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。     

桐柏抽水蓄能电站地下洞室群开挖的三维非线性仿真计算

对桐柏抽水蓄能电站地下洞室群开挖过程进行了三维非线性有限元计算和分析,得到了各工况下洞室开挖后围岩的变形和应力状态以及锚杆的应力数值,同时分析了塑性区的发展过程和分布范围。从而全面地了解洞室在施工过程中的变形和受力特征．掌握了洞室开挖过程中的稳定性特征。计算结果不但为桐柏抽水蓄能电站地下洞室的设计、监测和施工提供有价值的研究成果,具有重要的参考价值,而且所采用的方法和计算策略,对于同类工作也具有较大的参考作用。     

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。     

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。     

猴子岩水电站地下厂房开挖过程微震特征与稳定性评价

为了实时监测和评价开挖过程猴子岩水电站地下洞室群围岩稳定性以及识别洞室潜在风险区域,综合应用数值模拟、微震监测、常规监测和现场调查等多种手段方法,得到如下结论:(1)微震监测可以实现开挖强卸荷过程地下洞室群围岩稳定性的实时监测、分析和评估;(2)微震活动性的时空演化规律可以识别和圈定地下洞室群岩石微破裂集中区及潜在风险区域;(3)微震监测可以很好地揭示开挖诱发的岩石微破裂萌生、发育、扩展直至贯通全过程。结合地下洞室群现场施工和加固工况,微震事件的空间集聚可以看作是降低该区域施工进度的前兆信息;(4)常规监测方法(多点位移计、收敛计和锚杆应力计等)可以很好地验证微震活动的真实性和有效性。研究结果表明微震监测、数值模拟、常规监测和现场调查综合方法对于深入认识复杂地质条件和开挖强卸荷过程中地下洞室群开挖行为和施工安全控制具有重要意义。同时,研究成果也可为地下洞室群后期开挖和加固提供参考。     

陡倾角层状岩体中地下厂房洞室围岩稳定性分析

采用三维非线性有限元对具有陡倾角层状岩体的琅琊山抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定性进行了分析论证.通过对多种方案计算和比较,论证了大型洞室参数、支护形式优化、支护参数优化以及施工开挖方式的合理性,为工程设计提供了可靠的设计依据.     

洞室围岩薄弱区三维数值模拟研究

洞室围岩破坏通常是从局部开始的，首先破坏的部位就是围岩的薄弱部位或关键部位。对薄弱部位及时加固将收到事半功倍的效果。围岩软弱层带和围岩应力集中是形成薄弱区的两种基本原因。围岩的薄弱部位既具有一定的规律性，又可因岩体结构特征、初始地应力场、洞室形态和洞轴线展布方向、开挖方式的不同而有所区别。对泰安抽水蓄能电站地下洞群围岩稳定性进行了三维有限元数值模拟研究，结果表明：围岩最薄弱部位有时可能在距洞端一定距离上：围岩稳定性分析中选择洞室中部垂直洞轴线剖面作为典型剖面进行稳定性分析，由此而获得的计算结果有时可能偏于不安全。对于复杂的大型地下洞室群，应采用三维数值分析方法进行模拟才能找出潜在的围岩薄弱区。     

乌东德水电站地下厂房开挖过程微震监测与围岩大变形预警研究

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群地质条件复杂,大规模洞室开挖导致围岩变形问题突出,严重影响施工进度及人员安全。引入高精度微震监测系统,分析微震时空演化特征,结合现场施工动态、地质资料和常规监测数据,揭示地下厂房围岩损伤特征;对比地下厂房围岩外观变形监测数据,探讨围岩大变形过程中震源参数演化规律,提出围岩大变形预警方法。研究表明:微震时空分布规律能够很好地反映地下厂房施工动态对围岩扰动情况,微震事件聚集演化与围岩变形损伤密切相关;围岩大变形开始前,微震活动频率增加;能量指数迅速增长至较高水平,视体积均匀增加;微震信号频率呈降低趋势。研究结果可为地下厂房洞室群后续开挖、加固及围岩大变形风险预测提供重要参考。     

抽水蓄能电站地下洞室群安全监测流程研究

以江苏某大型抽水蓄能电站为例,阐述了其庞大地下洞室群的地质条件、安全监测系统构成及其布置方式,同时,给出了地下洞室群安全监测仪器设备采购、验收、检验、保管流程图、安全监测施工程序以及观测、资料整编、分析工作流程图。监测结果表明,地下洞室群的围岩是稳定的,其设计是合理的,对类似地下洞室群的安全检测具有重要的参考价值和借鉴意义。     

地下厂房洞室群施工期围岩变形及破坏特征分析

简要介绍了锦屏一级水电站地下厂房洞室群的工程地质条件、施工期安全监测方法。对围岩变形监测成果进行了统计分析,对围岩变形规律及特点进行了研究。结合施工开挖及地质条件,对围岩变形过程、时效行进行了探讨。经过分析认为厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂,与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关,其中地应力高的大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的主要原因。提出了增加开挖层数、减少开挖层高、相邻洞室错层开挖、增加对穿锚索及降低锚索锁定初值等建议措施。     

爆破动荷载作用下围岩累积损伤效应声波测试研究

基于声波测试原理,利用RSM-SY5智能型声波仪,对厂坝铅锌矿某巷道围岩在爆破动荷载作用下产生的累积损伤效应进行了现场试验研究。研究表明:既有开挖爆破对巷道围岩的影响深度为0.8～1.2 m,根据钻孔的深度,在3.5～4.8 m深度的岩体内进行爆破累积损伤效应研究是可行的;随着爆破次数的不断增加,岩体声波速度逐渐降低,损伤度D呈现出非线性累积规律;随着与爆源距离的增大,岩体爆破损伤程度减小,累积损伤效应逐渐变得不明显;水平和垂直方向测试结果存在较大差异,说明爆破作用下岩体损伤具有各向异性的特征。爆破装药位置和药量对岩体损伤累积规律有一定的影响。装药区段范围内的岩体损伤程度最严重,装药量越大,岩体损伤程度也越大。测试成果为进一步的岩体力学参数研究和地下洞室稳定性分析提供了参考依据。     

乌东德水电站右岸地下厂房开挖围岩破坏模式及形成机制研究

 乌东德水电站右岸地下厂房洞室群布置复杂,中低应力条件下,“陡倾、小夹角”等不利岩层产状导致结构面控制型破坏现象突出。结合地质、现场勘查、常规监测、微震监测及数值模拟资料,全面总结和分析右岸厂房下游拱座岩体破坏模式及形成机制。首先,基于现场勘查及常规监测资料,归纳和总结围岩破坏的基本特征与规律,包括其破坏形式、空间位置、破坏规模、破坏发展特征等主要信息;其次,总结岩体破坏孕育、发展过程中微震活动强度的时间演化规律,分析得到基于微震活动特征的层状岩体破坏前兆;最后,采用“微震监测”为主“数值模拟”为辅的综合分析手段,揭示下游拱座岩体发生弯曲倾倒的破坏本质及其形成机制,探讨岩体结构对拱座围岩破坏的力学影响机制。该研究可为陡倾层状岩体中大型地下洞室优化开挖方案和支护措施提供依据,也可为同类大型地下洞室相似围岩破坏的防控提供参考。     

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。     

深埋地下厂房微震监测系统及其工程应用

猴子岩水电站地下厂房水平埋深280~510 m,垂直埋深400~660 m,属于典型深埋地下厂房,山体地应力高,地质条件复杂。为监测和分析地下厂房开挖过程围岩的稳定性,识别和圈定围岩潜在的破坏失稳区域,2013年4月安装加拿大ESG微震监测系统。采用声波仪测定地下厂房岩体波速的范围,并结合爆破试验方法计算得到微震监测系统整体等效P波波速为5 700 m/s,系统定位误差小于10 m。对拾取的微震事件波形手动处理,提高定位精度,并剔除干扰事件。通过地质资料分析和现场踏勘,微震活动性时空分布演化规律揭示并圈定猴子岩水电站地下厂房围岩微破裂集中区域及其潜在失稳风险区域。研究结果可为猴子岩水电站地下洞室群后期开挖和支护提供参考,也为类似开挖强卸荷作用下深埋地下洞室围岩稳定性评价提供一条新的研究思路。     

大岗山水电站地下厂房洞室群围岩开挖损伤区研究

 以大岗山水电站地下厂房洞室为研究对象,通过施工阶段的围岩力学性状测试、开挖变形长期监测研究地下洞室开挖损伤区的分布范围和损伤劣化特征。以围岩变形和损伤区实测成果为基础,建立基于正交设计–支持向量机–粒子群算法的反演分析方法。通过对地下厂房洞室开挖损伤区的测试与监测、反演分析表明,损伤区分布范围约为临空面向岩体内部3～7 m范围,其中,围岩类别不同,其损伤区分布范围不同,损伤劣化程度也不同,具体表现为围岩质量越好,其损伤范围越小,但是损伤区岩体损伤劣化程度越高。相关认识是初步的,对类似重大工程的设计施工有一定的参考价值,但还需要进一步开展理论与工程实践研究。     

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。     

考虑施工期应力调整的浅埋地下厂房围岩破坏模式分类

围岩破坏模式研究对地下洞室群的安全施工与高效支护具有重要意义。地下厂房多采用分层开挖施工方式,在此过程中围岩体的应力状态随开挖的进行而不断调整,因此,研究施工期应力调整的地下厂房围岩破坏模式十分必要。首先通过广泛调研现有地下工程的围岩破坏模式,归纳汇总了中低地应力水平围岩破坏模式分类;然后,分析浅埋地下厂房分层开挖下围岩体的应力调整特征,并从应力调整角度提出了浅埋地下厂房考虑开挖阶段、典型部位、以及岩体基本质量(BQ值)的围岩破坏模式分类,详细阐述与分析各破坏模式的破坏现象及破坏机制;最后,将该破坏模式分类在托巴水电站地下洞室群进行了应用验证。提出的围岩破坏模式分类可为浅埋地下工程施工期围岩破坏防治提供参考。     

新型节理岩体损伤流变模型数值模拟研究

越来越多的地下大型水电站洞室群处在大埋深、高地应力、高孔压的地质环境中,流变现象较为明显。同时,由于岩体中节理裂隙的存在,对围岩产生弱化效应,使得洞室的稳定性分析更为复杂。针对这些特点,综合考虑损伤和流变的影响,推导出基于西原体模型的黏弹塑性损伤本构模型。此外,利用三维快速拉格朗日FLAC3D软件的二次开发功能,以VC++作为开发平台,将包含差分形式的本构方程程序化,生成动态链接库文件(DLL文件),通过FLAC3D主程序进行调用。从而,开发出了新型节理岩体的FLAC3D损伤流变本构模型。将此模型应用于双江口洞室群工程实例,完成了洞室稳定性分析计算和指导施工设计。结果表明:将该损伤流变模型用于模拟大型地下洞室群的开挖、分析其稳定性,具有较强的可行性,可用于指导实际的工程施工。     

溪洛渡水电站超大型地下厂房洞室群岩体工程控制与监测

 金沙江溪洛渡水电站地下厂房洞室群规模巨大,结构复杂,玄武岩组内层间与层内错动带致使岩体非连续性是主要地质问题。采用损伤弹塑性数值方法对围岩稳定性进行分析,确定洞室开挖顺序和支护参数。精细化施工组织,严格控制开挖对岩体的损伤范围,并保证洞室轮廓的良好成型。及时对监测数据进行分析和反演分析,对支护工作量进行动态设计。开挖过程中,位移和应力变化规律较好;开挖完成后,位移和应力总量值较小,洞室围岩稳定性良好。溪洛渡地下厂房洞室群规模为我国已建和在建工程之首,总结其设计、开挖与支护,监测与反演等岩体工程控制措施,对类似工程具有指导和借鉴作用。     

地应力对地下洞室开挖的塑性区影响研究

结合河南宝泉抽水蓄能电站地下洞室开挖过程的三维非线性分析，讨论了地应力场中侧压力系数对围岩塑性区分布的影响。其中，岩体材料为理想塑性，屈服准则采用Druc ker-Prager准则，从理论上推导了地应力中侧压力系数和材料参数与围岩塑性区之间的关系，主要是对洞室中典型的马蹄形洞室的3个最易出现塑性的区域进行了研究，得出了它们的塑性区分布规律与侧压力系数的关系。在河南宝泉抽水蓄能电站洞室开挖过程的三维非线性分析中，验证了这个规律。这些规律和认识可作为工程设计的参考和导则。