流场作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析水库蓄水后地下水渗流场对某水电站大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日法进行数值分析。在地下厂房施工期开挖支护全过程三维数值仿真的基础上,通过有无渗流场的影响、有无设置防渗与排水设施等不同工况进行对比计算分析,根据相应的岩体三维渗流场、塑性破坏区、位移场和应力场等计算结果,对电站运行期渗流场作用下地下厂房洞室群围岩与支护结构的稳定性进行分析与评价,论证了地下厂房防渗及排水设施设置的必要性和合理性,为大型地下厂房的合理设计与安全运行提供了科学依据。     

拱坝坝基渗流场的有限单元法精细求解

笔者在近 2 0年来对工程渗流问题研究的基础上 ,针对拱坝坝基岩体的渗流特性和有复杂的防渗与排水降压渗控措施 ,详细地论述了如何用有限单元法精细地求解坝基整体渗流场的思想和具体处理技术 ,所提出的算法技术在理论上是严密的 ,多年来一直已在工程中得到了广泛的成功应用。最后 ,作为算例对一个高 14 0m的拱坝坝基的三维整体渗流场进行了计算分析     

乌东德水电站坝址区地下水渗流三维非稳定流数值模拟

 针对乌东德水电站坝址区水库蓄水后的绕坝渗漏问题及地下水渗流二维和准三维稳定流模型的不足,在充分分析坝址区工程地质和水文地质特征的基础上,概化出乌东德坝址区地下水系统的水文地质概念模型,建立坝址区地下水渗流三维非稳定流数值模型,并采用有限差分法和预处理共轭梯度法对模型进行了求解。在天然工况、有帷幕正常蓄水和无帷幕正常蓄水3种工况坝址区地下水三维渗流场模拟的基础上,根据水均衡原理,计算各种方案枯水期和丰水期坝址区的渗漏量,结果表明,正常蓄水工况下,右岸绕坝渗漏量约为左岸的5.7倍,防渗处理后总渗漏量可减少72.98%,丰水期左、右坝肩和坝基的绕坝渗漏量均较枯水期有所降低。该模型稳定性好,收敛速度快。     

金佛山沥青混凝土心墙坝二维渗流计算分析

渗透水流将会对土石坝的坝体以及坝基渗透破坏产生巨大的危害性。本文依托金佛山水电站工程,根据沥青混凝土心墙堆石坝方案的地质条件及渗流控制特点,建立了平面有限元计算分析模型,模拟了坝体和坝基在不同水位组合条件下的渗流场,重点研究了其渗透破坏的可能性,并且对防渗帷幕和坝基渗透系数的敏感性进行了分析。计算分析结果表明:各种水位组合下,沥青混凝土心墙及防渗帷幕起主要的阻水作用,防渗帷幕的水力比降较大,其安全稳定性需要重视。渗流场分布对防渗帷幕及坝基渗透系数不敏感,而渗流流量相对敏感。     

金川水电站地下厂房裂隙围岩渗控效应数值模拟与评价

针对金川水电站工程区复杂的地质条件和渗控措施,分别建立基于排水孔等效模拟的坝基整体模型和基于密集排水孔"弃孔算法"精细模拟的左岸厂区子模型,采用Signorini型变分不等式和自适应罚函数相结合的稳定渗流分析方法对厂区围岩的长期渗控效应进行论证和敏感性分析。在数值模拟中,为了克服传统分析所采用的均质各向同性渗透系数不能反映裂隙岩体渗透特性的不足,首先根据两岸和坝基岩体优势裂隙组的空间展布情况,基于统计学方法初步确定其渗透系数张量并获得主值及主方向,再根据钻孔压水试验资料确定的等效渗透系数对其进行修正,并通过坝址区的地下水位反分析对该方法进行了验证。结果表明,运行期工况下防渗排水系统对山体地下水位具有控制作用,主变洞和发电机层底板处于自由面之上,厂房和调压室底板稍有承压性。帷幕的渗透特性、辅助排水孔幕以及排水孔间距对渗流场分布影响很小但能显著减小厂房洞室及排水廊道的渗漏量,因此应保证防渗帷幕的施工质量并建议设置辅助排水孔幕,建议中层廊道以下的排水孔间距设为3 m,中层廊道以上的排水孔间距放宽到4.5 m。     

水布垭地下厂房围岩渗控效应数值模拟与评价

 为减小水布垭地下厂房厂区渗漏并改善厂房围岩的渗透稳定性,工程设计采取防渗帷幕、排水孔幕和排水洞等防渗排水措施。为确保数值计算的稳定性和收敛性,采用Signorini型变分不等式和自适应罚函数相结合的稳定渗流分析方法,对厂房围岩的长期渗控效应进行计算分析;同时,采用基于等效模拟的整体模型分析和基于精细模拟的子模型分析相结合的方法,以减小有限元建模难度并协调计算量和计算精度之间的矛盾。建立评判渗流计算成果合理性的直观准则,即稳定渗流自由面在任意均匀介质内部必连续光滑且不产生回弯,除非自由面穿过渗透性相差悬殊的2种介质之间的界面。结合厂房围岩渗压监测数据,阐明运用上述方法求解含排水孔幕渗流问题的可行性和有效性,论证渗控设计的合理性和进一步优化的可能性。研究成果对类似工程渗控措施的优化设计具有指导意义。     

流固耦合的多元结构深厚覆盖层透水地基的力学特性

深厚覆盖层多元结构坝基在渗流过程中各土层力学差异明显,分析时关注的具体问题也不尽相同,需要深入研究。基于比奥固结理论,考虑土体的非线性流变以及土体固结变形过程中孔隙度、渗透系数、弹性模量及泊松比的变化;借助ADINA流固耦合模块来模拟西藏达嘎水电站坝基渗流场与应力场耦合过程,分析各层力学特性及相互作用。研究表明,透水性较强的表层土体是渗流主要通道,也是渗流进出区和沉降变形体现区,应在上游采取措施提高其压缩模量,下游区域增设反滤层和排水设施;坝基中的粉细砂层是坝基沉降的主要原因,对坝基沉降起主导作用,同时应注意其液化特性对坝基的不利影响;坝基中的承压含水土层对下游上部结构产生向上顶托力,若位置较深,则破坏性较小;坝基深部土层对整个坝基的渗流破坏影响较小,但对沉降和渗流量的影响不可忽视;表层砂卵砾石层和粉细砂层的渗透系数相差较小时,土层间不会发生接触冲刷。此外,还发现坝基孔隙水压力在快速衰减阶段被消散,期间土体固结较快。垂直防渗墙能有效降低渗透坡降和渗流量,将坝基沉降变形控制在防渗墙上游区域,但上游坝基变形对防渗墙产生较大的水平推力,应加大防渗墙尺寸或者采用辅助渗控措施。     

乌东德水电站左岸地下厂房快速安全开挖支护施工技术

金沙江乌东德水电站地下厂房结构尺寸大,具有地质条件复杂、支护工程量大、施工干扰大等特点。工程坚持"动态设计、本质安全"理念,开挖过程中,根据实际揭露地质条件,及时优化支护参数、调整开挖方法,形成设计、施工、监测反馈快速响应体系,顺利完成厂房开挖。开挖过程中通过改进设备和工艺方法等措施,极大降低了施工干扰和安全风险,同时提高了工效,加快了施工进度。监测成果显示,围岩变形始终控制在允许范围之内,开挖完成后,主厂房围岩变形趋于稳定,在受工程开工延迟、增加支护等影响工期滞后9个月的情况下,实现提前3个月向混凝土转序。总结了乌东德水电站大型地下厂房施工实践中形成的设计、施工技术。     

西藏某水库工程三维渗流场分析

以西藏某水库工程碾压式沥青混凝土心墙坝为研究对象,利用GMS软件中Femwater模块,模拟分析了正常渗控措施下相应设计水位三维渗流场及渗流量,同时与调整渗控措施后,渗流场及渗流量变化进行了对比,结果表明,目前的渗控设置是合理的,调整灌浆帷幕深度渗漏量将明显增加,不满足设计对于渗流量的要求。     

深厚覆盖层中弱透水层厚度及连续性对渗流场的影响

中国西北地区的深厚覆盖层坝基中常存在厚度不均和不连续的弱透水层,弱透水层的厚度、不连续形式及开口大小对坝基渗流场有一定的影响,其规律需要深入研究。基于非饱和土渗流理论,借助Seep/w进行渗流求解,探讨中间位置处弱透水层的厚度及连续性对单宽渗流量和出逸坡降的影响规律,并结合工程实例进行对比分析。研究表明:单宽渗流量和出逸坡降都随着中间位置处弱透水层厚度的增加而降低;弱透水层厚度对采用半封闭式防渗墙控渗时的渗流场影响最大,悬挂式防渗墙次之,全封闭式防渗墙最小。开口在上游的弱透水层与防渗墙形成的半封闭式联合防渗体系的控渗效果最好,开口在下游的弱透水层次之,防渗墙上下游都存在开口时效果最差。单宽渗流量和出逸坡降随弱透水层上游开口长度的增加而增大,但开口长度对渗流场影响不显著,其原因在于各防渗体系下上游弱透水层仅起到微弱的隔水作用。建议防渗墙和下游弱透水层形成半封闭式联合防渗体系,避免防渗墙上下游弱透水层均存在缺口的不利情况。基于监测值和模拟值得出的误差满足规范要求,表明采用的计算方法和得出的结论皆可靠。     

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

Excavation-induced relaxation effects and hydraulic conductivity variations in the surrounding rocks of a large-scale underground powerhouse cavern system

Located in the middle reach of Yalong River in China, the Jinping-I Hydropower Station consists of a large-scale cavern system for water conveyance and power generation. Compared to other typical large-scale underground powerhouse cavern systems in Southwestern China, the construction site is characteristic of higher in situ geostresses, lower uniaxial compressive strength (UCS) and poorer quality of the surrounding rocks, resulting in greater depth of the disturbed zone. In this study, the excavation-induced relaxation effects and their impacts on the hydraulic conductivity variations and seepage behaviors in the surrounding rocks of the Jinping-I underground powerhouse caverns were assessed with site characterization data and numerical simulations. The excavation-induced disturbance zones around the caverns were modeled using the plastic yield zone predicted with an equivalent elasto-plastic model and a constant deviatoric stress criterion based on the Hoek–Brown parameters of the surrounding rocks, respectively. The predicted results agree rather well with the disturbed zones detected by the in situ acoustic wave velocity measurements and borehole TV images. The excavation-induced permeability changes in the surrounding rocks were characterized with a strain-dependent hydraulic conductivity model that accounts for the development patterns and deformation behaviors of the critically-oriented fractures. The seepage behaviors with consideration of the permeability changes in the surrounding rocks were modeled with a variational inequality method at a steady state, and the numerical results imply the significance of proper characterizations of the excavation-induced disturbance effects and permeability changes in better understanding the groundwater flow and its controlled effect in the surrounding rocks.     

Long term stability assessment of Siah Bisheh powerhouse cavern based on displacement back analysis method

Siah Bisheh pumped storage powerhouse cavern with complex geometry, changeable geological formations and diverse geotechnical properties of rocks, is under construction on the Chalus River at the north of Iran. Powerhouse cavern is located near the lower dam reservoir and its crown is more than 30 m down the lower dam maximum lake level. After impounding of lower dam, powerhouse region will be located under saturated condition. Therefore long term stability assessment of the powerhouse cavern under saturated condition is unavoidable. In this study, displacement based direct back analysis using univariate optimization algorithm were applied and geomechanical properties of rocks, stress ratio and joints parameters were identified. Numerical modeling results are in good agreement with measured displacements using extensometers which confirm the numerical modeling accuracy and back analysis results. Then ordinary analysis of powerhouse cavern under natural condition using back analysis results were carried out. Results of analysis shows that powerhouse cavern is stable under natural condition and existing support system has suitable efficiency and could effectively control displacements. Finally, powerhouse cavern long term stability under saturated condition was analyzed. Results of analysis shows that after lower dam impounding, pore water pressure and uplift pressure in discontinuities around powerhouse cavern will arose and tend to local failure of powerhouse cavern in region 2nd and 3rd instrumentation arrays. To obtain powerhouse long term stability, it is recommended to construct a cutoff curtain around powerhouse cavern.     

瀑布沟电站地下厂房洞室群施工期监测分析

瀑布沟水电站地下厂房洞室群包括6条引水隧洞、地下厂房、主变室、尾调室和2条尾水隧洞,布置于大渡河左岸花岗岩山体中.本文在简介洞室群布置、工程地质条件、监测设计和实施情况的基础上,着重分析了地下厂房、主变室和尾调室等三大洞室的变形量级与变形特征,评价了洞室群的稳定性.瀑布沟水电站地下厂房洞室群围岩质量整体较好,变形一般小...     

地下厂房布置优化及施工过程的显式有限差 分法数值模拟

 在支护条件下模拟岩土工程的施工过程时,无论在二维还是三维数值计算方面,显式有限差分法连续介质快速Lagrange分析程序FLAC2D和FLAC3D具有明显优势。以雅砻江官地水电站地下厂房洞室群为研究对象,结合水电站地下厂房的主厂房、主变室和尾水调压室3大洞室平行布置的特点,并考虑模拟效率和计算成本,首先采用FLAC2D进行地下厂房3大洞室各种布局和间距方案的分析比较和优化,得到安全经济的方案;再利用FLAC3D对确定方案下厂房洞室群在支护条件下的施工过程进行三维模拟分析,计算得到在开挖过程中洞室围岩的变形、应力、塑性区分布以及支护结构的受力特征。这种综合利用FLAC2D和FLAC3D,对地下厂房布置优化和施工过程分别进行二维和三维显式有限差分数值模拟的计算方案合理可行,所得结果和规律可用于指导地下厂房的设计和施工。     

瀑布沟水电站地下厂房开挖过程中岩爆应力状态的数值模拟

瀑布沟水电站地下厂房赋存于复杂的地质环境中,厂房开挖过程中岩爆活动频繁。为分析围岩应力对岩爆活动的影响,研究初始地应力理论和计算方法,对厂房区域的地应力实测值进行线性回归,并在ANSYS中实现初始地应力的加载,得到与实际勘测结果相接近的初始地应力场。在此基础上,对地下厂房的开挖过程进行三维有限元数值模拟,根据岩爆判别准则对岩爆危险区域进行预测,并给出危险等级分类。岩爆模拟结果和现场监测结果基本吻合。研究结果表明,瀑布沟水电站地下厂房围岩区域的构造应力显著,且具有较强的方向性。地下厂房围岩整体上稳定,拱脚、洞室交口处围岩容易发生高等级岩爆。     

Sanierung der Drainage- und Kontrollbohrungen im Untergrund der Sorpetalsperre

Remediation of the underground drainage and control system of the Sorpe dam To ensure the structural stability of the Sorpe dam, the Ruhrverband is remediating the no longer fully functional underground drainage and control system. Built between 1926 and 1935, the 69 m high rockfill dam with a concrete core seal was damaged during the Second World War, which led to increased seepage water in the inspection gallery. In the 1950s the original drainage system was therefore grouted and a new system created. In the 2010s it was discovered that the boreholes in the bedrock were no longer at their original depth due to sediments containing iron and manganese. In the current remediation the existing drainage and monitoring boreholes are either being widened by drilling or filled with cement suspension and replaced with new borehole profiles. All boreholes will then be converted into measuring points for monitoring the water level, seepage water and pressure. The drilling work poses a particular challenge due to the limited space within the dam structure. In July 2022 the remediation work was temporarily halted due to the occurrence of chemical injection agents containing PAHs. The work is expected to continue in the first quarter of 2024 using strict separation of clean and contaminated areas with artificial ventilation as well as a flocculation and activated carbon filter system for the drilling fluid.     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

层状岩石铰接拱全程力学性质试验研究

用模型试验方法研究不同初始纵向载荷、跨厚比条件下铰接拱变形和破坏全过程,得到铰接拱全程纵向载荷、横向载荷、力臂系数与挠度关系曲线。3条曲线都具有峰值前、后2个变形阶段,表明铰接拱破坏是一个渐进过程。初始纵向载荷较低时,3条曲线中力臂系数首先取得峰值,其次是横向载荷曲线,最后是纵向载荷曲线,说明力臂系数对铰接拱破坏最为敏感;初始纵向载荷较高时,3条曲线同时达到峰值。随跨厚比增大,纵向载荷、力臂系数峰值基本不变,横向载荷峰值减小,初始纵向载荷和跨厚比对铰接拱力学性质有重要影响。