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。     

基于层状岩体卸荷演化的锦屏I级地下厂房洞室群稳定性与调控

 锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏I级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏I级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。     

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。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

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。     

双江口电站超高应力区地下厂房岩爆空间特性规律研究

双江口电站左岸实测地应力达37.82MPa，从地应力平面空间展布规律和技施阶段岩体空间应力测试成果分析，地应力具有一定的区域差异性，可从洞室布置区域的地应力大小、洞轴线与地应力方向夹角关系宏观定性分析主副厂房岩爆最强、破坏现象最严重，上游侧岩爆破坏大于下游侧，数值模拟定量分析也得到相同结论。开挖后，在现场大量调查、统计岩爆发育基础上，对岩爆的空间特性进行了分析，概括总结了宏观岩爆空间发育规律，3大洞室中主副厂房岩爆最严重、尾调室次之、主变室最弱，主厂房岩爆破坏程度中导洞、第Ⅰ层、第Ⅱ层上游侧拱肩和边墙大于下游侧，而第Ⅲ层、第Ⅳ层下游侧岩锚梁和边墙大于上游侧岩锚梁和边墙，宏观调查规律与前期成果较吻合。结合微震监测事件空间分布规律，研究发现双江口电站具有典型的岩爆空间特性，通过总结这些特征，可初步预估小尺度区域岩爆特征，对今后引水系统地应力细化研究及支护具有一定的指导意义。     

锦屏一级水电站地下厂房洞室群稳定性分析与思考

 首先对修建于我国西南地区雅砻江干流上重要的梯级电站—— 锦屏一级水电站地下厂房洞室群的巨大规模、布置的复杂性,以及在极高地应力作用,和受到3条大断层及多组节理切割等复杂地质条件下,由于岩体强度较低及工程地质条件的不利组合,对地下厂房洞室群的稳定性提出的严峻挑战进行介绍。对该地下厂房洞室群施工中出现的远远超过同等规模的其他地下厂房的围岩变形,并表现出明显的时效性,还有衬砌开裂、围岩松动区持续加深、已经施工的锚杆锚索张力超限以及突然释放等各种特殊现象进行描述;然后从高地应力特点、岩体流变特性、变形特性等角度对这些现象产生的原因进行初步分析;最后针对上述情况对渐进性支护施工、分级控制锚索初始锁定张力、松动圈强化固结等若干对策的可行性进行探讨。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

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。     

高应力大直径圆筒形洞室围岩变形破坏特征与失效机制

针对高应力大直径圆筒形洞室出现的岩爆、喷层开裂和钢绞线弹出等变形破坏现象,通过现场破坏调查、岩体位移和锚索应力监测,详细说明了围岩变形破坏的发展演化过程,并通过钻孔摄像观测了围岩内部破裂特征,进而总结了围岩变形破坏的演化模式。通过数值模拟揭示了洞室围岩变形破坏机制,并提出了合理的支护建议。高应力大直径圆筒型洞室变形破坏是一个链动灾害过程,围岩内部开裂导致了岩体位移和锚索荷载增加,锚索荷载超限时钢绞线断裂弹出,失去约束的洞壁围岩和喷层在卸荷作用下鼓胀开裂。高初始地应力和开挖后诱发的应力集中,玄武岩起裂强度低,临近洞室开挖诱发应力叠加,应力集中区支护强度较弱等综合因素导致了围岩内部开裂的产生。在洞室围岩应力集中区设置足够的预应力长锚索和合理的张拉力,可以有效减弱围岩内部破裂深度和程度。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。     

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。     

大型地下厂房洞室群施工期围岩变形分析

瀑布沟水电站地下厂房洞室群规模大,地质条件复杂,水平构造应力高,施工期围岩的变形及稳定问题突出。结合弹塑性有限元方法和围岩变形监测资料综合分析了地下厂房洞室群施工期围岩的变形特征及稳定性。结果表明:主厂房围岩变形最大,尾水闸门室变形次之,主变室变形最小,厂房上下游边墙位移随着厂房下挖逐级增大,在厂房中部下游边墙岩锚梁高程部位处实测最大位移为107 mm;厂房边墙位移在墙顶和墙底较小,墙中部较大,上游边墙位移总体大于下游边墙;厂房拱顶径向位移总体上很小,上、下游边墙在两端的副厂房和安装间变形较小,中部变形较大;数值计算结果和变形监测资料有较好的一致性,围岩变形受施工程序和地质条件的影响较大。     

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。     

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。     

基于能量原理的卸围压试验与岩爆判据研究

 岩爆是高地应力区地下工程开挖卸荷产生的地质灾害现象。按照地下硐室开挖过程中围岩的实际受力状态,开展脆性花岗岩常规三轴、不同控制方式、不同卸载速率条件下峰前、峰后卸围压试验,研究岩石破坏的全过程,从能量的原理探讨岩石破坏过程能量积聚–释放的全过程,研究岩石的变形破坏特征、能量集聚–耗散–释放特征和基于能量原理的岩爆判据。试验结果表明：无论是峰前还是峰后卸围压,岩样都表现脆性破坏的特征,峰前卸围压时岩样破坏表现出的脆性比峰后卸围压更为强烈;且无论是加载还是不同控制方式卸围压条件下,岩石在破坏前所能够储存的最大应变能受围压和卸载速率的控制。从能量的观点和工程应用的角度出发,提出一种新的能量判别指标：岩体实际储存能量与极限能量之比为U/U0,该指标真实合理地反映地下工程开挖卸荷过程中围岩的能量变化过程,围岩能量的积聚程度以及岩爆的发生程度,通过数值仿真计算可以更合理地定量预测高应力下地下工程开挖过程中岩爆发生的强度和位置。     

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。