锦屏超高压岩体水压致裂法地应力测试系统研制与应用

锦屏二级水电站引水隧洞上覆岩体一般埋深1 500～2 000 m,最大埋深约为2 525 m,具有埋深大、洞线长、洞径大的特点,为超深埋长隧洞特大型地下水电工程。最大地应力可达到70 MPa以上,在隧洞开挖过程中,由于存在超高的地应力,局部岩体出现了强烈的岩爆和变形,给隧洞的设计、施工及安全带来很大的困难和隐患。加上钻孔中经常出现岩饼现象,常规的孔径应变法和水压致裂法地应力测试难以有效进行。为了能够实测到深部岩体的地应力状况,开展了超高压应力状态下的岩体地应力测试方法研究,成功研制出了超高压水压致裂法地应力测试系统,并在锦屏工程中得到了实际应用,取得了良好的测试成果。此测试系统的成功研发,为将来在公路、铁路、水电和矿业等领域的超埋深超高地应力的测试提供了条件。     

钻孔孔壁切缝解除地应力测试方法数值模拟研究及工程应用

为解决高应力环境中的地应力测试的难题,通过数值分析方法对试验过程中切缝深度的优化及切缝布置方案进行了模拟研究,并将该方法应用于锦屏地下实验室应力测量中。数值模拟结果表明:当初始应力场以平行于切缝方向应力分量为主时,切缝两侧应力完全释放所需的切缝深度最大,为16 mm。进行现场试验时,为了提高试验的可靠性,避免切缝之间的相互影响,往往一个给定的钻孔深度只布置一个切缝,且切缝间距一般>200 mm。测试结果表明测试部位岩体处于极高应力状态下,与钻孔钻进过程中出现岩芯饼化现象相符合。     

中条山深埋隧洞地应力及岩爆防治措施

介绍了中条山引水隧洞工程概况,为查明中条山引水深埋隧洞段初始地应力场,在钻孔内进行了水压致裂法地应力测量,根据地应力、岩性特征等分析评价隧洞围岩地应力及产生岩爆的可能性,建议本段隧洞在施工过程中采取应力释放钻孔、超前导洞、围岩加固等防治措施。     

拉西瓦水电站坝址区高地应力场三维数值反演分析

拉西瓦水电工程坝址区为高山峡谷地貌,受地质构造应力、自重、地表剥蚀和河流侵蚀卸荷等多因素影响而赋存有高地应力,河谷区钻孔岩芯饼化与探洞片状剥落现象明显。该区地应力场及其空间分布特征与多期地质构造运动及河谷演化历史等因素有关,要合理确定其三维地应力分布状况与大小难度较大。为此,采用多元回归与逐步回归相结合的方法对工程区域初始地应力场进行了详细反演。在此基础上,深入研究了河谷区地应力场的空间分布特征与规律,并就其形成机理开展了多因素影响效应分析,可供我国高地应力区水电工程建设参考。     

陕西何家梁隧道地应力测量及围岩稳定性评价

基于何家梁软岩隧道的工程地质条件与三维水压致裂地应力测试方法,测量并分析了工程区地应力分布规律,并采用FLAC3D数值分析软件对隧道开挖稳定性进行了评价。结果表明:自重应力是该地应力场中的主要影响因素,测区应力场为高应力水平,隧道开挖后,边墙中上部及拱顶有不同程度的下沉,周边位移相对值仍在规范允许范围之内。测试及数值分析结果可为工程区隧道开挖的稳定性分析及安全支护提供参考,可对类似软岩隧道的地应力测试及分析提供借鉴。     

太岳山深埋长隧道地应力场研究及其应用

山西省黎城至霍州高速公路的太岳山隧道属于典型的深埋长隧道,采用水压致裂方法对工程区ZK6勘探钻孔进行了地应力测试。测试数据表明：工程区原岩应力主要为水平构造应力,总体应力场特征呈典型的构造应力场类型,隧道围岩属高应力水平。基于实测结果,分析了水平主应力随埋藏深度的变化规律,并论述了侧压系数、侧压比与埋藏深度的关系。通过对初始应力场进行有限元数值模拟可得,实测值与回归值吻合较好,模拟结果也良好反映了该区地应力分布规律。在应力分析的基础上,探讨了地应力场与隧道轴线布置方向的关系、隧道开挖形状的选取和岩爆预测等工程应用问题。     

广州抽水蓄能电站地下厂房区地应力场分析

 本文依据广州抽水蓄能电站地下厂房区4个钻孔不同深度的地应力实测资料,介绍了4个二维和1个三维地应力场的分析成果。通过这些分析计算,对该地区地应力场变化规律、地质构造应力场主压应力方向、地下厂房处地应力状态等有了比较深入的认识。并采用有限元和应力回归分析方法,对自重应力场和地质构造应力场,建立了比较符合实际的力学模型,进行了模拟计算。     

锦屏一级水电站岩壁吊车梁岩台开挖施工

地下厂房岩壁吊车梁岩台开挖是地下厂房系统开挖的重点和难点,针对锦屏一级水电站地下厂房岩台地应力高、节理裂隙发育,f13、f14断层穿过,岩台开挖质量要求高等特点,在施工中,中部拉槽以及保护层开挖采取预裂超前,分区分层开挖,释放应力;喷混凝土封闭岩台保护层,树脂锚杆超前支护,约束岩体变形和控制应力释放,采用"直孔和斜孔光面爆破一次开挖"岩台,减少爆破对岩壁的扰动,确保了开挖质量.     

三维水压致裂法地应力测试在水电工程中的应用

测量岩体地应力的方法很多,测试成果分为平面应力和空间三维应力。在大型水电工程中,为了研究工程所在地区的应力场,需要获得现场岩体的三维地应力状态。介绍了通过三孔交汇的钻孔布置方式,采用水压致裂法获得三维地应力成果过程并与套钻解除孔径变形法地应力成果进行了对比佐证,认为采用三维水压致裂法测试地应力在水电工程中是可行的。     

构造应力场拟合计算方法

地应力由于其客观存在以及对工程的重要意义已越来越强烈地引起了工程界的注意。目前,大多数人认为地应力场主要包括三部份,即自重应力场、构造应力场和温度应力场。自重应力场是指计算领域中由岩土介质的自重而引起的应力状态。通常以岩土介质容重为体积力加荷来计算。温度应力场一般是指计算领域内,由于地温时空分布的差异而引起的应力状态。若只考虑正常的地温因素,按每深100米增温3℃的正常地温增温率计,相应温度梯度比较小,因此正常温度应力在地应力中所占比重很小。在实际计算中,一般便不计及温度应力场。构造应力场是指过去构造运动在岩体内残留下来的或者新构造运动在岩体内形成的应力     

围岩特性与衬砌厚度对隧洞衬砌混凝土温度应力的影响

为探明围岩特性与衬砌厚度对衬砌混凝土温度应力的影响,从而制定合理的温控标准,提出了技术可行、经济合理的温控措施,确保了白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土具有较高的抗裂安全性。根据白鹤滩水电站泄洪洞衬砌混凝土的结构和材料特性以及边界条件,利用ANSYS对衬砌施工过程中的温度场和应力场进行三维计算。结果表明:衬砌厚度越大,混凝土温度越高,最高温度出现时间越晚;围岩强度越高,衬砌厚度越大,产生的拉应力就越大;而围岩强度越差,衬砌厚度越大,对应的拉应力相对较小。围岩特性与衬砌厚度共同影响着衬砌混凝土温度和温度应力变化趋势,因此,为确保混凝土抗裂安全性,对不同围岩特性的地段应选择不同的衬砌厚度。研究结果可供类似工程参考。     

某大型引水隧洞穿越断裂带洞段围岩稳定性研究

西南某深埋长隧道位于全新世区域活动断裂带。为了解断裂带的地应力分布情况，现场开展了钻孔岩石取芯分析工作。根据钻孔实测资料，利用莫尔-库仑模型，对隧洞周围的初始地应力场的分布特征进行了模拟分析，掌握了应力分布规律。分析结果表明，无支护条件下，隧洞围岩在断裂带出露处可发生极严重变形，对施工安全有重大影响。建议施工时，采用超前支护，开挖后及时实施二次衬砌等措施，以保证施工安全。     

不同施工方法下锦屏大理岩隧洞松弛范围及微观破裂方式

TBM(Tunnel Boring Machine全断面隧道掘进机)法和钻爆法是地下工程开挖的2种主要方法,不同施工方法导致围岩的扰动程度、变形破坏、自稳性、加固措施均不相同,要准确把握这些宏观特征,必须从微观上分析岩石的力学特征。以最大埋深2 525 m的锦屏二级水电站引水隧洞为研究对象,对不同开挖条件下的大理岩进行了电镜扫描测试、松弛深度检测,分析不同开挖条件下岩石的破坏方式和松弛范围。试验结果表明:在岩石破坏断面形貌上,TBM开挖条件下的岩石断口多为沿晶面擦花和切晶擦花,破坏机理以剪切为主,而钻爆法以拉断破坏为主;在松弛深度方面,钻爆法开挖下的围岩松弛深度大于TBM开挖下的围岩松弛深度40～100 cm。以上试验成果为相似地质条件下的岩石破坏机理和加固措施提供借鉴。     

含预制双裂纹试样岩桥贯通模式的数值研究

当双裂纹岩体破坏时,不同裂纹之间的应力场会相互作用,岩桥区域会发生贯通。将应变强度准则嵌入到二次开发的扩展离散元UDEC中,模拟了含预制双裂纹试样的拉伸裂纹及剪切裂纹的扩展。数值模拟结果发现双裂纹试样在单轴压缩过程中会出现4种岩桥基本贯通模式:（1）伴随着2条预制裂纹尖端的翼裂纹独立逐渐扩展,但岩桥区域不发生贯通的不贯通模式;（2）在岩桥区域内,主应力场及切应力场集中,产生剪切裂纹贯通岩桥,切应力对贯通起主导作用的剪切贯通模式;（3）在岩桥区域内,主应力场高度集中,岩桥贯通具有瞬时性,拉伸裂纹贯通岩桥的拉伸贯通模式;（4）在拉力与剪力共同作用下,试样达到强度最高峰值后产生的拉剪混合贯通模式。通过与室内试验对比,将应变强度准则运用到数值模拟分析中可以更准确描述细观破坏时应力应变及岩桥贯通的变化,丰富了多裂纹岩样在细观力学中的贯通机理,为研究岩体细观破坏提供数值模拟参考。     

澜沧江某水电工程大型倾倒变形体边坡成因机制

在现场调查资料的基础上,结合倾倒变形体边坡地形地貌特征、地层岩性特征、结构面发育特征、河谷地应力以及岩体力学性能的差异等方面对澜沧江某水电工程大型倾倒变形体边坡的成因机制进行了综合分析。结果表明:该大型倾倒变形体边坡地形上呈单薄、突出、三面临空的山梁;地层以薄层陡倾状岩体为主,并且在河谷下切过程中,砂岩和板岩将会出现差异卸荷回弹;边坡岩体中发育与倾倒变形体变形方向一致或相反的裂隙,有利于倾倒变形体的初始变形;河谷下切之前现今地面线附近岩体原始积累的地应力较高,当河谷下切至现今地面线时岩体卸荷强烈;在上述原因的共同作用下,倾倒变形体边坡向临空面发生大规模的倾倒变形。     

岩爆预测与防治中几个问题的研究现状

摘要雅砻江锦屏水电站地下工程埋深大,工程区地质构造复杂,洞线中遇到与天生桥二级水电站引水隧洞中性质相近的岩石,具有发生岩爆的应力条件与岩性条件。事实上1991年,在5km长的勘探平洞施工中,已有轻度岩爆发生。岩爆将是本工程中的一个关键问题,但到目前为止,岩爆又是一个研究得很不充分的课题。本文在对岩爆研究现状叙述的基础上,提出了锦屏工程岩爆治理工作的建议:1.早期对岩爆作宏观判断;2.优化设计;3.施工中用声发射和微震监测;等等。     

深埋锦屏大理岩力学特性与能量演化研究

与浅层岩体相比,深层岩体赋存环境更为复杂,导致其力学特性与常见的浅部岩体存在较大差异。锦屏二级隧洞工程最大埋深超过2 500 m,其引水隧洞最高地应力达70 MPa,开展高应力条件下硬岩的力学特性研究,具有重要的理论价值和现实意义。采用四川大学MTS815岩石力学试验系统对取自2 400 m深的锦屏大理岩开展单轴和三轴压缩等系列静态力学试验。试验结果表明:锦屏大理岩的单轴抗压强度为180.43 MPa,随围压的增长,大理岩表现出“脆-延-塑”力学特征,围压32.0 MPa为分界点;同时,起裂应力、损伤应力和峰值应力均具有相似的增长趋势,所定义的脆性指标的下降趋势逐渐趋于平缓;低围压下,弹性能在峰前占主导,而高围压下,耗散能增长更为显著,弹性能峰前峰后差值减小,表现出更为明显的塑性特征。研究结果为准确描述深层岩石力学行为、确保深部工程稳定性提供了一定的理论基础。     

基于颗粒流的花岗岩微观破坏机制研究

为研究岩石在单轴压缩条件下的微观破坏机制,利用岩石力学试验机进行花岗岩岩样的室内试验,采用颗粒流分析程序编程建立可靠的数值模型,通过分析试件压缩破坏过程的裂纹演化规律、裂纹数特征和能量耗散规律,讨论其微观破坏机制。结果表明,花岗岩岩样内部拉裂纹分布与宏观破坏面较为吻合,在裂隙发展中起着关键作用;峰值强度前,剪裂纹较拉裂纹发育显著,峰值强度后,拉裂纹数剧烈增加,造成岩样承载力的降低;岩样最终失效形式为沿对角形成宏观剪切面破坏,并有少量张拉襞裂破坏。     

基于钻孔图像的结构面分布分维数计算方法

在工程实践中,对岩体结构面分布的分维数进行实测往往存在一定的难度,但是采用钻孔摄像技术既能够准确获取布设的钻孔内各项地质信息,而且形成的钻孔图像能够直观地反映钻孔中岩体结构面的特征参数,因此提出了一种基于钻孔图像的岩体结构面分布分维数计算方法。该方法的原理是:首先,通过钻孔图像获取研究区域内各钻孔内的岩体结构面的特征参数(包括倾角、倾向、隙宽、间距);然后,根据各钻孔之间的连通判断准则,判断区域内各钻孔结构面的连通性,并估算出研究区域内结构面的迹长值,同时参照钻孔的孔位及深度信息,来界定研究区域模型的范围;最后,结合Monte-Carlo法,建立岩体结构面分布的三维网络模型,根据分维数计算方法,求解模型各研究面的分形维数,并将3个钻孔的整体连通模型和各钻孔模型所得到的分维数开展对比分析。结果表明,该方法的计算结果与其他评价方法的结论一致。