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。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

数字照相量测在大型洞群模型试验中的应用研究

地质力学模型试验和数值模拟方法是研究深埋、高地应力条件下大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法。以双江口水电站地下洞群模型试验为研究对象,为解决洞周边墙关键点微小位移的量测问题,通过在洞周表面布置人工量测标志点和全程数字图像采集,应用PhotoInfor图像分析软件系统对洞室拱顶及边墙收敛位移进行了计算分析。获得了洞室加载与开挖过程中位移的变化过程与规律曲线。同时,利用FLAC3D软件模拟了洞群围岩的稳定性状况。研究结果表明:在大型洞群模型实验中,数字照相量测能够识别0.02 mm以下的微小位移;数值计算结果与照相量测结果规律基本吻合;数字照相量测弥补了三维模型试验中传统预埋量测仪器而破坏模型整体性的缺点,能够广泛应用在岩土工程试验之中。     

基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化研究

介绍了一种基于安全系数的大型地下洞室衬砌优化方法,应用于糯扎渡水电站调压井大型洞室的衬砌优化研究。首先,建立围岩和衬砌的三维有限元模型,施加初始地应力场,进行结构线弹性计算并配筋,其次,进行衬砌三维弹塑性计算,由围岩点安全系数比较分析,优化得到最佳衬砌方案,最后,对最佳衬砌方案合理性进行了验证分析。研究表明,当衬砌高程施作至625.5m时,围岩和衬砌稳定性较好,且围岩个别点安全裕度较小,因此衬砌方案Ⅳ为优化得到最佳衬砌方案;通过衬砌和围岩的稳定性分析验证了优化方法的合理性,可为其它类似工程衬砌优化研究提供借鉴。     

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。     

大型洞室群智能动态设计方法及其实践

 针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。     

以二滩工程为背景的洞群开挖系统分析

采用三维有限差分FLAC3D程序,以二滩工程地下洞群的结构形式为背景,考虑了几种主要不同因素的影响对围岩稳定性进行了大量计算工况的准三维数值模拟。对毛洞开挖时主厂房边墙关键点的最大水平位移和主厂房的塑性区进行了系统分析,得到若干规律性结果,可供大型地下洞室群稳定分析时作为参考。运用本文提供的方法对八个大型工程的位移做了预测分析,表明此方法的有效性。     

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。     

西南某水电站地下厂房围岩稳定性分析

采用地下厂房高边墙一个关键点位移的预测方法得出高边墙关键点的位移,并以弹塑性位移相对比值判别法作为围岩稳定性的判据,再分别讨论计算顶拱围岩在有塑性区和无塑性区情况下顶拱的临界沉降量,对西南某水电站地下厂房洞室围岩整体稳定性进行研究和评价。监测数据显示顶拱的位移近似呈阶梯式上升,自09/01/01以后基本保持平稳没有大幅度上升的趋势,围岩的位移值小于计算的临界位移值,与本文分析结果相符合。根据收集的地质素描资料对顶拱和边墙出现的结构面组合切割形成的失稳块体进行稳定性分析计算,对于不稳定的块体进行及时的支护,保证厂房围岩的局部稳定。     

考虑开挖卸荷劈裂效应的脆性裂隙围岩位移预测新方法

 针对中国西南地区大型地下水电站厂房高边墙洞室脆性围岩开挖卸荷过程中出现的劈裂破坏这一特殊的工程地质现象,采用直线型滑移裂纹组劈裂简化模型,运用断裂力学、能量分析和裂纹扩展等分析方法,考虑围岩中原生裂隙的存在和在应力条件改变时,原生裂隙产生次生裂纹,继而形成近似平行洞室边墙的陡倾角劈裂裂缝的作用,获得洞室周边围岩的劈裂破坏判据和反映劈裂张开性变形的围岩位移预测新方法。并将新方法应用到锦屏一级水电站地下洞室群实际工程中进行验证,其劈裂破损区和位移预测值均与工程现场监测结果具有较好的一致性。此预测方法将为类似工程优化设计和优化开挖等提供科学依据。     

龙游石窟5号洞室的破坏机理研究

龙游大型古地下工程洞室群具有大跨度、超浅埋的特点,其独特的结构形式和高超的施工工艺是我国古人智慧和创造力的结晶,也是世界地下空间开发利用的一大奇迹。已对外开放的5号洞室多处出现了开裂,且裂缝不断扩展。为了深入了解石窟围岩的破坏机理,为石窟的保护工作提供理论依据,基于三维地质扫描技术建立5号洞室的几何模型,利用RFPA-3D数值计算软件,对构成5号洞室的顶板、岩柱、洞口围岩的应力场分布规律以及变形破坏特征进行分析。研究发现,在洞口顶板产生拉伸裂缝,岩柱产生压剪裂缝。数值模拟结果中洞室顶板和岩柱的裂缝分布情况与现场调查结果吻合较好。研究结果可为5号洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。     

Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station

Many factors influence the static and dynamic stabilities of the rocks surrounding large cavern groups, such as in a hydropower station. In order to study the influence of cavern spacing on the stability of adjacent caverns, two kinds of dynamic-history simulation models for large cavern groups were set up by considering three different strengths of rock masses (soft rock, medium hard rock, and hard rock). One model included two caverns and the other included three caverns. The numerical simulations of these models were conducted under the loading of gravity and the combined loadings of gravity and earthquake motion, separately. To fully consider the dynamic features of rock masses, a damaged plasticity model with a non-associated potential flow was adopted for the surrounding rocks. Due to the stress redistribution and the scattering effect, simulated results indicate that, taking the caverns located in soft rocks, for example, if the spacing is less than one cavern characteristic length (taken to the biggest width of a cavern in the group), the static and dynamic responses of adjacent caverns are significantly affected by their spacing. The damage and the distribution of tensile stress surrounding the caverns are extremely extensive. Once the spacing approaches or exceeds twice the cavern characteristic length, the damage and the distribution of tensile stress of caverns keep unchanged, and the effect of nearby caverns disappears. In some situations, as the rock strength decreases, the damage becomes more severe and the area of tensile stress becomes more extensive. The critical distance of cavern spacing decreases as the strength of the surrounding rocks increases. The conclusions of this work could be used as a primary guidance to the anti-earthquake design for practical engineering.     

Stability analysis of a group of underground anhydrite caverns used for crude oil storage considering rock tensile properties

Tensile deformation and damage play an essential role in rock engineering problems. This paper presents a framework for evaluating the stability of a group of anhydrite caverns combining both experimental and numerical methods. In this study, the tensile Young’s modulus and Poisson’s ratio of anhydrite are determined based on the Brazilian disc splitting test. The tests show that the tensile Young’s modulus of anhydrite is less than the compressive Young’s modulus, with a ratio of approximately 0.58–0.91. The tensile Poisson’s ratio is greater than the compressive Poisson’s ratio, with a ratio of approximately 2.47–3.20. Based on the differences between the mechanical parameters (Young’s modulus, Poisson’s ratio) of anhydrite in the tensile and compressive states, a user-defined constitutive model is developed with the Hoek-Brown failure criterion, which describes the tensile and compressive behaviour at a laboratory scale. Finally, a large-scale three-dimensional (3D) anhydrite cavern group located in Anhui Province, China, which was formed by mining activity over the past 10 years, is used as a case study to illustrate the proposed framework. The model for the anhydrite cavern group is established in FLAC^3D5.0, and the stability of the anhydrite cavern group used for underground oil storage is then analysed with this model. The simulation results indicate that after the exploitation is completed, there are few plastic zones and tensile elements in the surrounding rock near the cavern group. The maximum value of cavern roof settlement is approximately 5.54 mm. The maximum cavern bottom upheaval is approximately 6.11 mm, and the maximum ground subsidence is approximately 3.0 mm. The results indicate that the Anhui Hengtai anhydrite cavern group possesses good stability potential as an underground oil storage space.

     

北盘江电站地下厂房群施工过程数值分析

以北盘江一级水电站地下厂房群为例,依据工程区区域地质条件与水文地质条件并结合实际开挖方式与开挖顺序,成功地在ADINA中实现了三维仿真数值模型的建立。采用应力试算法对模型边界处初始地应力进行拟合,在分析区域构造特征、现场实测数据和前期研究成果的基础上,通过对重力场模型的竖向边界上同时施加水平方向对称梯度应力,所取得的拟合效果最佳。洞室开挖完成后,洞周块体的水平位移均指向下游;围岩位移收敛速度较快,时效特征不显著。由于顶部局部软弱带的影响,致使该区洞室围岩变形稍大,但洞室整体稳定状况良好。最后,将位移现场监控数据与模拟结果进行了对比分析,结果说明所建模型可靠度高,可为洞室设计提供科学依据与技术指导。     

裂隙岩体表征单元体的确定及工程应用

以某水电站为工程背景,介绍了两种确定裂隙岩体REV的新方法:数字图像处理法和非连续变形DDARF法。依据水电站岩性差异、风化及卸荷程度,将围岩划分为若干工程地质区段并建立随机裂隙网络模型,研究尺寸效应对岩体力学参数的影响规律,获得了REV表征尺寸和等效力学参数;得到岩体的非线性强度准则,嵌入FLAC^3D对水电站开挖进行模拟,并监测关键点位移。结果表明:水电站围岩的抗压强度与围压成正相关;洞室开挖对厂房上下游中部和拐角处影响较大,应加强对这些部位的支护;关键点的位移数值结果与现场监测值基本吻合,误差小于5%。数字图像处理法和DDARF法为裂隙岩体REV的确定开拓了新思路,对复杂条件下地下洞室围岩的稳定性分析有广泛的应用前景。     

闹市区浅埋大跨度岩石地下洞室的开挖、支护及预测

本文就位于重庆市闹市区浅埋大跨度岩石地下洞室的开挖、支护及预测进行了数值分析，根据分析得出的位移场、应力场、塑性区提出了安全、经济的开挖支护方案，并对施工中的监测提出了指导性的意见。由施工监测反馈的阶段性信息表明，分析的结论基本上符合实际。     

高地震烈度区岩体地下洞室动力响应分析

 考虑地震荷载特征及地下洞室的特点,利用动力时程分析法,对金沙江两家人水电站地下厂房洞室进行地震动力响应分析。研究自然地震波作用下,有无衬砌工况下的厂房洞室相对位移、点安全系数变化趋势,分析地震波穿越地下洞室时位移变化规律及厂房洞室衬砌抗震效果。结果发现：地震波传播除了受介质、结构面分布的影响外,还受岩体洞室面的影响,洞室自由面附近岩体的振动强度被放大;地下洞室断面质点最大相对位移、点安全系数波动规律与地震波谱相似;地下洞室壁及F4断层未出现较大永久性位移,处于弹性可恢复范围;施加衬砌后洞室的振动强度降低,洞室围岩刚度增大,其所承受的地震荷载亦随之增大,而位移减小,支护后洞室最大相对位移及永久性位移比无支护工况下分别平均下降10.88%和29.20%,洞室衬砌抗震效果良好。研究结果可为类似工程问题提供参考。     

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。     

Displacement measurement techniques and numerical verification in 3D geomechanical model tests of an underground cavern group

In this paper, the stability of an underground cavern group is investigated on the basis of large-scale 3D geomechanical model tests and numerical simulations. Multiple measurement techniques are developed to measure the convergence of deformation in the cavern, displacements at key points in the side walls and the damage pattern during the excavation simulation process. The digital photogrammetric technique and fiber Bragg grating (FBG) based displacement sensing bars are applied to measure displacements in the surrounding rock masses. Mini multi-point extensometers with high-precision grating scales are developed as transducers for displacement monitoring. Afterward, a nodal-based Discontinuous Deformation Analysis (NDDA) method is applied to simulate the whole process of the physical model tests and to compare with experimental results. The variation process and law curves of the displacements in the surrounding rock and at key points in the side walls are obtained at excavation stages. The study shows that the application of the displacement measurement methods used in the surrounding rock masses for large-scale model tests of cavern group under true 3-D stress state have achieved satisfactory results.