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。     

大型地下洞室施工围岩力学行为与控制技术

杨房沟水电站洞室纵横交错、平、斜、竖相贯,特别三大洞室开挖完成后,群洞效应显现,施工期围岩稳定问题突出.为研究杨房沟水电站洞室开挖过程中潜在的高应力破坏风险导致的顶拱变形破坏、喷混凝土层开裂脱落以及主副厂房和尾调室顶拱围岩在洞室下卧开挖影响下应力型破坏程度等岩石力学问题.通过施工期围岩监测反馈分析发现,片帮破坏发生部位...     

DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

DDA方法在复杂地质条件地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

摘要：以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

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.     

深部地下洞室施工期围岩大变形机制分析

大岗山水电站引水发电系统地下洞室埋深大,花岗岩因风化卸荷强烈,岩脉破碎带发育,应力较高。在施工过程中,岩脉、断层穿越的主变室部位出现较大的变形,严重影响施工安全与进度。采用地质调查和现场监测的方法,结合现场施工情况分析主变室围岩大变形特征和机制,提出2种可能的大变形破坏模式,分析影响围岩大变形的因素,并评价主变室的稳定性。研究结果表明:主变室围岩大变形主要受辉绿岩脉8 1和断层f59,f60控制,同时,地应力高、施工强度大、支护进度滞后加剧围岩的大变形。深部地下洞室施工期的地质调查及现场监测可以及时预测高应力区卸荷围岩的大变形,以确保洞室施工期的稳定安全。研究成果对类似工程具有重要的参考价值。     

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。     

巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。     

鲁布革水电站地下厂房锚喷支护效果的研究

为了研究鲁布革水电站地下厂房围岩采用锚喷支护的效果,我们曾进行了相似材料模型试验研究和有限元计算。模型试验和有限元计算分别对有支护和无支护的洞室围岩应力分布;围岩位移;以及洞室失稳的破坏荷载、破坏范围和破坏形态进行了研究。分析研究结果表明,锚喷支护能够改善洞室围岩的受力条件,增加围岩整体变形刚度和提高围岩的承载能力。洞室进行锚喷支护后,围岩拉、压应力值都有所降低;围岩周边最大变形减少20％左右,洞室破坏荷载可提高50％左右。本文对洞室围岩、喷混凝土层及锚杆的破坏机制亦进行了讨论。     

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。     

陡倾角沉积岩地层中大型地下厂房开挖围岩 变形失稳特征和反馈分析

 介绍彭水水电站地下主厂房洞室施工过程中高边墙围岩的变形破坏特征、相应的加固处理措施以及围岩监测成果等;在此基础上,开展主厂房围岩施工期的动态反馈分析。研究结果表明：对于陡倾角层状岩体中开挖的大型地下洞室群,围岩中分布的软弱结构面和岩层层面对上、下游边墙的变形与稳定起着控制性作用,陡倾角、顺向岩层组合的高边墙其变形失稳模式以典型的滑移破坏为主;而陡倾角、逆向岩层组合的高边墙则以沿层面的张裂、折断、倾倒变形后的坍塌破坏为主。通过开展施工期围岩监测反馈分析,为彭水水电站地下厂房的动态设计和信息化施工提供了重要依据。     

锦屏I级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征及地质力学机制研究

 锦屏I级水电站是雅砻江流域最为重要的控制性梯级电站。地下电站的规模巨大并且赋存的地质环境条件十分复杂,特别是岩石的相对低强度和高地应力特征,地下电站在施工过程中遇到前所未有的有关围岩稳定及支护设计方面的难题。结合地质、监测、物探、施工及试验资料,分析地下厂房洞室群围岩及支护结构的变形开裂及破坏失效的特征。探讨地下电站区的地应力状态、岩体结构、岩石的加卸载力学特性等对围岩变形开裂的影响规律,解释围岩变形破坏的地质力学机制。高地应力及其方向使得主厂房和主变室下游侧围岩(特别是拱腰)的切向应力加载效应明显,易于压致劈裂,而上游侧边墙等法向应力卸荷强度较大,易于卸荷拉裂松弛。高应力条件下破裂围岩具有一定的流变特性,表现出由表及深的渐进性特征,反映随围岩松弛而发生的破裂岩体的时效变形。主厂房和主变室上游侧为缓倾角顺向坡而下游侧为反向坡,在二次应力场作用下下游侧易弯曲折断而上游侧很难剪切滑移。厂房区大理岩具有相对低强度高脆性力学特性且具有较低的应变强度特征,卸荷条件下易于压致拉裂。     

大型尾水调压室穹顶开挖支护力学与变形特征研究

 锦屏一级水电站尾水调压室为2个巨型圆筒状竖井,且位于2条大断层及多组节理切割的复杂高应力地质体内,球冠状顶部开挖支护困难。工程应用和理论研究均表明：开挖方式和支护参数是影响尾水调压室穹顶应力分布和变形的关键因素。基于对1#尾水调压室顶拱f14断层及煌斑岩脉,断层影响带的现场勘察研究采用力学分析、原位监测和三维数值模拟等手段,对尾水调压室围岩变形破坏机制进行深入分析,研究尾水调压室开挖过程中穹顶围岩变形和力学特征。最后,对尾水调压室的开挖、支护提出若干有益的建议,为锦屏一级水电站的动态开挖支护设计提供技术支持。     

高应力软岩巷道支护失效机制及控制研究

 为明确高应力软岩巷道支护失效机制并验证新型支护形式的有效性,以赵楼煤矿千米深井为工程背景,在围岩变形破坏及支护失效规律现场探测、监测分析基础上,采用数值计算方法,通过对FLAC3D中BEAM单元的修正处理实现了拱架支护体系的精细化模拟,讨论了支护强度等级(拱架形式)、地应力等级、围岩强度等级三个因素对巷道围岩变形量、塑性区范围、支护构件受力状态等的影响规律。在此基础上分析了高应力软岩巷道支护失效机制。对于高应力软岩巷道来说,锚网喷支护具有明显的局限性;具有一定刚度和强度的拱架是一种行之有效的围岩控制途径,是必要的。采用方形钢管约束混凝土拱架支护体系进行现场试验,新型高强拱架支护方式使得巷道围岩稳定性得到有效控制。     

跨断层隧道围岩渐进性破坏模型试验及数值模拟

 断层及其破碎带是隧道开挖过程中常见的不良地质现象,也是围岩不稳定且容易出现事故的地段。以山区隧道施工中常见的IV级围岩为参照对象,利用地质力学模型试验和数值模拟研究跨断层隧道施工过程中围岩的渐进性破坏过程及其受力变形特性。研究结果表明：(1) 位于拱顶之上的断层下盘岩体在隧道开挖后呈悬挑状态,且在靠近断层部位易出现拉裂缝;(2) 隧道开挖使得上覆荷载向隧洞左、右两侧转移,从而导致拱腰以下的岩体往往率先剪切破坏,尤以断层下盘一侧岩体为甚;(3) 隧道开挖将引起围岩应力重分布,若调整后的围岩应力超出岩体自身强度极限时,洞周岩体就会塌落成拱,且位于塌落范围内的岩体切向应力呈“跌落式”下降,此特征可用于判断岩体塌落范围;(4) 隧道开挖后,由于断层的阻隔作用,岩体应力在跨越断层上、下盘时呈不连续、非线性分布的特征。     

平顶山矿区深部大规模松软围岩巷道支护技术

针对平顶山矿区深部大规模松软围岩稳定性控制问题，以典型大规模松软围岩巷道为研究对象，研究确定其围岩的赋存条件，采用离散元方法模拟巷道围岩的变形破坏过程，揭示其破坏机制，提出相应的支护对策，结合深部巷道围岩稳定性控制理论拟定支护的总体思路，确定具体支护方案，研发围岩巷道的抗折抗裂喷层技术及深部巷道底臌治理技术。研究结果表明：围岩承受的高地应力与其自身低强度之间的矛盾是造成深部大规模松软围岩巷道失稳的主要原因；巷道首先在拱顶、底板中央区及两侧边墙受张拉破坏，拱肩及两侧底角受剪破坏，破坏区范围逐渐向深部扩展直至失稳。现场实测数据表明：在方案实施2个月后，锚杆、锚索受力在较高值趋于恒定，充分发挥了支护作用；水平收敛、拱顶下沉和底板臌起趋于稳定，大规模松软巷道围岩稳定性得到有效控制。     

Comprehensive evaluation of the stability of the left-bank slope at the Baihetan hydropower station in southwest China

The stability of the left-bank slope is a crucial geological engineering problem at the Baihetan hydropower station, China. Due to continuous excavations on the rock slope, different regions of the surrounding rock mass undergo varying degrees of unloading deformation. It is important to assess the stability of the rock slope from a macroscopic viewpoint by investigating its deformation characteristics and mechanisms. Therefore, in this work, microseismic (MS) monitoring was first employed to detect the progressive rock mass damage in the rock slope subjected to excavation, including the initiation, propagation, coalescence, and interaction of rock microfractures. Numerical modeling was subsequently performed to understand the deformation and failure mechanism of the rock slope. Moreover, traditional surveying approaches (i.e., multiple-point extensometers and inclinometers) and field observations were also used to analyze the deformation and failure characteristics of the rock slope. The MS monitoring results showed that spatiotemporal regularities in the evolution of seismic source locations were indicators of deformation failure and potential sliding surfaces. MS event clustering can be used to delineate activated pre-existing geological structures (i.e., LS331 and LS337). The simulation results show that the deformation and failure characteristics of the rock slope are mainly controlled by pre-existing weak structural planes (i.e., the intraformational faulted zones LS3319, LS331, and LS337 and fault F17). These results agree well with the results of geological data and conventional monitoring data. Our study reveals that an integrated approach combining MS monitoring, numerical modeling, traditional surveying, and field observations leads to a better understanding of the behavior of the rock slope under the influence of excavation as well as greater control of the working faces, ensuring safety under complex geological and excavation conditions.     

汤屯高速公路顺层岩质边坡变形机制分析及治理对策研究

通过对汤屯高速公路顺层边坡现场工程地质条件的系统调查,首先对边坡的岩体结构类型及其成因机制、结构面与坡面组合特征进行细致研究,在此基础上通过FLAC^3D数值模拟,结合工程地质条件分析,对其变形破坏机制进行深入探讨。研究结果表明,边坡处于滑移弯曲–滑移拉裂复合型滑坡的初始阶段,边坡的变形受层间软弱夹层及岩体结构控制作用明显,坡体中上部块体沿层间软弱夹层产生滑动,受下部岩体约束,在坡体最薄弱部位–开挖面附近产生弯曲变形;受弯曲部位推力作用,第一级边坡碎裂岩体中逐渐产生剪切滑动面,并与弯曲部位岩体中滑移切出面贯通,最终破坏。基于变形机制分析的治理措施将重点放在控制碎裂岩体和潜在剪出口的变形上,监测结果表明,边坡达到稳定性要求。