白鹤滩水电站地下厂房开挖过程微震特征分析

 白鹤滩水电站左岸地下厂房规模巨大,开挖卸荷导致局部围岩破坏问题突出。为研究开挖扰动下围岩破坏演化机制及变形机制,通过构建微震监测系统,开展地下厂房开挖卸荷过程微震实时监测。监测结果表明：(1) 微震活动与爆破开挖密切相关,地下厂房第一层开挖过程中,形成3个潜在失稳区域：主厂房4#与5#机组之间下游侧拱肩、主厂房6#与7#机组之间上游侧拱肩和主厂房8#机组顶拱至主变室顶拱的条带状区域。(2) 开挖强度以及断层构造主导下聚集的微震事件矩震级、Es/Ep等参数特征有所差异,由此引起的围岩潜在破坏形式不同,微震活动特征可为微震聚集区围岩提供针对性施工参考。(3) 局部围岩外观变形前的数日内,微震事件在该区域迅速聚集,同时视应力显着增加,累积视体积基本稳定。研究结果可为白鹤滩水电站左岸地下洞室群后期开挖和支护提供重要参考。     

考虑施工期应力调整的浅埋地下厂房围岩破坏模式分类

围岩破坏模式研究对地下洞室群的安全施工与高效支护具有重要意义。地下厂房多采用分层开挖施工方式,在此过程中围岩体的应力状态随开挖的进行而不断调整,因此,研究施工期应力调整的地下厂房围岩破坏模式十分必要。首先通过广泛调研现有地下工程的围岩破坏模式,归纳汇总了中低地应力水平围岩破坏模式分类;然后,分析浅埋地下厂房分层开挖下围岩体的应力调整特征,并从应力调整角度提出了浅埋地下厂房考虑开挖阶段、典型部位、以及岩体基本质量(BQ值)的围岩破坏模式分类,详细阐述与分析各破坏模式的破坏现象及破坏机制;最后,将该破坏模式分类在托巴水电站地下洞室群进行了应用验证。提出的围岩破坏模式分类可为浅埋地下工程施工期围岩破坏防治提供参考。     

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。     

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。     

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。     

高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究

 在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有“高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件”的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、监测、测试及数值分析等资料,首先从错动带产状、成因和自身特点等方面对错动带的工程特性进行详细论述,然后对因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块和剪切滑移型破坏3种类型;其次,研究分析各类含错动带岩体的破坏特征与机制,包括时空演化过程、形态特征、破坏规模等,初步揭示3种破坏模式对应的力学机制;最后,给出典型的含错动带岩体破坏模式分析预测和支护探讨实例,从而为白鹤滩地下厂房施工过程中含错动带岩体不稳定性问题的预测和调控提供借鉴。上述研究成果对于高应力条件下类似的地下洞室群含错动带岩体的稳定性研究具有重要的参考价值和指导意义。     

乌东德水电站地下厂房开挖过程微震监测与围岩大变形预警研究

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群地质条件复杂,大规模洞室开挖导致围岩变形问题突出,严重影响施工进度及人员安全。引入高精度微震监测系统,分析微震时空演化特征,结合现场施工动态、地质资料和常规监测数据,揭示地下厂房围岩损伤特征;对比地下厂房围岩外观变形监测数据,探讨围岩大变形过程中震源参数演化规律,提出围岩大变形预警方法。研究表明:微震时空分布规律能够很好地反映地下厂房施工动态对围岩扰动情况,微震事件聚集演化与围岩变形损伤密切相关;围岩大变形开始前,微震活动频率增加;能量指数迅速增长至较高水平,视体积均匀增加;微震信号频率呈降低趋势。研究结果可为地下厂房洞室群后续开挖、加固及围岩大变形风险预测提供重要参考。     

白鹤滩水电站主厂房第Ⅰ层开挖期围岩变形规律与机制研究

白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大,厂房区构造应力高,地质条件复杂。主厂房第I层施工期,围岩变形和稳定问题突出。根据主厂房第I层开挖支护完毕后围岩变形监测资料,结合地质资料、施工情况,分析主厂房围岩变形规律与机制。统计分析得到,在高地应力和软弱地质构造控制下,围岩位移量值较大;由于右岸场区初始地应力大于左岸,右厂扩挖跨度大于左厂,且不良地质构造较左厂发育,右岸主厂房围岩变形量值普遍大于左厂;受初始最大主应力方向影响,左右岸主厂房拱顶和下游拱肩围岩变形普遍大于上游拱肩,且围岩变形较大部位均发育软弱构造带或岩体较破碎;围岩位移与开挖卸荷关系密切,监测断面附近开挖时,位移–时程曲线随开挖呈台阶式增长;岩体质量较好的洞段,掌子面的位移空间效应范围约一倍洞室跨度;软弱构造处,围岩变形在较长时期内随施工活动小幅跳跃增长,掌子面空间效应达到两倍洞室跨度;围岩时效变形不明显;软弱构造处围岩变形速率数倍于完整岩体。分析总结白鹤滩水电站地下厂房围岩变形规律对保障施工期安全和预测下阶段开挖围岩稳定性具有重要意义。     

猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析

 以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析了围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨了开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。     

坚硬围岩初期支护合理时机研究

针对某水电站业已完成的地下厂房第一期开挖开展坚硬围岩初期支护的合理时机研究。首先,根据地下厂房围岩变形监测资料,研究分析了围岩位移变化率的时间效应及坚硬围岩的应力释放特征;其次,借助二维有限元分析软件Phase2,通过指定不同的应力释放系数来模拟不同的洞室支护时机,计算结果表明在不同应力释放阶段,围岩自承载能力和围岩变形均表现出阶段性发展的趋势;随支护时机推迟,支护应力减小,围岩塑性区和开挖变形量增大;同时考虑坚硬围岩应力释放的时间效应,研究围岩变形特征曲线,为初期锚喷支护的设置时机提供了可以测量、控制的研究手段。最后,综合不同支护时机下的支护抗力和围岩应力、变形分析表明:针对该水电站地下厂房坚硬围岩,应力释放达约60～70%或开挖通过施工断面15d左右是一个较为有利的支护时机。计算结果符合地下工程施工过程的一般规律,对于该水电站地下厂房正在进行的开挖支护活动具有很好的参考价值。     

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。     

大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控

 在归纳地下工程围岩破坏模式分类、分析方法和控制措施等方面研究成果的基础上,建立大型地下洞室群围岩破坏模式的分类方法。该分类方法充分考虑大型洞室群大尺寸、大高宽比和多洞室相互作用等特点,依据控制因素、破坏机制、发生条件3个层次归纳出18种典型的围岩破坏模式,给出每种破坏模式的主要稳定性分析方法和针对性控制措施等方面的建议。并进一步根据大型洞室群分步开挖过程中不断更新的工程地质条件和围岩性状,提出围岩破坏模式的动态识别、复核与调控方法。该方法已成功应用于锦屏二级水电站地下厂房洞室群的开挖过程中围岩破坏模式识别和实时工程措施(开挖和支护)调控,实现施工过程中围岩局部不稳定性问题的识别、预测与动态调控。实践表明,该方法实用、科学和系统,可有效地指导大型地下洞室群施工过程中的开挖与支护设计动态优化,避免局部不稳定性问题的发生。     

大型洞室群智能动态设计方法及其实践

 针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。     

深埋地下厂房微震监测系统及其工程应用

猴子岩水电站地下厂房水平埋深280~510 m,垂直埋深400~660 m,属于典型深埋地下厂房,山体地应力高,地质条件复杂。为监测和分析地下厂房开挖过程围岩的稳定性,识别和圈定围岩潜在的破坏失稳区域,2013年4月安装加拿大ESG微震监测系统。采用声波仪测定地下厂房岩体波速的范围,并结合爆破试验方法计算得到微震监测系统整体等效P波波速为5 700 m/s,系统定位误差小于10 m。对拾取的微震事件波形手动处理,提高定位精度,并剔除干扰事件。通过地质资料分析和现场踏勘,微震活动性时空分布演化规律揭示并圈定猴子岩水电站地下厂房围岩微破裂集中区域及其潜在失稳风险区域。研究结果可为猴子岩水电站地下洞室群后期开挖和支护提供参考,也为类似开挖强卸荷作用下深埋地下洞室围岩稳定性评价提供一条新的研究思路。     

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。     

猴子岩水电站地下厂房洞室群施工期围岩变形与破坏特征

猴子岩水电站地下厂房洞室群具有高地应力、低强度应力比的特点,在施工过程中出现严重的变形破坏现象。结合地质、监测、检测及施工资料对施工期围岩的变形与破坏特征进行分析,分析结果表明：主厂房、主变室及尾调室围岩位移大于50 mm的测点分别占17.2%,27.3%和9.4%,三大洞室围岩变形处于较大水平,远超其他电站同期水平。最大位移出现在III 1类围岩处,表明高地应力条件下,较完整硬岩产生的卸荷回弹变形较大,岩石本身破坏产生的变形所占比重增加。围岩变形深度为5～15 m,最大可达23 m,相对较大;围岩变形与开挖卸荷关系密切,呈“阶跃式”发展。围岩变形破坏以应力重分布起主导作用的应力驱动型为主,由结构面不利组合控制的重力驱动型不再占主导地位。研究猴子岩地下厂房洞室群围岩变形破坏机制对其施工及运营安全具有重要的工程意义。     

高应力下硬岩卸荷破裂:白鹤滩水电站地下厂房玄武岩开裂观测实例分析

依托我国目前在建最大的白鹤滩水电站地下厂房面临的高应力诱发围岩破坏问题,通过现场围岩破坏统计调查和岩体钻孔摄像连续观测,全面揭示洞室开挖强卸荷下玄武岩内部破裂的演化全过程。厂房洞室现场围岩表层开裂破坏调查表明:玄武岩卸荷片帮破裂不仅可发生在完整岩体表面,还可发生在含一、二组非充分发育节理的岩体表面,失稳表现形式为片状与板状剥落。进一步的破裂岩片表面细观三维光学扫描和微观电镜扫描分析显示其表面较为粗糙(JRC一般大于8),晶体撕裂无擦痕,揭示了玄武岩片帮的张拉破坏机制。厂房洞室围岩的钻孔摄像连续观察揭示:玄武岩卸荷开裂具有空间非连续性、最大开裂深度逐步增长、裂隙宽度时效增大或减小、锚杆和锚索支护对开裂抑制作用明显等特征。且现场观测还发现,围岩表面的破坏与内部的时效开裂具有协调性,即围岩的开挖损伤区范围内岩体是逐步开裂,当围岩开裂随着时间发展到一定深度且裂缝随时间发展到一定宽度,围岩表层剥落、片帮等破坏行为随即出现。对白鹤滩玄武岩卸荷开裂的观测研究不仅直观揭示了一种高应力下硬岩卸荷破坏的表现形式,还表明监测岩体时效开裂发展过程对于深部硬岩的工程灾害预警和支护优化具有十分重要的意义。     

两河口水电站地下厂房开挖过程微震活动特征分析

为识别和圈定开挖扰动过程地下厂房围岩损伤区域,分析评价围岩稳定性,构建了ESG微震监测系统,对围岩内部微破裂活动开展实时监测。监测结果表明:监测期间出现了2个微震事件聚集区域,均与母线洞爆破开挖扰动及母线洞与主变室边墙的交叉临空面形成有关。地下厂房微震活动存在明显的随施工扰动控制的时空迁移演化规律,分析其规律特征可为支护施工提供针对性参考。E_S/E_P为微震事件S波和P波能量比值,聚集区域Ⅰ约75%的微震事件E_S/E_P值小于10,表明微破裂以拉伸型破坏为主。同时,该区域围岩变形松弛前,微震事件具有"短期聚集、视应力迅速增加、视体积缓慢增长"的特点,可作为围岩变形预警的定性判别指标。研究成果可为两河口水电站地下厂房后期施工支护提供参考。     

深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类与调控策略

 根据锦屏II级水电站地下隧洞的地质条件、现场试验、数值分析和支护设计与施工全过程,建立深埋硬岩隧洞围岩的破坏模式分类方法。该分类方法依据支护要求和控制因素将深埋硬岩隧洞的破坏现象分为3个大类、9种典型破坏模式,分析各种破坏模式的发生机制、表现形态以及调控策略,重点讨论岩爆的机制以及相应的调控策略。应用该分类方法对锦屏II级水电站地下隧洞围岩的破坏模式进行识别、机制分析,相应的调控措施也得到采纳。工程实践表明,该分类方法全面、实用,为现场设计、地质和施工工程师等在深埋硬岩条件下进行隧洞开挖和支护设计优化提供具体指导方针。     

大型地下洞室岩梁开挖主要工程地质问题及处理措施讨论

为研究地下洞室岩梁主要工程地质问题及其应对处理措施,通过分析白鹤滩水电站岩梁地质条件、破坏特征、影响因素、不利后果等,对岩梁主要地质问题进行归类,分析产生原因,总结处理措施,研究认为岩梁主要地质问题有围岩变形、卸荷回弹、破裂破坏、松弛破坏、块体破坏、缓倾角软弱结构面影响、陡倾角裂隙影响等,为最大限度的避免不利地质条件影响,应在洞室选址、方案布置时便充分考虑,开挖前详细制定岩梁开挖方案,必要时采取预处理措施,对开挖后发生的围岩破坏,可针对性的采用机械挖除、预应力加固、增加插筋、混凝土修补、设置扶壁墙、固结灌浆、锚索加固等措施。