断层位置及强度对地下洞室围岩稳定性影响

岩体工程的稳定性主要受岩体结构控制,而断层是岩体工程中最常见的一类规模较大的地质不连续面。断层的力学性质及其与洞室的相对位置关系决定了围岩的稳定状态,通过数值计算及三峡工程地下厂房变形监测分析表明：断层的存在严重恶化了围岩的应力及变形分布,不同断层位置、不同自然应力场条件下围岩的应力及变形特征存在着明显的差异;断层摩擦强度对断层位于顶拱部位时的围岩变形影响较大,而粘聚力对断层位于边墙部位时影响较大,而且这种影响规律随侧压系数的增大而增大。     

基于FLAC~(3D)的某水电站大型地下洞室群开挖及锚固效应数值分析

根据地下洞室开挖和锚固施工方法,采用FLAC3D数值分析程序,对某大型水电站地下厂房复杂洞室群开挖过程进行了动态模拟,分析了在有、无支护条件下洞室周边围岩二次应力场、位移及破坏区分布规律和变化特征,说明采用隐含断层复合单元模拟断层、cable结构单元模拟锚杆、薄层实体单元模拟喷层能较合理反映地下洞室分期开挖实际力学作用机理.计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,认为在局部加强支护的条件下,洞室的整体稳定可以得到保证.     

块体理论及Unwedge程序在地下洞室稳定性分析中的应用

在地下洞室开挖过程中,由结构面切割形成的不稳定块体是影响坚硬岩体稳定性的主要因素之一。依据块体理论,利用Unwedge程序对一条正在施工的地下洞室进行块体稳定性分析,得出块体在系统支护前后的安全系数,为工程的支护工作提供参考和建议。     

基于离散元模拟和微震监测的地下厂房围岩稳定性研究

针对猴子岩水电站地下厂房洞室群在开挖过程中围岩的稳定性问题,运用基于离散元基本理论的2维颗粒流PFC^2D（particalflowcodein2Dimensions）软件,模拟了地下厂房洞室群开挖过程中控制性结构面对围岩变形和破坏的影响,再现了围岩损伤演化规律;同时引入微震监测技术对地下厂房围岩微震活动进行实时监测和分析,并将数值模拟与微震监测结果进行对比研究。结果表明,围岩开挖卸荷损伤与断层密切相关,颗粒流模拟得到的大型地下洞室群开挖过程中围岩损伤与微震监测结果基本一致。采用数值模拟和微震监测相结合的综合研究方法,可以有效评价地下厂房开挖过程围岩的损伤和预测潜在的失稳区域。     

土体洞室开挖的力学参数敏感性分析

为了研究围岩土体力学参数对洞室围岩稳定性的影响规律,以有限差分法为基础,应用FLAC3D软件,建立了兼顾时空效应的地下洞室开挖过程的数值计算模型,并确定模型中的弹性模量、内摩擦角、黏聚力为洞室稳定性的影响因素。通过模拟洞室围岩的弹性模量、内摩擦角、黏聚力变化时洞室开挖的全过程,并借助系统分析中的敏感性分析方法,分析了弹性模量、内摩擦角、黏聚力对洞室围岩土体应力、位移影响的敏感性。通过对不同参数敏感度因子的比较,确定了洞室围岩土体应力、位移对影响因素的敏感性排序:黏聚力内摩擦角弹性模量。     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值及围岩所承受偏压的程度。为量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标,以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的应力椭圆特征随洞室轴线方位变化的方式,获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行案例分析,结果表明:当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;但一般情况下,很难使开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征,因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

大型地下洞室围岩稳定性数值模拟分析

结合泰安抽水蓄能电站的工程建设实际,在现场地质调查和场区地勘资料分析的基础上,深入分析了工程区的地质力学环境条件,建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型.以地应力实测结果为参照依据,采用线性有限元法反演分析了初始地应力场,采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况,全面论证了大型地下洞室开挖方案的可行性,揭示了大型地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位.     

地应力张量特征对地下洞室轴线方位优化的启示

高应力是深埋洞室工程围岩变形和稳定的主控因素,初始地应力对洞室围岩的力学效应主要包括开挖释放荷载和偏应力状态两个方面;地应力与洞室轴线方位的特定组合决定了洞室开挖释放荷载的量值以及围岩应力所承受偏压的程度。为了量化既定地应力分布特征下地下洞室长轴线方位的选择区间,推导了一般条件下开挖洞壁面上的法向应力随洞室长轴线与最大主应力夹角的变化规律,并提出极大值和极小值贡献度两个指标以度量主应力分量对法向应力的贡献。通过研究地应力张量在地下洞室特征平面上的Mohr应力圆特征随洞室轴线方位变化的方式获得了围岩所承受偏压程度的变化规律;同时,通过推导获得了地应力张量在水平面内大主应力方位角的解析公式,从理论上证明了当洞室轴线与地应力张量在水平面内的大主应力平行时,地下洞室开挖释放荷载取最小值。结合锦屏一级地下厂房对上述方法进行了案例分析,研究结果表明,当洞室轴线与地应力张量在水平面上的大主应力平行时,开挖释放荷载取最小值;然而,开挖释放荷载和偏压应力状态同时达到最优是困难的。对地下工程围岩稳定的影响而言,地应力是否有利取决于地应力张量的构成特征;因此,应注重对地应力张量空间特征的全面解析。     

龙滩巨型地下洞室群锚固效应分析

广西龙滩水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群 ,其所在位置工程地质条件复杂 ,围岩为陡倾角层状结构岩体 ,且层间错动较发育 ,断层较多 .主厂房和调压井的高边墙以及洞室间岩柱的稳定性分析 ,是围岩锚喷支护设计的关键 .本文采用快速拉格朗日分析法 (FLAC)对洞室的开挖进行了模拟 ,分析了毛洞开挖和加锚开挖两种工况 ,得出了一些有益的结论 .     

地下厂房围岩参数场位移反分析

提出地下厂房围岩参数场的概念,利用增量位移和遗传算法优化反演其值.针对地下厂房围岩特性,认为其力学参数不是均一的,而是一个由不同量值的参数组成的参数场.结合某水电站地下洞室工程中地下厂房的开挖,建立了模拟动态施工的有限元模型,对洞室附近的围岩弹性模量进行了反演计算.结果表明:所得增量位移与实测值符合较好,岩体力学参数分布符合实际规律.     

大型地下水封石油洞库围岩完整性、变形和稳定性分析

围岩完整性、变形和稳定性对地下水封石油洞库建造具有至关重要的影响。以我国首个在建的大型不衬砌地下水封石油储备库项目为背景,运用弹塑性理论,在室内岩石三轴试验基础上,研究了花岗岩地层大型不衬砌地下水封石油洞库围岩的完整性以及变形和稳定性。研究表明:岩石的完整性从剪胀出现开始受到破坏,采用剪胀起始点对应摩擦角可对地下工程围岩开挖松动区进行估算;该大型地下水封石油洞库洞室开挖松动区范围从0~15.6m不等,且与埋深成正比;由于开挖过程中应力路径与剪胀线关系不同,各洞室间中墙完整性变化趋势存在差异;洞壁围岩位移方向与山丘地表走势相关,拱顶沉降和水平收敛值在8~45mm之间;在洞室底板位置出现了拉应力区,在洞库两侧边墙下端和起拱处出现高剪应力区,在开挖过程中可能出现局部破坏现象。     

软岩地下洞库施工的水土耦合有限元模拟

为了解决饱和软岩地下洞库开挖稳定数值模拟分析中的2项关键问题：合适的本构模型和超孔隙水压对岩体受力变形的影响,基于软岩的类超固结土性质,将下负荷面理论应用于修正剑桥模型,推导出适用于研究软岩地层开挖数值模拟的简易本构模型,并通过三轴试验结果与数值模拟结果相比较验证新本构模型的适用性;然后通过某一实际软岩地下洞库开挖工程的数值模拟,对比分析水土耦合和水土非耦合方法得到的数值模拟结果与现场实测结果间的符合程度.结果表明,新提出的所需参数较少的简易软岩本构模型能较好地模拟岩体在开挖过程中的受力变形特征,同时发现采用水土耦合算法模拟饱和软岩地下洞室开挖能够很好地模拟实际开挖过程中围岩的受力与变形情况.     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。     

基于ABAQUS大型地下洞室群分期开挖动态模拟

基于三维弹塑性有限元数值计算理论,借助ABAQUS/standard求解模块分析大型地下洞室群分期开挖围岩稳定.利用"生死"单元将地下洞室开挖问题转换成简单的加载问题,从而实现分期开挖问题的动态模拟.建立如美水电站地下厂房三维有限元模型,初始地应力三维有限元反演,二次平衡岩体初始地应力,得到初始应变为零且位于屈服面内的初始应力场.采用D-P弹塑性岩体本构模型,计算了分期开挖过程中位移场、应力场并分析了其分布规律.利用面向对象编程语言Python编写脚本访问结果数据库,重新定义各类破坏区.借助ABAQUS自带的插件程序,创建新的后处理模块,拓展了ABAQUS后处理功能.     

深埋地下洞室群轴线方位合理布置的计算分析

给出了通过数值计算进行深埋地下洞室群轴线方位比选的方法.首先给出了基于三维非线性有限元的地下洞室开挖和支护计算方法.然后根据围岩弹性系数的分布规律,首次提出了用于轴线方位比选的开挖荷载释放系数确定方法.最后对某水电站地下洞室轴线方位的合理布置进行了计算分析.发现在洞室纵轴线与初始地应力的水平最大主应力矢量的交角较小时,适当增大交角并加强支护措施,围岩的破坏和变形可以得到限制,围岩稳定仍有保障,而进一步增大交角,围岩破坏和变形将明显增大,进一步提高支护强度对围岩稳定的改善非常有限,这为深埋地下洞室轴线方位的合理布置提供了参考.     

Long-term stability analysis of large-scale underground plant of Xiangjiaba hydro-power station

Numerical analysis of the optimal supporting time and long-term stability index of the surrounding rocks in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station was carried out based on the rheological theory. Firstly, the mechanical parameters of each rock group were identified from the experimental data; secondly, the rheological calculation and analysis for the cavern in stepped excavation without supporting were made; finally, the optimal time for supporting at the characteristic point in a typical section was obtained while the creep rate and displacement after each excavation step has satisfied the criterion of the optimal supporting time. Excavation was repeated when the optimal time for supporting was identified, and the long-term stability creep time and the maximum creep deformation of the characteristic point were determined in accordance with the criterion of long-term stability index. It is shown that the optimal supporting time of the characteristic point in the underground plant of Xiangjiaba hydro-power station is 5–8 d, the long-term stability time of the typical section is 126 d, and the corresponding largest creep deformation is 24.30 mm. While the cavern is supported, the cavern deformation is significantly reduced and the stress states of the surrounding rock masses are remarkably improved.     

基于开挖损伤效应的岩体力学参数位移反分析

由于应力重分布和开挖扰动等因素,对于地下洞室开挖面附近的岩体,其力学特性会有一定程度的劣化,称之为岩体力学参数的开挖损伤效应、本文结合正交试验设计、粒子群优化算法、支持向量机模型等原理,建立了考虑开挖损伤效应的LSSVM-PSO反分析模型;以某水电站地下厂房为例,针对现场变形监测成果进行了位移反演分析,得到了损伤区范围...     

大型地下洞室开挖数值模拟分析

以某水电站调压井大型地下洞室群施工为例,通过典型断面关键点位移、小主应力及安全系数随开挖步的变化,分析了开挖对大型地下洞室群围岩稳定造成的影响．数值计算表明,开挖过程中,围岩整体稳定性较好,但是围岩位移、小主应力随开挖步的不断递进而持续增大,关键点安全系数持续减小,最大位移与最大拉应力均位于调压井下部,分别为10．57mm及1．10MPa,局部关键点最小安全系数不满足规范要求,所以洞室开挖后需及时支护．计算表明,当二次衬砌高程大于关键点所处高程,该点安全系数明显增大,满足规范要求,且通过支护方案比选,调压井混凝土浇筑至625．5111高程是该工程最经济合理支护方案．     

衬砌压力隧洞的弹塑性分析

基于岩体应变非线性软化本构模型,考虑中间主应力的影响,对衬砌圆形压力隧洞在等压荷载下进行弹塑性分析,对弹塑性边界位置在衬砌范围内和围岩范围内分别进行了讨论,指出根据弹塑性边界位置的不同应采用不同的计算公式,并得到了由隧洞开挖卸荷引起的、围岩开始屈服时的极限压力以及内压力作用下分别使衬砌、围岩开始屈服时的极限压力。