基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法

分析不同岩石强度应力比条件下典型水电站地下厂房洞室群围岩的破坏模式和变形特征,阐明岩石强度应力比与洞室围岩的承载能力、破坏模式、变形特征之间的关系,并根据洞室群效应及其对洞室群围岩稳定的影响、谷坡地应力场特征、地应力分级标准、大量已建水电站洞室群布置设计统计资料、数值分析成果、既有相关研究成果、工程经验,创建基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法,提出具体的量化指标和相关计算公式。该方法主要根据岩石强度应力比,结合场址地应力场特征、围岩结构面发育特征等进行地下洞室群的布置设计,较为全面地考虑了影响地下洞室群围岩稳定的主要因素,适用于各种地应力水平和复杂地质条件的地下洞室群布置设计。     

西南地区超大型地下洞室群施工期快速监测分析评价体系研究

由于西南地区典型的高山峡谷地形地貌特征和区域强烈的“高地应力”的构造动力条件影响，水电站超大型地下洞室群面临的工程复杂性和难度超出现行经验认知。随着超大型地下厂房洞室群安全监测工程规模的不断扩大，利用现场实测的大量监测数据，借助现代化的监测软件系统，构建西南地区超大型地下厂房洞室群施工快速监测分析评价体系，并利用该体系对洞室围岩稳定进行分析评价，以实现地下厂房洞室群的施工过程动态设计，保证地下厂房洞室群的围岩稳定和运行安全。在分析评价体系的研究中，通过大量监测数据的统计分析，对围岩稳定的评价指标进行研究，拟定5个位移评价指标和5个支护荷载评价指标，并将评价指标的分级与围岩稳定分级相关联，实现地下厂房洞室群围岩稳定的快速评价；通过建立的评价体系流程应用于后续在建工程中，取得了不错的效果，可进行推广应用。     

小湾水电站地下厂房洞室群弹脆塑性分析

针对小湾水电站枢纽区岩性特点与所处的地应力环境,采用脆塑性本构模型,分析了地下厂房洞室群开挖后围岩的变形与破损区;同时比较了使用脆塑性与弹塑性本构模型时计算结果的差异。由于地下厂房洞室群区域受到多条断层切割,洞室开挖完成后,在断层经过的部位,断层对洞室的变形与破损区有一定的控制作用。针对工程中所关心的断层对洞室稳定性的影响程度,通过断层材料的置换,定量地给出了在断层经过的区域、断层对洞室表面的变形的影响以及断层对洞室围岩的破损区的影响。     

基于物联网的大型地下洞室群施工期动态安全评价与预警方法研究

大型地下洞室群施工过程中受到各种复杂因素的影响,实时准确评价工程安全并及时预警具有重要的工程意义。引入物联网技术,搭建施工信息采集平台,实现洞室群内外部数据的实时动态采集与传输。基于强度折减的思想,以数值模拟为主要手段,提出基于实时数值仿真的地下洞室群施工期围岩劣化损伤折减计算方法,给出施工期任意施工状态下的围岩变形动态预警指标及标准。通过混合使用多层次模糊综合评价方法中的合成算子,提出基于实测性态的地下洞室群安全性实时综合评价与预警方法。发生警情后,基于实时的洞室群交通拓扑网络为每个施工人员提供最佳疏散路径,并通过物联网信息传输平台即时发送至手持PDA。最后,基于Python+VB.net混合编程技术开发大型地下洞室群施工期安全实时评价与动态预警系统,该系统实现了地下工程施工过程的动态安全预警及应急疏散指挥调度,为工程及生命安全提供有力保障。     

硐室设计与分析的新思路与新方法

分析当前硐室设计与分析方法中存在的问题，提出一套新思路和新方法，其核心思路是以大量、系统的数值仿真试验结果为主样本群，以专家经验为边界样本群，以功能强大的神经网络方法，构建地下硐室自动化分析平台。该平台主要考虑城门洞型隧洞或地下厂房的尺寸、埋深、围岩力学参数、围岩初始地应力及围岩附近一条主断层的位置、距离、与断层厚度及其强度对围岩应力场、变形场及支护结构内力的影响。经与大型数值分析结果、现场实测结果对比与验证，发现该分析平台的误差为10％-20％。可方便地为广大设计人员及监理、施工人员所应用。     

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。     

地下洞室监测位移场的反演和围岩稳定评判分析

 针对地下洞室开挖过程中有限的位移监测仪器仅能反映局部围岩变形的情况,提出一种基于整个洞室围岩变形空间场的围岩稳定评判方法。首先通过物理场,对监测数据进行标准化处理,引入监测数据以外的围岩变形信息,然后进行三维空间反演。根据反演结果,运用警戒线法对洞室整体围岩进行评价。该评判方法已成功应用于瀑布沟、溪洛渡等大规模地下洞室的施工开挖围岩稳定分析中。实践表明,该方法能及时反映整个洞室群围岩的变形情况,相对其他数值计算方法能对围岩稳定做出快速、精确、直观的评判。     

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。     

地下洞室群安全评价与系统研发

为快速准确对施工期地下洞室群围岩稳定进行动态跟踪分析,基于物联网技术实现地下洞室群监测信息的采集与传输,利用层次分析法和模糊综合评价法,并考虑评价指标、评价标准的动态性确定地下洞室群围岩稳定性安全等级。采用Microsoft Visual C#.Net编程语言、Python语言和SQL Server 2008数据库技术研发了一套地下洞室群围岩稳定性动态安全评价系统.该系统应用于国内某在建大型水电站的地下洞室群,能够准确确定围岩危险区域,实时指导施工过程,规避可能存在的风险,保证了地下洞室群施工安全可靠。     

龙滩水电站巨型地下洞室群稳定性分析

龙滩水电站地下洞室群的围岩由陡倾角、软硬相间的层状砂岩和泥板岩构成,层间断层和错动非常发育.运用有限元法和离散单元法模拟了地下洞室群开挖过程中围岩的变形和破坏特征,评价了洞室群的整体稳定性.计算成果表明洞室群围岩变形特征和破坏特征主要受断层和层间错动带控制;洞室上游侧墙的变形和破坏特征表现为围岩顺结构面的剪切滑移;洞室下游侧墙则以倾倒变形破坏为主;顶拱变形表现为下沉,底板变形表现为轻微回弹,两者的稳定性较好;有限元和离散元模拟的围岩变形和破坏特征基本一致.     

基于高效保角变换的单个复杂洞室围岩应力场解析解研究

 基于高效的、边界点搜索的地下洞室外域映射函数解法,以及柯西积分公式和弹性力学中的复变函数解法,简化并总结求解单个复杂洞形围岩应力场解析解的一般性步骤,推导出势函数的解析表达式,然后根据应力组合的复势表达式求解出各应力分量的解析表达式。在映射函数已知的情况下,利用该表达式能够快速精确地求出任意复杂形状洞室的围岩应力场解析解。通过与数值计算结果相比较,得出该解析解法能够计算出更为精确的应力场,并且求解效率很高。同时,求解直臂马蹄形洞形平面问题的应力场解析解,分析在3种不同远场应力情况下的应力集中情况。最后,结合锦屏一级水电站主厂房的实际情况,求解出开挖后的围岩应力场解析解。     

侧部岩溶隧道围岩与支护结构力学特性分析

岩溶区隧道因受岩溶的影响,其围岩与支护结构力学特性与一般隧道存在较大区别.以忠垫高速公路某岩溶隧道为背景,采用三维快速拉格朗日法,对侧部岩溶隧道施工过程中的围岩位移、应力、塑性区和锚杆轴力及喷混凝土层力学特性进行研究,并将计算结果与现场监测结果进行了比较分析.结果表明,隧道开挖后,围岩分别向溶洞和隧道内变形,溶洞与隧道之间的围岩向两个相反的方向变形.塑性区主要集中在隧道的周围和溶洞的左右侧部.隧道与溶洞之间的围岩应力集中程度较高.靠近溶洞侧的锚杆轴力及喷混凝土层轴力和弯矩要比其他位置的相应值都要大.     

基于多层次灰色理论围岩稳定性评价研究

围岩稳定性评价是一个复杂的系统工程,主要是影响稳定性的指标多,信息不明确以及难以建立一套科学的评价方法等。根据大量调查研究,甄选了影响围岩稳定性的4个一级指标,17个二级指标,运用层次分析法(AHP)确定指标权重,同时,以灰色理论(Grey Theory)为基础,对指标进行赋值、量化,计算相互关联性,确定了围岩稳定性白色权函数的评价灰类,建立了多层次灰色理论围岩稳定性评价模型,有效地解决了小样本,信息不确切等问题。最后通过对围岩的实地监测,证明该评价模型科学、有效、真实可靠,为围岩稳定性评价和生产提供了参考价值和安全保障。     

Stability analysis of surrounding rock mass in underground powerhouse considering damage effect of microfractures

A high-precision microseismic (MS) monitoring system was built to monitor surrounding rock microfractures in the underground powerhouse on the left bank of Shuangjiangkou Hydropower Station. The surrounding rock damage area with spatiotemporal clustering of MS activities was studied for qualitative analysis of the damage mechanism of surrounding rock microfractures, based on the source parameters of MS events. The surrounding rock microfracture scale characterized by the source radius of MS events was considered to establish the constitutive relation. MS information was imported into the model for numerical analysis using fast Lagrangian analysis of continuain 3 dimensions (FLAC^3D). The results indicated that the numerical simulation results considering MS damage can better reflect the actual situation of the field. The surrounding rock microfractures mainly showed mixed failure characteristics. Shear failures appeared in localized areas while the fracture scale of sections from K0–33 m to K0–15 m on the vault was large. The deformation increment caused by microfracture damage in the shallow surrounding rock of the top arch accounted for 10%–13%, and the stress decrement in the surrounding rock caused by microfracture damage accounted for about 10%.     

溶洞位置对巷道围岩破裂过程的影响分析

利用二维真实破裂过程分析软件RFPA^2D建立了在静载荷作用下含溶洞巷道围岩破坏过程的数值模型,分析了巷道拱顶、侧部及底部围岩中存在溶洞三种情况下巷道围岩的破裂过程,并与不含溶洞巷道的情况进行了对比。结果表明,巷道围岩中溶洞的存在,使得巷道围岩应力场和位移场的分布发生变化,在溶洞与巷道之间区域应力集中程度较大,破坏总是发生在巷道邻近溶洞一侧且与溶洞距离最近处。在相同加载条件下,三种情况中底部存在溶洞时围岩最先发生破裂,并迅速与溶洞贯通,使巷道底板破坏,底部溶洞对巷道的稳定性最为不利。在巷道周边存在的不同分布位置的溶洞,使得巷道围岩各部位的应力集中程度不同,靠近溶洞侧的围岩应力集中程度较大,围岩位移变化较大。     

浅埋偏压小净距隧道围岩压力分布与围岩控制

根据浅埋偏压小净距隧道受力特点,研究推导了考虑施工工序及地形坡度的浅埋偏压小净距隧道围岩压力计算公式。分析了考虑不同地形坡度及同一坡度不同埋深2种工况下地形坡度及埋深对围岩破裂范围、水平侧应力、拱顶压力的影响规律,并指出了浅埋偏压小净距隧道围岩压力在考虑地形坡度下与水平地表下分布规律的差异,建立了3DEC数值模型以对上述理论规律进行验证,结果表明,数值分析规律与理论推导计算规律相吻合。将理论计算公式应用于马嘴隧道出口浅埋段隧道稳定性计算,由计算所得围岩稳定性系数及现场隧道变形监测结果提出隧道围岩及地表稳定性处理措施。     

Analysis on microseismic characteristics and stability of the access tunnel in the main powerhouse,Shuangjiangkou hydropower station,under high in situ stress

Access tunnel in the main powerhouse of Shuangjiangkou hydropower station was deep buried with high in situ stress and complex geological conditions. Microseismic monitoring technology was established to monitor microcrack evolution process inside the surrounding rock in early excavation stage. Serious falling blocks in the left spandrel of the tunnel were predicted in a timely manner by delimiting major damage areas in the tunnel. Based on comparative analysis on microseismic activity law and field failure characteristics of the access tunnel, a quantitative index was supposed between slight rockburst like falling blocks and microseismic events. Moreover, the change law of daily average apparent stress difference and b value were analyzed based on microseismic event data. In addition, a three-dimensional numerical simulation software (RFPA3D) was used to simulate the damage distribution around the tunnel, and a relationship between spatial position of tunnel damage and direction of the maximum principal stress was qualitatively analyzed. The study results showed that advance speed of the tunnel working face was an important factor affecting the state of stress redistribution in surrounding rock mass, and the change law of b values of microseismic events could be used to predict activity state inside the surrounding rock effectively, which reflected mechanical properties and stress state of surrounding rock. In particular, field falling blocks became more serious with increasing b value, and field surrounding rock was relatively stable with minor b value. A risk of surrounding rock instability was relatively high with small b values. It provided an efficient method of predicting and assessing slight rockburst like falling blocks. The study results can provide significant guidance for field construction and later construction planning.

     

层间孔隙岩溶影响隧洞稳定性的数值模拟研究

以重庆巴南区某引水工程为研究背景,采用基于流固耦合理论的二维有限元数值模拟方法,通过有限元软件ABAQUS对隧洞工程选取13个主要断面建立相应的数值模拟模型,分析不同位置水工隧洞断面的围岩在开挖过程中的应力、位移和涌水量变化情况,得出层间孔隙岩溶对隧洞开挖稳定性的影响并提出建议。研究结果表明:隧洞跨层时应力及位移均会产生复杂变化;透水层的存在一定程度上加快了应力消散,并减弱隧洞变形速度;隧洞涌水量与其在透水层中的面积大小有关。     

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。