锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

 结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15 m,部分大于15 m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用“先墙后洞”的施工方案是一个值得探讨的问题。     

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。     

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。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

深切河谷区地应力场分布规律研究

 基于对南水北调西线工程7个坝址区水压致裂法地应力测试结果的统计分析,初步得出深切河谷区最大水平主应力量值随深度呈分段线性关系的结论。分析结果还表明在河谷埋深较浅部位(即应力释放区),最大水平主应力值随深度的增加幅度较小,而在较深部位(即应力集中区),最大水平主应力值随深度的增加幅度较大。此外,利用有限差分程序FLAC3D,对阿达坝址区的地应力场进行反演。研究结果表明：(1) 河谷卸荷作用对浅部谷坡的地应力场影响较大,在该区域采用水压致裂法确定地应力场误差可能会比较大;而对河床区域应力场方向的影响较小,采用水压致裂法来确定河床区域的应力场是可行、可靠的;(2) 不仅河谷区地应力场存在3个分区即应力释放区、应力集中区和应力平稳区,岸坡地应力场也存在上述3个分区;(3) 阿达坝址区河谷底应力集中范围在河床下60～140 m范围内;(4) 深切河谷区应力集中区的深度受岩体卸荷强弱程度和地形地貌的差异影响较大。     

锦屏一级水电站地下厂房系统锚索监测分析

锦屏一级水电站是我国在建的世界级的大型水电工程,是雅砻江干流下游河段规划的五个梯级电站的龙头电站。本文对该水电站地下厂房系统主厂房支护措施中的监测锚索进行了描述,选取了厂纵0＋031．70m和厂纵0＋126．80m两个断面的监测数据并对其进行分析,反映出相应部位锚素锚固力的变化规律,进而推导主厂房洞室开挖过程中边坡的变形趋势,为优化设计提供依据。     

锦屏一级水电站地下厂房洞室群稳定性分析与思考

 首先对修建于我国西南地区雅砻江干流上重要的梯级电站—— 锦屏一级水电站地下厂房洞室群的巨大规模、布置的复杂性,以及在极高地应力作用,和受到3条大断层及多组节理切割等复杂地质条件下,由于岩体强度较低及工程地质条件的不利组合,对地下厂房洞室群的稳定性提出的严峻挑战进行介绍。对该地下厂房洞室群施工中出现的远远超过同等规模的其他地下厂房的围岩变形,并表现出明显的时效性,还有衬砌开裂、围岩松动区持续加深、已经施工的锚杆锚索张力超限以及突然释放等各种特殊现象进行描述;然后从高地应力特点、岩体流变特性、变形特性等角度对这些现象产生的原因进行初步分析;最后针对上述情况对渐进性支护施工、分级控制锚索初始锁定张力、松动圈强化固结等若干对策的可行性进行探讨。     

锦屏一级水电站地下厂房下游拱腰喷层裂缝成因分析

雅砻江锦屏一级水电站地下厂房的监测结果显示,下游拱腰处混凝土喷层开始出现鼓出开裂现象,随后裂缝持续扩展,喷层大量剥落;同时,下游拱腰处围岩位移和锚杆应力也显著增加.经过详细的现场地质调查,并结合厂房的受力情况进行数值计算,分析厂房下游拱腰处围岩变形破坏及混凝土喷层开裂剥落的原因.研究结果表明:高地应力和偏压作用在下游拱腰部位形成高强度的应力集中是导致该部位混凝土喷层开裂剥落的主要原因,主变室的开挖和围岩中第四组结构面的普遍发育加剧混凝土喷层的开裂和剥落.     

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。     

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。     

龙滩水电站左岸高边坡区初始地应力场反演回归分析

结合龙滩水电站左岸边坡区工程地质条件以及实测地应力资料,分析了研究区域初始地应力的影响因素。在各影响因素单独作用下,采用FLAC3D计算程序对建立的左岸高边坡三维地质概化模型进行计算;在实测点地应力值与计算得到的应力值之间建立多元回归模型,通过多元回归分析,求出最优回归系数。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,两者在量值上相当且方向上接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得左岸高边坡区初始地应力场较为合理的分布规律,为左岸高边坡开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的三维初始地应力场。     

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。     

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。     

三维初始地应力场反分析的变差函数法

 在大型地下洞室的建设中,高地应力已然成为洞室开挖后影响围岩稳定的关键因素。为保证围岩稳定和评价支护设计的效果,需要对初始地应力场进行反分析。通过对初始地应力场分布规律和计算方法的研究,认识到初始地应力场分布受空间位置和边界条件影响规律与变差函数的区域化变量理论高度契合,由此提出一种基于变差函数概率统计理论的初始地应力场反分析方法。该方法从空间距离和埋深2个基本因子出发,研究区域化变量的合理表达,并运用最小二乘法原理拟合出适合地下工程初始地应力场反分析的球状模型参数。运用球状模型函数对有限的实测点插值,获得工程设计所需的初始地应力场数据,并能反映地形地貌的影响。进一步采用增量变塑性刚度理论模拟地下厂房开挖过程,求得的围岩变形及塑性破坏区分布与监测规律相符。     

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。