拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析

 拉西瓦水电站厂房规模巨大,围岩主要为脆硬花岗岩,爆破后围岩分区明显;同时厂房区域山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,且分布较复杂,对洞室稳定性不利。为了评判开挖后地下厂房围岩的稳定性及支护的长期安全性,以地下厂房分层开挖现场实测位移为基础,根据多点位移计实测的离洞壁不同深度位移的变化规律将厂房洞壁周边围岩分为松动区、过渡区和稳定区;然后采用每层开挖引起的增量实测位移与相应的反分析位移均方差作为目标函数,分层进行围岩力学参数反演分析,得到上、下游厂房不同的地应力参数及地下厂房在开挖每层时围岩的岩体力学参数。结合反演得到的这些地应力场与围岩力学参数,对后续开挖时厂房围岩稳定性进行评价与预测,提出拉西瓦地下厂房围岩稳定性判定标准。该标准为后续地下厂房监测变形控制提供依据,有效地指导厂房支护设计与开挖施工。     

高地应力条件下大型地下洞室群围岩失稳模式分类及调控对策

锦屏一级、猴子岩等大型水电工程地下洞室群的施工过程中出现岩爆、塌方、大变形及支护后喷层、围岩开裂等围岩变形破坏现象,对围岩变形失稳模式及针对性的调控措施缺乏系统、总结性的研究。在收集大岗山、锦屏一级、猴子岩、官地等多个典型水电工程地下洞室群施工地质、设计、物探、监测资料及现场调查的基础上,从控制因素上将围岩失稳模式分为岩体结构控制型重力驱动型、应力驱动型、复合驱动型3种类型;从破坏主要发生的工程部位将破坏模式归纳为5个部位、16种基础模式;以猴子岩水电工程主厂房动态调控为实例,说明所提出的调控措施的有效性和可行性。该研究成果可为大型地下洞室动态设计提供借鉴,为施工安全的保障提供理论依据,具有重要的工程意义。     

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序 与支护参数组合优化的智能方法

 针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。     

高地应力下白鹤滩地下洞室群含错动带岩体破坏模式及机制研究

 在建的白鹤滩地下洞室群规模巨大,具有“高边墙、大跨度、高地应力、复杂地质条件”的特点,在高应力开挖卸荷过程中,遭遇到延展性强且力学性质差的多条大型错动带的影响,使得含错动带岩体遭遇到不同程度的变形破坏问题。结合地质、施工、监测、测试及数值分析等资料,首先从错动带产状、成因和自身特点等方面对错动带的工程特性进行详细论述,然后对因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例进行归纳总结,从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块和剪切滑移型破坏3种类型;其次,研究分析各类含错动带岩体的破坏特征与机制,包括时空演化过程、形态特征、破坏规模等,初步揭示3种破坏模式对应的力学机制;最后,给出典型的含错动带岩体破坏模式分析预测和支护探讨实例,从而为白鹤滩地下厂房施工过程中含错动带岩体不稳定性问题的预测和调控提供借鉴。上述研究成果对于高应力条件下类似的地下洞室群含错动带岩体的稳定性研究具有重要的参考价值和指导意义。     

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。     

官地电站高应力大跨度洞室群围岩稳定性评价

官地电站厂房地处高山峡谷段、高地应力区、高地震烈度区等,地质条件复杂。在基本工程地质条件和结构面统计分析的基础上,确定洞室群开挖后可能出现的块体并评价其稳定性。高地应力环境下的大跨度地下洞室群的稳定性分析研究评价较为复杂,应根据地应力、地质体等采取不同的分析评价方法。官地电站运用多种方法进行岩体质量分析,运用地质分析法和数值模拟法综合确定研究区的地应力场分布规律,运用有限元法研究地下洞室群的开挖效应及群洞效应,最后进行大型地下洞室群围岩稳定性评价,做到即有宏观指导又有具体稳定性研究,确保了围岩的稳定。     

基于松动圈-位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的智能反分析

考虑到高地应力下洞群围岩力学行为独特性和深部地下工程研究需要,提出大型洞室群岩体参数的智能反演新方法。该方法是采用弹脆塑性本构CWFS模型,以分步开挖引起的松动圈和位移增量监测信息为输入,首先通过参数敏感性分析确定待反演的参数,再建立位移增量–松动圈深度的联合适应度函数,用进化神经网络–遗传算法求得待反演参数的数值,并进行后续开挖引起的位移演化的灰色关联度分析和松动圈的实测值与计算值对比对反演结果进行检验的反分析方法。用该方法对具有高地应力特征的拉西瓦水电站花岗岩地下洞室群围岩的力学参数进行了反演,通过地下洞室群的第2～6层开挖引起的位移增量和松动圈的测试值,反演求出相关5个岩体力学参数的值。用反演所得的参数值对第7步开挖引起的位移增量和松动圈变化进行计算分析,结果表明该方法的正确性。     

用灰色局势决策法优选高地应力下大型地下洞室拱形

以某高地应力洞区岩体地质资料为依托,用弹塑性有限元分析在高地应力下大型地下3种洞室拱形(即单心圆拱、三心圆拱和椭圆拱)对拱部围岩应力的影响,计算结果表明,这种影响是非常明显的,有的应力集中系数达到3.33。无论采用何种拱形,均避不开拱座附近应力集中现象。利用围岩塑性区和应力集中系数组建灰色局势决策,并计算出各自的灰色效果测度值,依据灰色效果测度值可综合评判出,无论初始地应力侧压系数是多少,对洞室拱形而言,椭圆是最优的,其次是三心圆。     

高地应力下大型地下硐室块体变形特征 及其稳定性分析

 拉西瓦水电站发电厂房是地下大型硐室;硐室位置地应力 = 10～30 MPa,属于高地应力区。硐室上游侧墙A区存在f10,f12,f24断层,由全空间极射赤平投影分析,断层f10,f12,f24可形成关键块体,体积为2 103 m3。在硐室开挖过程,受应力释放和调整的作用,块体在加速变形阶段最大速率达到1.22 mm/d,因此,块体的稳定程度直接关系到该区域锚固措施的制定。用块体理论对其失稳模式和稳定性进行多参数分析,确定块体变形属于围岩开挖卸荷变形,不是块体滑移变形。在块体变形监测和稳定分析的基础上,对块体采用构造性锚固,没有施加额外的特殊功能性锚固,节约支护工程量,加快了施工速度。研究结果表明,高地应力下大型地下硐室块体抗滑稳定达到抗滑稳定要求,若块体变形不影响其他结构安全,可以允许块体释放开挖卸荷变形而无需要因约束块体变形实施特殊的加强支护措施。     

地下大型洞室群稳定性的系统性研究

以某大型水电站洞室群工程的地下结构模式为背景，用数值模拟方法计算了上百个算例，研究了4大岩类、4种埋深在不同侧向地应力条件下洞壁位移量的变化规律，并拟合出用多项式表达的公式，它可以预测围岩在不同条件下的位移量。在此基础上，提出了以相对位移量为围岩稳定性判据的具体数值，它可做为是否需施加长锚索加固围岩的参考依据。同时提出，在许多情况下，需在围岩近区考虑存在一个松弛开裂区，使数值分析更为接近实际。最后通过一个工程实例，模拟计算了存在松弛区时的围岩位移量。计算结果与实测结果相符良好。     

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。     

深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考

针对深切河谷高地应力区水电站厂址区域初始地应力张量空间分布特征及其与洞室群布置相对关系识别问题,结合河谷历史发展过程分析、应力张量空间解析法和多核并行计算技术等,将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合,提出考虑河谷演化规律的厂址区域地应力场量化精细数值模型的建立方法和分析思路,识别锦屏一级水电站厂址区初始应力场分布规律并进行现场验证,结果表明：锦屏一级地下厂房洞室群位于深切河谷附近应力变化较大且应力水平相对较高的应力过渡区,由此形成初始高地应力环境,且主应力比为1.9～2.5,岩石强度应力比为1.5～3.0;在这种高地应力-低强度应力比且高主应力比共同作用下,地下厂房洞室群施工期围岩出现的变形破坏规律及卸荷松弛深度超过同等规模的地下厂房工程,而现场围岩应力诱导型变形破坏的发生位置和分布规律,则佐证了所获得的厂址初始应力场的合理性,同时也验证了地应力场量化模型建立方法的科学性和可行性。在此基础上,建立一种考虑三维地应力、岩石强度应力比和岩体结构特征的高地应力区地下厂房洞室群结构布置设计方法,其本质上体现洞室荷载特征(三维地应力,包括最大主应力量值和方位,而且还考虑地应力场分布、主应力比等)、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)等因素的协同耦合作用,并从定性角度建议确定主洞室位置、纵轴线、间距和洞型等一些原则和思路。     

大跨度地下洞室拱顶稳定性及支护措施研究

拟建的金沙江下游一水电站引水发电系统地下洞室群规模巨大且布置复杂,其圆筒型阻抗式调压井高度达100 m,直径达50 m,洞室在同类工程中罕见,拱顶稳定及支护措施问题突出。针对复杂地质条件下,尾调顶拱围岩潜在的应力型破坏和结构面导致的变形与坍塌两类不同性质的问题,采用工程地质分析与三维数值模拟3DEC等相结合的方法,深入探讨圆筒形尾调室围岩应力集中范围、程度和高应力破坏风险;说明软弱层间错动带对围岩变形稳定影响及其安全性。研究表明：圆筒形尾调室总体受力特征良好,拱顶应力集中水平(30～44 MPa)相对不高,高应力破坏问题不突出;但层间错动带对拱顶稳定影响明显,沿层间错动带的错动变形较大且NNE向浅层7 m范围发生剪切屈服。采用系统支护与混凝土置换的加强支护措施后,可以明显减小层间带的错动变形,提高层间带的安全储备。     

向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工和监测

 金沙江向家坝水电站地下厂房规模庞大,具有结构尺寸大、地质条件复杂、支护工程量大、施工干扰大等特点。通过大量的科研设计,确定地下洞室群尤其是主厂房的施工程序和支护参数。在施工过程中采用精细化管理对施工进行严格控制,建立设计、科研、施工一体化的实时监测动态分析反馈系统。开挖结束后,主厂房围岩变形趋于稳定,顶拱最大变形13.36 mm,边墙最大变形6.74 mm,均小于设计计算值(顶拱最大位移20.4 mm、边墙最大位移62.5 mm),并小于国内同类工程。总结向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工实践中形成的设计、施工和项目管理原则和程序,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

块体理论在荒沟抽水蓄能电站地下厂房系统硐室群围岩稳定性分析中的应用

荒沟水电站地下硐室群开挖区围岩裂隙较发育,因此确定硐室群开挖面上可能产生的块体及其稳定性对工程施工意义重大。综合考虑荒沟水电站地下硐室群地质条件及其裂隙较多的特点,采用适合于裂隙岩体稳定性分析的块体理论,对其围岩稳定性进行分析。由于需考虑的裂隙多而导致计算量较大,因此分析方法采用可实现程序化的矢量分析法,依据其原理并结合地下硐室三维坐标体系,应用大型数值软件MATLAB编制计算程序。该程序通过输入结构面产状、测点坐标等工程数据,依次分析各关键块体,得到其顶点坐标、体积、稳定系数等相关信息,再利用CAD展示关键块体在三维空间中的位置和几何形态,从而为地下硐室群的开挖施工提供指导。     

高地应力条件下洞群稳定性的地质力学 模型试验研究

以大渡河上双江口水电站为工程背景,综合介绍高地应力条件下洞群稳定性的地质力学模型试验,其中包括模型试验钢结构台架、液压系统、围岩岩土相似材料、模型试验测试技术及元器件的研制、锚索和锚杆的制作与埋设技术、洞群的开挖及测试等.研制出的钢结构台架可成功模拟大埋深、高地应力的条件,与之相配套的全自动液压系统可实现同步非均匀梯度加载,具有压力高、持荷稳定等优点.以高精度的光栅尺为传感器制成的新型多点位移计,对开挖过程中洞周围岩位移进行实时监测,并采用先进的数字摄像技术成功测量洞周收敛.研制可施加预应力的微型锚索及提出和实施了独特的埋设注浆锚杆的锚固技术.开挖支护与监测同步进行并对开挖后的测试成果进行相关分析,并建立三维有限元模型并用FLAC3D数值分析软件进行相应的对比计算.计算结果与测量结果相比较,二者规律基本吻合,表明模型试验取得了预期效果.在正常开挖支护和监测试验工作完成后,又开展超载试验.模拟埋深达1 000 m乃至2 200 m时洞群变形和围岩破裂的规律并观察相关现象.研究工作的结果对实际工程有一定的指导意义.