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。     

水电站地下厂房层状围岩现场监测及稳定性研究

对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行各种因素作用下的综合稳定分析,并依据多种测试手段,对开挖后洞群交叉部位的围岩位移、松动范围等进行动态跟踪监测.研究开挖过程中主厂房顶拱围岩的变形规律、围岩松动范围,并利用有限差分法对地下洞群各开挖步序的围岩位移进行计算分析.实时监测数据和理论计算成果对比分析表明:计算结果与监测数据较好吻合.因此研究成果对同类型大型地下洞群层状围岩变形破坏特征、变形规律、力学行为、松动范围的研究具有重要的参考价值,并对一些控制性指标的界定具有理论指导意义,同时对大型地下洞群的设计和施工具有一定的指导作用.     

向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工和监测

 金沙江向家坝水电站地下厂房规模庞大,具有结构尺寸大、地质条件复杂、支护工程量大、施工干扰大等特点。通过大量的科研设计,确定地下洞室群尤其是主厂房的施工程序和支护参数。在施工过程中采用精细化管理对施工进行严格控制,建立设计、科研、施工一体化的实时监测动态分析反馈系统。开挖结束后,主厂房围岩变形趋于稳定,顶拱最大变形13.36 mm,边墙最大变形6.74 mm,均小于设计计算值(顶拱最大位移20.4 mm、边墙最大位移62.5 mm),并小于国内同类工程。总结向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工实践中形成的设计、施工和项目管理原则和程序,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

高应力地下厂房顶拱开挖过程围岩力学响应与稳定性分析

水电站地下厂房洞室群地质结构复杂、地应力高，施工期间围岩变形破坏现象频繁发生。针对某水电站高应力地下厂房开挖卸荷诱发顶拱破坏的问题，开展围岩损伤演化过程分析。利用微震监测技术实时记录地下厂房开挖期间围岩微破裂萌生、发育及扩展过程。结合常规监测、现场踏勘，揭示深部围岩损伤与施工动态的响应规律。采用数值模拟重现开挖过程应力场与位移场的渐进演化特征。研究结果表明：微震活动与施工状态、地质条件密切相关，厂房K0–40～K0–60区域微震事件聚集由强卸荷及节理、裂隙共同控制。开挖卸荷形成的高边墙水平应力及顶拱垂直应力加剧了围岩损伤沿开挖轴向扩展演化。震源参数在围岩变形破坏前表现为矩震级增大、视应力下降、累计视体积不变。研究成果可为类似地下工程开挖围岩损伤及稳定性评价提供借鉴。     

地下厂房岩锚梁裂缝成因分析

针对水电站地下厂房开挖过程中出现的岩锚梁与围岩结合部位的纵向裂缝,结合地质资料、监测成果和施工过程,对岩锚梁裂缝产生的原因进行较为详细的分析,认为裂缝形成的时间在2006年10月底至11月初,即地下厂房进行第Ⅴ层开挖施工期间;裂缝段围岩的差异变形是裂缝产生的主要原因;导致围岩差异变形的地质原因是存在岩脉断层,施工原因是支护措施不能有效地节制围岩变形.因此,考虑岩体的非连续性,加强施工期地质工作,及时预测侧墙可能出现的差异变形,并采取有力的支护措施对确保岩锚梁安全十分重要.     

双江口水电站主厂房开挖初期围岩变形破裂与稳定性分析研究

双江口水电站主厂房初步开挖过程中脆性破坏现象明显,煌斑岩脉影响洞段围岩变形问题突出。为此,在主厂房初期开挖结束之后,综合围岩变形多点位移计监测、围岩裂隙钻孔成像观测、地下厂房开挖过程数值仿真和煌斑岩脉对局部洞段变形影响的3DEC模拟等手段,提出基于围岩松动圈与厂房截面面积的洞室稳定性评价方法,对围岩变形破裂特征及其稳定性开展深入研究。结果表明:第一层开挖后主厂房围岩变形整体较小,但顶拱下沉相对较大。高应力下硬性花岗岩围岩时效性变形特征不明显,围岩变形主要受开挖掌子面影响,掌子面对煌斑岩脉影响洞段变形的控制作用范围约为1.5倍洞室跨度;此外,当前层开挖围岩浅部和深部均有裂隙分布,岩脉与均质岩石交界处开裂现象严重;开挖卸荷导致煌斑岩脉与其上盘岩层错动,产生剪切变形,致使该区域顶拱变形过大;增设完全穿过煌斑岩脉的锚索这一局部加固支护措施十分有效,显著改善了相关洞段的稳定性。研究成果将为该水电站后续开挖支护方案的优化及局部失稳部位加固措施的选择提供重要依据。     

大型地下洞室群稳定性地质力学模型试验研究

某地下厂房洞室群规模巨大,地质条件复杂,为了研究地下洞室群开挖施工过程中的应力及稳定情况,采用平面地质力学模型试验,模拟厂区实际地质条件和洞体结构,施加初始地应力荷载,分别对毛洞情况和支护情况按推荐开挖顺序进行试验研究。试验结果表明,毛洞情况开挖过程中洞周位移未发生突变,开挖完毕后,洞周围岩位移均指向洞内,位移量值不大,洞周围岩未出现切向拉应力,围岩具有一定的超载安全储备。锚固支护后,洞周位移减小,洞周围岩应力分布趋于均匀,应力状态得到改善,超载安全系数得到提高,锚固支护效果明显,除了洞室交叉口和洞室拱座处局部发生应力集中外,整个洞室群开挖后围岩应力分布规律正常,应力状态良好,说明施工开挖方式和锚固支护参数是合理的。模型试验和三维非线性有限元计算结果相比较,位移变化规律、破坏形态规律基本一致,从而达到了相互验证的目的。     

深埋超大跨度地下洞室围岩稳定性研究

在深埋超大跨度地下洞室的开挖过程中,若支护方式和开挖方法不合理,易导致坍塌、大变形等失稳破坏现象,保证洞室的稳定性是施工过程中的核心任务,而现阶段国内外尚无明确标准对于地下洞室的稳定性定量分析,本文采用强度折减法对于深埋超大跨度洞室围岩稳定进行理论研究,得到了不同围岩等级下的安全系数,并对地下洞室破坏形态进行研究,为支护设计提供参考。     

大型地下洞室断层破碎带变形特征及强柔性支护机制研究

锦屏一级水电站地下洞群规模巨大,布置复杂,且位于3条大断层及多组节理切割的高应力地质体内。多洞交叉大型洞群多步开挖强卸荷过程中,主洞室结构面或断层破碎带的支护方式、参数选取与优化以及支护时机的确定是影响整个设计洞群稳定的关键问题之一。结合地下厂房洞群的开挖支护过程,研究主洞室围岩断层带变形破坏力学机制,探讨围岩分层次支护的耦合作用机制以及力学与变形特征。基于对洞室围岩不同支护形式的数值模拟和原位监测,研究在挂网喷射混凝土支护系统中增加钢筋拱肋这一强柔性支护技术。结果表明,该种支护技术措施能有效地控制围岩变形,避免局部失稳导致洞群不稳定或垮塌现象的产生,对大型洞群开挖支护设计与施工具有重要参考价值和指导意义。     

白鹤滩右岸地下厂房顶拱深层变形机理分析

在世界最大跨度的白鹤滩水电站右岸地下厂房开挖过程中,位移监测揭示0+076 m～0+133 m洞段正顶拱距开挖面17～26 m的围岩存在持续、缓慢的"深层变形",变形量级整体达35～55 mm,且0～17 m不同深度测点出现同步等速位移增量,成为了施工期反馈分析最为关注的岩石力学问题。在介绍厂房顶拱位移监测布置和监测成果基础上,通过多点位移计监测成果的GoCAD插值直观展示了围岩变形的空间分布特征,说明了顶拱围岩变形模式的特殊性;然后,结合FLAC3D数值分析,探讨了洞室群围岩应力集中、破裂扩展和时效变形的分布特征,诠释了"深层变形"的成因机理,并且通过围岩破坏现象和密集准分布式光栅光纤位移监测进行了验证;最后,对该洞段顶拱围岩稳定性进行了评价。研究表明,厂房顶拱上方锚固洞底板浅层围岩应力集中程度大于岩石启裂强度,浅层岩体的破裂扩展造成了围岩时效变形,使得埋设于锚固洞底板松弛圈的多点位移计安装基座端产生抬动,间接造成多点位移计不同深度测点产生同步等速位移增量,从而表现出所谓的"深层变形"现象。研究成果为顶拱围岩异常监测变形的产生机制提供了合理解释,也为顶拱围岩稳定性评价提供了技术支撑。     

劣质岩(问题岩)的类型及其工程特性

本文将具有各种不良工程特性并极易引发工程事故的岩石和岩体称为“劣质岩”(问题岩)”。文中分别论述了极软岩、膨胀岩、构造岩、片状变质岩、含盐岩、疏松岩、风化岩等常见劣质岩(问题岩)的成因和工程特性,以引起工程界的注意和进一步研究。     

岩石边坡支挡结构上岩石压力计算方法探讨

在山城建筑中，岩石边坡支挡结构上的岩石压力至今尚无法计算。当前设计中，一般引 用挡土墙上土压力计算公式，导致设计十分保守。为此，提出一种经验与理论结合的方法，先将 边坡岩体按稳定性分类，然后按岩体类别给出相应的岩石压力计算公式。     

基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法

 对于线路工程上具有普遍性的岩质边坡,因数量多,范围广,工程勘察深度相对较浅。依据规范的测试和试验,建立一种基础性岩体质量评价方法,实现边坡工程岩体分级,并根据行业要求与经验提出支护措施,对提高岩质边坡工程设计与施工的科学性无疑具有重要的意义。针对现有的《工程岩体分级标准》(GB50218-94)没有涉及边坡工程岩体分级,在深入研究和系统消化边坡工程岩体分级成果基础上,提出基于岩体质量指标BQ的岩质边坡工程岩体分级方法(简称BQ-RSlope方法)。该方法在岩体基本质量指标基础上,考虑控制边坡稳定性的主要结构面类型与延伸性、结构面产状与坡面间关系以及边坡内地下水发育程度等影响因素,对岩体基本质量指标进行修正,由此确定边坡工程岩体级别,并给出各级别边坡工程岩体自稳能力的评价。结合4个边坡工程10个坡段的应用性验证,表明依据文中方法获得的各边坡坡段的岩体质量分级以及该基于质量指标对边坡稳定性的评价结果与工程实际总体相符,提出的依据BQ的岩质边坡工程岩体分级方法是合适的。     

切削和侵入作用下层理岩层破碎机理浅析

层理岩层是石油钻井中经常遇到的一类地层,特别是在页岩气开采过程中,所钻页岩属于典型的层理岩层。研究层理岩层在钻齿作用下的破碎机理对于控制井眼轨迹、优化钻进参数、提高钻进效率都有很大指导作用。在以往岩石破碎机理研究中,一般多假设岩石介质为各向同性;但是对于层理岩层,由于其表现出强烈的强度各向异性特征,各项同性假设不再适用。本文利用离散单元方法(PFC2D)建立了钻齿与层理岩层相互作用模型。研究了层理岩层在钻齿切削和侵入过程中的破碎情况、裂纹的扩展情况以及钻齿受力情况。研究表明:切削力根据层理倾角分为高切削力区和低切削力区;液柱压力的存在对裂纹扩展有抑制作用,增大切削力;在岩石侵入过程中,层理的存在改变了裂纹的走向,当主裂纹扩展至层理处时,裂纹不再向岩石内部扩展,而是朝着层理的方向扩展。     

孔径变形法测试地应力弹性模量参数选取分析

 随着大型水电工程和地下空间工程建设的发展,势必会加大研究岩体的应力测量技术及应力对工程岩体、工程建设的影响。以黄登水电站坝区岩体地应力测量为背景,通过岩芯围压试验、室内岩块压缩变形试验等方法测试弹性模量,其测试成果在各种试验中有很大的不同,因此采用岩石损伤力学、高围压下岩体特性等理论对该现象进行分析;同时,根据卸荷岩体特性对地应力测试中应力解除过程进行分析,确定扩容对地应力测试的影响。研究结果表明,随着围压的增加,岩体弹性模量可能出现正增长关系,主要原因是岩体裂隙的压紧导致结构的致密;岩体在卸荷的情况下会出现一定程度的扩容;同时,机械振动势必也加大扩容对于变形的影响。考虑上述因素,提出黄登水电站地应力测试中弹性模量的选取原则,该方法可为类似工程提供一定的参考价值。     

中国盐岩能源地下储存可行性研究

选定我国江苏金坛盐矿为示范工程，通过深部盐岩的力学及蠕变试验，研究了深部盐岩的变形规律，建立了深部盐岩溶腔的腔体变形三维计算模型。结合示范工程的具体地质条件，对深部地下盐岩溶腔的洞形、稳定性及长期稳定性进行了数值模拟，研究了不同压力下溶腔容积的变化规律。通过现场储气库压腔试验，验证了计算分析采用的参数合理性。研究结果表明，从地下工程稳定性方面来看，利用我国盐岩实施能源储备是可行的。     

岩石锚杆基础在冶金厂房设计中的应用

体型高大的冶金厂房受风荷载和吊车水平荷载影响,作用在基础上的弯矩较大,当基础位于岩石地基上时,如按普通基础设计,基岩的高承载力无法充分利用。而通过在基础底面设置锚杆,使基础与基岩连成整体,可较好地承担厂房柱子传来的弯矩,减小基础尺寸和埋深、节省投资,并为厂房内大型设备基础的布置提供足够的便利。     

岩体物理力学参数取值方法研究

对目前常用的求取岩体物理力学参数的试验法、经验分类法、综合法等方法作了简要的总结介绍，并作出有关评价，在合理确定岩体力学参数的基础上保证岩体工程的可靠性。     

论岩石的地质本质性及其岩石力学演绎

 简要论述岩石循环的地质作用,提出并讨论岩石地质本质性命题,侧重阐述岩石的物质性、结构性和赋存性,及其同地质演化的密切关系。作为岩石力学研究对象的岩石同其他工程建筑材料的不同之处就在于它的地质演化及所形成的地质本质性。通过对岩石本质性的认识,探讨岩石物理本属性,包括不均一性、不连续性的成因及其同地质本质性的关系。在此基础上讨论岩石力学本构性研究中对介质力学属性的考虑。试图通过岩石地质本质性、物理本属性到力学本构性的讨论建立起岩石力学与地质学相互认识和深入结合的知识通道。     

岩体基本质量围岩分级方法介绍及评析

总结了岩体基本质量分级方法的分析思路,给出了岩体基本质量分级方法的详细分级步骤,并通过分析对该围岩分级方法的科学性及可靠度进行了评价。