高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

 从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明：在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。     

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。     

龙滩水电站左岸地下厂房区三维地应力场反演分析

在龙滩地下厂房区工程地质和试验洞变形监测结果综合分析的基础上，建立地质概化和试验洞施工开挖模型；采用地应力场随埋深变化呈线性分布的假设，并根据地应力测试成果，确定地应力场的分布区间。在此基础上，采用均匀设计方法和三维显式有限差分法，通过模拟试验洞的开挖变形，对龙滩水电站厂房区岩体地应力场进行了三维变形反演分析。对比计算位移和监测位移，计算各方案的位移目标函数，获得了岩体地应力场沿深度的分布规律。比较监测与计算位移，两者在量值上相当，在变形趋势上也基本相同，而且实测与计算所得的地应力值较吻合，表明所获得的岩体地应力场是基本合理的，同时说明此反演方法简便、有效。     

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。     

双江口水电站地下厂房区初始地应力场反演分析

初始地应力是地下工程围岩稳定分析与支护结构设计的重要计算参数。文中根据双江口水电站地下厂房区实测地应力资料,考虑自重与地质构造运动对初始地应力场形成的影响,采用多元回归法对厂区三维初始地应力进行多元回归反演。在回归反演的基础上,考虑埋深和山体地形对初始地应力场分布的影响,建立初始地应力拟合方法,得到厂区初始地应力函数与应力分布变化规律。回归拟合计算应力与实测应力在量值大小和分布方向上吻合,表明反演获得的地下厂区初始地应力场是合理可靠的,这为地下厂房洞室群施工开挖及长期稳定性分析提供重要计算依据。     

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。     

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。     

高地应力大型地下洞室的位移和锚杆应力特性

通过大量的原型监测数据 ,研究了大型地下洞室的位移特性、锚杆应力特性以及它们的变化规律 ,并分析了对围岩位移和锚杆应力的影响因素     

在高地应力区与一个大型地下电站有关的若干岩石力学问题

本文描述了二滩坝址区出现的饼状岩芯及岩爆现象。然后介绍了在河谷中及平洞里进行的一系列应力测量的结果。最后用有限元方法分析了岩石破裂机制及地下厂房周围的应力分布,并介绍了应力在实验室中用液压伺服刚性压力机对一些试样加压及用声射仪进行监测的试验结果     

流场作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析水库蓄水后地下水渗流场对某水电站大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,采用三维快速拉格朗日法进行数值分析。在地下厂房施工期开挖支护全过程三维数值仿真的基础上,通过有无渗流场的影响、有无设置防渗与排水设施等不同工况进行对比计算分析,根据相应的岩体三维渗流场、塑性破坏区、位移场和应力场等计算结果,对电站运行期渗流场作用下地下厂房洞室群围岩与支护结构的稳定性进行分析与评价,论证了地下厂房防渗及排水设施设置的必要性和合理性,为大型地下厂房的合理设计与安全运行提供了科学依据。     

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。     

水布垭大型地下厂房施工顺序和锚固参数优化分析研究

清江水布垭水利枢纽大型地下厂房位于软硬相间的复杂地层中，其稳定性对电站的安全运行相当重要．应用三维非线性有限元方法对大型厂房的施工顺序、锚固参数进行了较为详细的优化分析，在多方案技术分析的基础上，提出了较为合理的施工顺序和锚固参数，以保证工程的长期稳定。     

高应力条件深孔松动爆破参数的探讨

从大量超前深孔松动爆破工程案例中,采用理论分析的方法,对超前深孔爆破合理参数进行深入研究,确定合理的炮孔直径、炮孔数目、炮孔长度、炮孔方位、装药量等,使之达到最好的爆破效果。     

大型地下厂房洞室群围岩稳定分析

 锦屏一级水电站最大坝高305 m,为混凝土双曲拱坝,电站装机容量360×104 kW,总库容77.6×108 m3,调节库容49.1×108 m3,是目前已建、在建和设计中的世界最高拱坝,其设计难度处于世界最高水平。针对地下厂区围岩类别较低、结构面发育、高地应力场以及洞室群规模巨大等情况,应用损伤力学理论,对地下洞室群的稳定性进行三维非线性弹塑性损伤有限元模拟计算,以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性,并对数值模拟结果与地质力学模型试验结果进行对比分析。结果表明,数值模拟和模型试验结果基本吻合,地下厂房洞室群围岩的整体稳定状态良好。     

高地应力条件下隧道大变形的数值模拟分析

基于陈至达提出的大变形问题基础理论,指出了以传统小变形理论研究软弱围岩隧道大变形问题存在的弊端。运用非线性数值模拟大变形的手段,针对二郎山公路隧道在高地应力条件下软弱围岩的大变形进行了研究,进而探讨了大变形破坏的本质问题。     

大型地下厂房三种涌水量预测模型分析

在地下工程开挖过程中,地下涌水量对施工人员的安全及工程的安全性有较大的影响。由于地下涌水量的影响因素复杂且呈非线性关系,为了能更准确地预测涌水量,采用某大型厂房地下涌水量的原始数据,通过对地下涌水量建立灰色预测模型、回归预测模型以及时间序列预测模型,预测出地下涌水量的发展趋势,对比分析表格数据、图表特征以及预测精度,得出灰色预测模型预测效果最佳。研究表明,灰色预测模型可以在较少数据的基础上达到合理预测的目的。研究结果可对工程安全提供参考,为类似工程提供借鉴。     

地下厂房围岩松动圈声波拟合及监测反馈分析

 在对锦屏一级水电站和溪洛渡水电站地下厂房围岩大量声波波速–深度曲线及其曲线拟合的基础上,将声波波速–深度曲线分成5类;利用经典的波速–弹性模量关系式将地下厂房围岩深度与弹性模量联系起来,对开挖后的洞壁岩体松弛现象和弹性模量下降的规律进行评价,提出洞周松动圈深度拟合公式。将提出的松动圈拟合公式应用于地下厂房围岩监测反馈分析和超前预报,分析成果比传统弹塑性理论更符合围岩实际变形规律。研究结果为围岩变形稳定分析和开挖反馈分析提供理论基础。     

大岗山地下厂房洞室群围岩力学参数的动态反演与开挖稳定性分析研究

岩体力学参数是影响地下工程围岩稳定的重要因素,随着地下洞室开挖进度的发展,岩体力学参数将产生明显变化。为实时反映开挖过程中围岩的力学参数变化,建立正交试验设计效应优化位移反分析法,应用该方法对大岗山水电站地下厂房洞群分步开挖过程中围岩的力学参数进行实时动态反演。利用动态反演的力学参数对各开挖层围岩进行稳定性分析,揭示出洞群开挖过程中围岩位移场、应力场和塑性区的变化规律,反演计算位移值与实测位移值吻合较好。根据分步开挖计算结果,提出地下厂房洞室群的加固处理建议,并及时反馈给设计单位,实时指导和优化工程的设计与施工。     

官地水电站地下厂房区地应力测试与应用分析

为了确定雅砻江官地水电站地下厂房区初始地应力场,并为厂房及洞室系统的优化布置提供依据,在地下厂房区6个部位各布置了一个钻孔,采用空心包体式钻孔应变解除法进行了三维地应力测量。测试结果表明:最大主应力量值为20~22MPa,属中高应力区,最大水平主应力方向在NW~NNW之间。最大水平主应力与地下洞室初期布置方向夹角近90,°不利于洞室围岩的稳定性。为此,从综合考虑地应力和地质构造条件的角度,提出了调整地下厂房布置方向的优化建议。     

双江口电站高地应力区地下厂房系统第Ⅰ层开挖岩爆发育规律和岩爆预测初步研究

双江口电站左岸实测最大主应力37.82 MPa、NNW向,是在建和已建国内水电站地下厂房系统最高实测地应力,属高～极高地应力区。开挖揭示,左岸洞室群岩爆现象极其普遍和突出,主要表现为第Ⅰ层开挖岩爆现象凸显、全断面且连续发育、发育面积大、V型爆坑明显、浅表部0.2～0.5 m薄层状环断面片帮剥离,开挖初期岩爆现象突出、有一定滞后效应、持续时间长,具有典型的时间和空间效应。统计规律表明,岩爆破坏类型以应力型岩爆为主,局部发育构造型岩爆;第Ⅰ层岩爆等级轻微～中等;岩爆支护时机宜2～3 d等。根据第Ⅰ层岩爆发育规律,开展了岩爆破坏类型、岩爆等级、岩爆时空特征、岩爆破坏现象等的岩爆预测初步研究,以期通过下卧开挖对比,总结岩爆预测经验,对其他工程岩爆预测有一定的借鉴。