具有高风险,而冻土边坡热融滑塌与冰湖溃决型泥石流也是铁路沿线典型的工程地质问题;热、冻灾害可使岩石和建筑材料力学性能发生劣化,影响隧道服务寿命。在高地应力、高地温、高渗压及动载荷多场耦合作用下,隧道内突水突泥、塌方冒顶、软岩大变形和岩爆灾害机制具有特殊性和复杂性,灾害防控方法亟需完善。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

复杂地质条件下导流洞塌方的离散元法模拟研究

锦屏一级水电站左岸导流洞地质条件非常复杂,地应力极高,节理、断层发育,施工过程中发生了较大规模的塌方。基于离散元法模拟主要节理和断层,建立计算模型,通过计算和分析,得到导流洞围岩的变形破坏规律。导流洞开挖后,围岩应力释放,结构面松弛、滑移,导致围岩边墙首先产生纵向裂缝,拱顶出现掉块;随着结构面变形加剧,边墙沿结构面进一步滑移张开,拱顶的支撑作用减弱导致坍塌,计算模拟和实际塌方情况基本一致。     

水电工程高陡边坡全生命周期安全控制研究综述

 库坝安全是水电工程成败的关键,高陡边坡规模巨大、服役时间长、安全标准高,设计、施工与运行的难度世界罕见,已成为制约水利水电工程建设与运行安全的关键科学技术难题。在回顾研究现状的基础上,紧扣高陡边坡性能演化与安全控制这一主题,以全生命周期为研究主线,阐明高地应力区高陡边坡岩体工程作用机制与效应、复杂环境下高陡边坡变形与稳定性演化机制、高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制理论等关键科学问题及其重点研究内容,论述水电工程高陡边坡全生命周期安全控制研究的学术思路与技术路线,介绍部分阶段性研究成果,对高陡边坡开挖锚固与渗流控制等工程作用效应、高陡边坡岩体时效力学特性、边坡与坝体–库水相互作用与稳定性演化机制以及高陡边坡全生命周期性能评估与安全控制等进行展望。     

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。     

乌东德水电站右岸地下厂房开挖围岩破坏模式及形成机制研究

 乌东德水电站右岸地下厂房洞室群布置复杂,中低应力条件下,“陡倾、小夹角”等不利岩层产状导致结构面控制型破坏现象突出。结合地质、现场勘查、常规监测、微震监测及数值模拟资料,全面总结和分析右岸厂房下游拱座岩体破坏模式及形成机制。首先,基于现场勘查及常规监测资料,归纳和总结围岩破坏的基本特征与规律,包括其破坏形式、空间位置、破坏规模、破坏发展特征等主要信息;其次,总结岩体破坏孕育、发展过程中微震活动强度的时间演化规律,分析得到基于微震活动特征的层状岩体破坏前兆;最后,采用“微震监测”为主“数值模拟”为辅的综合分析手段,揭示下游拱座岩体发生弯曲倾倒的破坏本质及其形成机制,探讨岩体结构对拱座围岩破坏的力学影响机制。该研究可为陡倾层状岩体中大型地下洞室优化开挖方案和支护措施提供依据,也可为同类大型地下洞室相似围岩破坏的防控提供参考。     

Rock mechanics contributions to recent hydroelectric developments in China

Rock mechanics plays a critical role in the design and construction of hydroelectric projects including large caverns under high in situ stress, deep tunnels with overburden more than 2500 m, and excavated rock slopes of 700 m in height. For this, this paper conducts a review on the rock mechanics contributions to recent hydroelectric developments in China. It includes the development of new testing facilities,mechanical models, recognition methods for mechanical parameters of rock masses, design flowchart and modeling approaches, cracking-restraint method, governing flowchart of rock engineering risk factors enabling the development of risk-reduced design and risk-reduced construction, and initial and dynamic design methods. As an example, the optimal design of underground powerhouses at the Baihetan hydroelectric plant, China, is given. This includes determination of in situ stresses, prediction of deformation and failure depth of surrounding rock masses, development of the optimal excavation scheme and support design. In situ monitoring results of the displacements and excavation damaged zones(EDZs) have verified the rationality of the design methodology.     

Latest technology of underground rock cavern excavation in Japan

Four major projects with large-scale rock underground caverns are discussed in this report; two hydropower stations, one underground oil storage facility and one underground museum in Japan. The technology applied to the construction of these caverns have some unique characteristics and can be applied to various other underground uses for different purposes and applied to larger-scale underground rock caverns with different geological and in situ stress conditions. Generally, construction of an underground cavern is comprised of five major activities: geological investigation; cavern stability analysis; initial rock support design; excavation works; and redesign of rock support according to the observational construction method. Weighted factors allocated among these factors should be established based on the rock properties and the purpose of the underground cavern use, which would define the major characteristics of the construction project. This report discusses some of major characteristics of these projects in Japan.