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。     

三维快速拉格朗日法进行水布垭地下厂房的稳定分析

选取清江水布垃水利枢纽工程地下厂房区，采用三维快速拉格朗日法(FLAC—3D)，模拟施工开挖过程，研究了复杂地质条件下洞室群围岩的开挖变形形态与应力状态，分析了围岩塑性区分布及地下厂房洞室群围岩的稳定性，并对层水洞顶拱进行了加固处理。     

锦屏I级水电站地下厂房围岩变形破裂的三维损伤流变分析

 锦屏I级水电站处于高地应力区,地下厂房围岩在此是表现有一定塑性的大理岩。在工程开挖后围岩和支护结构的变形开裂特征明显。针对这些特点,采用损伤流变耦合的三维模型和分析方法,结合运用裂隙张开产生的附加变形分析法,对该工程地下厂房洞室群的稳定性进行分析,将厂房若干关键点的位移量与实测值进行对比,取得了较好的结果;同时,对洞室的长期时效变形进行预测分析。     

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序 与支护参数组合优化的智能方法

 针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。     

龙滩水电站地下厂房主支洞交叉处稳定性分析

根据龙滩水电站地下厂房巨型地下洞室群的布置情况,结合洞室围岩为顺层断层和节理发育的高陡倾角层状岩体的地质特点,建立了三维有限元计算模型,并针对主支洞交叉处岩体的稳定性分析进行了分步开挖下的弹塑性数值模拟.计算结果表明：主支洞交叉处的岩体是应力松弛和塑性区的主要分布区域,该处岩体变形量大,具有明显的非对称性.现有的加固方案是有效、安全的,这一结果可供工程参考.     

江口水电站地下厂房洞室围岩弹塑性数值分析

采用二、三维弹塑性有限元方法,对江口水电站地下厂房洞室群围岩开挖及锚杆支护进行模拟,研究洞室在开挖过程中及完成后围岩的的变形与应力,并对地下厂房洞室群围岩的整体稳定性作出评价.     

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。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

地下厂房洞室群施工期围岩变形及破坏特征分析

简要介绍了锦屏一级水电站地下厂房洞室群的工程地质条件、施工期安全监测方法。对围岩变形监测成果进行了统计分析,对围岩变形规律及特点进行了研究。结合施工开挖及地质条件,对围岩变形过程、时效行进行了探讨。经过分析认为厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂,与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关,其中地应力高的大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的主要原因。提出了增加开挖层数、减少开挖层高、相邻洞室错层开挖、增加对穿锚索及降低锚索锁定初值等建议措施。     

江边水电站地下洞室群围岩稳定性数值分析

利用显式有限差分快速拉格朗日分析程序FLAC3D,在进行初始地应力反演的基础上,建立了四川江边水电站地下厂房洞室群的三维非线性地质力学模型。采用基于能量耗散原理的弾脆性本构模型,对设计开挖和支护方案进行了全过程模拟分析,得到了施工过程中洞室群围岩的位移、应力和塑性区分布特点,并与现场监测情况进行比对,根据分析结果提出了加强监测的位置、加强支护的部位,并建议主厂房下游边墙和主变洞上游边墙之间区域采用预应力锚索进行重点加强,最后对支护系统和建议的合理性进行评价,对地下洞室群的设计和施工起到了一定的指导作用。     

压气储能地下储气库围岩累积损伤特性数值研究

压气储能电站地下岩穴储气库围岩在循环运行工况下累积损伤效应明显。为研究大规模地下储气库围岩的累积损伤特性,基于损伤理论和FLAC^3D软件平台,二次开发了适用于大规模地下储气库循环加卸载条件下的累积损伤分析程序,并对程序正确性进行了验证。在此基础上,研究了储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力等因素对储气库围岩累积损伤特性的影响。研究表明:①储气库截面型式、洞室埋深和运行下限压力都对储气库围岩变形参数损伤影响较显著,且储气库竖直方向损伤深度都大于水平方向损伤深度;②损伤区内围岩变形参数的损伤程度和损伤变量随着洞室埋深或运行下限压力的增加而减小;③对于相同截面型式的储气库,埋深和运行下限压力不同时,储气库围岩损伤区内同一测点位置的损伤变量或变形参数差值随着循环次数的增加逐渐增大。大规模地下储气库围岩累积损伤特性对全面分析储气库的安全稳定性不可以忽略。     

基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法

 针对岩土工程数值分析中地质断层建模困难的问题,提出基于单元重构的岩土工程复杂地质断层建模方法。该方法首先对分析对象进行独立离散,建立不考虑地质断层的模型。再通过单元重构,可将地质断层嵌入已建模型,实现复杂地质断层的自动建模。所谓单元重构,是首先使用八节点六面体单元,建立不考虑断层的分析模型,再借助四节点四面体,五节点四棱锥和六节点三棱柱等单元形态,对地质断层穿过的网格进行处理,重构为由多种单元形态构成的模型。然后结合岩土工程断层建模实例,将该方法应用于复杂地下岔管、重力坝坝肩和坝基以及大型地下洞室群的断层建模,可证明其有效性。进一步以大型地下洞室群为例,将考虑地质断层的洞室群模型导入通用软件,采用实体单元模拟地质断层进行开挖计算,并与不考虑断层的情形对比分析发现,考虑地质断层后,围岩位移和应力分布都呈现出不连续性,被断层切割部位的围岩变形增大,应力出现松弛。这表明含有地质断层的重构模型可以用于数值计算,且能有效反映出地质断层对洞室围岩稳定的影响,从而可证明该建模方法的可靠性,为岩土工程的复杂地质断层建模提供便捷的实现途径。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。     

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。     

洞室围岩三种破坏形式的试验研究

 为探讨洞室围岩的破坏过程和机制,进行拉断裂和远场断裂破坏、V型坑破坏及分区破裂化3种破坏形式的试验研究。试验中采用平面和空间加载方式对预制洞室模型进行加载,通过白光散斑数字相关方法和声发射对模型洞室围岩的破坏过程进行监测,进而对3种破坏形式的形成机制进行分析。拉断裂和远场断裂破坏试验表明：远场断裂产生的力学机制主要是以拉应变集中,即拉断裂为主,拉压联合作用的结果;V型坑破坏试验表明：洞室围岩从局部破坏发展形成V型断裂区,后续断裂从V型断裂区尖端形成,向洞室围岩深部扩展;分区破裂化试验表明：洞室围岩深部的环向断裂是从洞室边界的局部破坏区尖端开始,向洞室围岩深部扩展,并在洞室边界与围岩深部环向断裂之间形成完整的没有破坏的区域。     

地下洞室开挖松动圈评估方法研究

 采用数值方法分析地下洞室开挖后的岩体塑性开裂区,与实际情况差异较大;主要取决于选择的塑性流动判别准则,因此采用声波测试确定围岩松动圈,界定标准存在一定的模糊性和经验性,实际操作困难也较大。根据围岩松动的主要影响因素,结合实验研究成果,基于施工开挖的声波资料,在统计分析的基础上给出洞室松动圈判别的数学模型。根据监测资料,通过挖掘数据发展的潜在规律,运用监测位移时间和空间上的特性,提出主级松动、松动扩展百分比等新概念。该方法为洞室围岩整体性稳定和围岩松动评判拓展新的思路,并为地下厂房洞室的监测资料分析和开挖质量评估,提供有效方法,同时对其他类似工程也提供一定的借鉴作用。     

考虑围岩开挖扰动裂化的定位块体稳定性分析

节理、裂隙、断层等结构面与开挖面形成的块体稳定性一直是大型地下厂房施工安全的核心问题。施工中由于围岩的开挖扰动形成不同深度的“裂化面”对地下厂房关键块体的形成和稳定具有显著的影响。在对围岩开挖扰动分区裂化现象进行概化的基础上,将“裂化面”等效为平行于开挖面的结构面,采用一般块体分析理论,对某抽水蓄能电站施工过程中出现的围岩衬砌开裂和块体塌落开展定位块体稳定性分析。研究结果表明:考虑“裂化面”的块体多以棱台状出现;围岩开挖扰动裂化深度较浅时形成的定位块体易出现塌落,当裂化深度增加时,考虑“裂化面”相对于不考虑“裂化面”形成的定位块体的体积有明显增加,这些大体积的块体若发生小的滑移变形极易导致围岩衬砌开裂。     

考虑流固耦合的地下储油洞库稳定性研究

应力场与渗流场耦合是影响水封式地下储油洞库群稳定性的重要因素之一。洞库群的开挖导致形成区域地下水降落漏斗,因此储库水封系统必须保证稳定的地下水位。以“黄岛地下水封洞库工程”的设计方案为模型,基于流固耦合分析理论,采用有限差分软件Flac3D进行数值模拟,主要分析了饱和水状态下,渗流场对洞库周围围岩应力、位移变形和孔隙水压力的影响,并确定合理的水封方案和最优的水封巷道高度。文中所得结论对实际地下洞库群的设计施工具有一定的参考价值。     

北盘江电站地下厂房群施工过程数值分析

以北盘江一级水电站地下厂房群为例,依据工程区区域地质条件与水文地质条件并结合实际开挖方式与开挖顺序,成功地在ADINA中实现了三维仿真数值模型的建立。采用应力试算法对模型边界处初始地应力进行拟合,在分析区域构造特征、现场实测数据和前期研究成果的基础上,通过对重力场模型的竖向边界上同时施加水平方向对称梯度应力,所取得的拟合效果最佳。洞室开挖完成后,洞周块体的水平位移均指向下游;围岩位移收敛速度较快,时效特征不显著。由于顶部局部软弱带的影响,致使该区洞室围岩变形稍大,但洞室整体稳定状况良好。最后,将位移现场监控数据与模拟结果进行了对比分析,结果说明所建模型可靠度高,可为洞室设计提供科学依据与技术指导。     

节理岩体地下洞室稳定性的静动力响应分析

节理岩体地下洞室在地震作用下的安全响应是众多专家学者关注的问题之一,本文针对该问题采用三维离散元法研究节理地下洞室的稳定性,建立了一个含节理组的地下洞室模型进行分析研究。分别对洞室开挖后在常规荷载作用下的响应、洞室开挖后在地震荷载作用下的响应以及开挖支护后在地震荷载作用下的响应等三种工况进行模拟,得出了洞室在三种工况下的应力和位移变化情况。研究表明:地震对洞室的破坏非常大且时间短暂,支护后的洞室围岩能够使破坏时间延迟,在一定时间内增强了洞室围岩的抗震能力。本文的工作不仅对含节理的地下洞室开挖后的围岩变形和支护提供借鉴,而且对地下洞室和隧道的抗震设计具有指导意义。