不同侧压对于节理岩体特性和洞室稳定性的影响

利用DDARF(discontinuous deformation analysis for rock failure)方法对含有45°平行节理的试块进行了双轴压缩数值模拟试验,分析了侧压不同对于原生裂隙起裂和试块破坏的影响,得出了侧压会抑制原生裂隙的开裂和试块的破坏的结论;为了与完整岩体做比较,建立了相同尺寸和参数的完整岩体的试块模型,做了同样的双轴压缩试验,得到了45°节理岩体和完整岩体的包络线和包络线方程,两者的包络线可分别得到对应的c、φ值,可分别建立45°节理围岩和完整围岩的地下洞室模型,用Flac-3d程序模拟了两种洞室的开挖过程,并得到了两种洞室开挖完后的塑性区面积和关键点位移,通过比较可以得出节理对围岩的稳定性影响颇大的结论。     

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。     

裂隙岩体宏观力学参数研究

 裂隙岩体的变形模量及强度特性是工程界关注的焦点,其关键是岩体变形模量及强度的尺寸效应和表征单元尺寸(REV)。根据锦屏二级水电站大理岩裂隙统计分布规律及岩块和结构面力学特性试验成果,确定岩块和结构面的本构模型,建立考虑无厚度裂隙面力学响应的分析模型。研究不同尺寸、不同统计窗裂隙岩体的力学响应特征,并重点研究裂隙岩体变形模量和单轴抗压强度的尺寸效应、REV特征以及各向异性特征。该研究方法为裂隙岩体的宏观力学参数取值提供参考,研究成果也为锦屏二级水电站工程岩体参数取值提供了依据。     

地下工程岩体参数场反演分析应用研究

 在施工过程中,由于开挖方式、爆破以及支护施作滞后等因素的影响,洞周岩体会有不同程度的“劣化”。一般而言,受开挖施工影响,离洞室表面越近的岩体劣化程度越严重;支护施作滞后时间越长岩体劣化程度越严重。因此,提出参数场的概念,将洞周围岩物理力学参数看作受初始地质状态、施工影响而随空间变化的非稳定参数场。采用三维弹塑性损伤有限元及位移反演分析方法,经敏感度分析确定恰当的待反演岩体参数,使用局部断面模型快速反演计算方法获得各监测断面区域岩体参数场,再通过插值方法得到三维整体模型参数场,适当修正后即可用于洞室后期开挖围岩变形及稳定预测。结合瀑布沟水电站地下厂房工程,建立有限元模型,代入监测数据,反演获得洞周围岩参数场,并将计算结果用于预报后续洞室开挖的围岩变形趋势,结果显示岩体计算预测反演参数与实际监测值符合较好。     

裂隙岩体几何与力学尺寸效应的关联性研究

利用块体化程度指标,从岩体空间结构角度,揭示岩体几何与力学尺寸效应的关联性。基于GeneralBlock软件构建35种不同结构面延展性和间距组合的岩体多尺度三维裂隙网络模型,利用所提出的块体化程度修正理论,计算不同尺度岩体的块体化程度,确定裂隙岩体的几何特征尺寸(即几何REV);通过GeneralBlock–3DEC模型关联参数的对接,构建多尺度岩体离散裂隙网络模型,分析岩体抗压强度、弹性模量等特征力学参数随岩体尺寸的变化规律,计算裂隙岩体的力学特征尺寸(即力学REV);比较几何REV与力学REV的计算结果,探讨岩体几何尺寸效应与力学尺寸效应的关联性。研究表明:岩体几何REV尺寸小于岩体力学REV尺寸,且岩体力学尺寸效应主要由岩体几何尺寸效应引起;随着岩体尺度的增加,反映岩体结构特性的几何特征参数先趋于稳定(即先期达到几何REV),达到力学REV后岩体的力学特征参数趋于稳定。     

基于松动圈-位移增量监测信息的高地应力下洞室群岩体力学参数的智能反分析

考虑到高地应力下洞群围岩力学行为独特性和深部地下工程研究需要,提出大型洞室群岩体参数的智能反演新方法。该方法是采用弹脆塑性本构CWFS模型,以分步开挖引起的松动圈和位移增量监测信息为输入,首先通过参数敏感性分析确定待反演的参数,再建立位移增量–松动圈深度的联合适应度函数,用进化神经网络–遗传算法求得待反演参数的数值,并进行后续开挖引起的位移演化的灰色关联度分析和松动圈的实测值与计算值对比对反演结果进行检验的反分析方法。用该方法对具有高地应力特征的拉西瓦水电站花岗岩地下洞室群围岩的力学参数进行了反演,通过地下洞室群的第2～6层开挖引起的位移增量和松动圈的测试值,反演求出相关5个岩体力学参数的值。用反演所得的参数值对第7步开挖引起的位移增量和松动圈变化进行计算分析,结果表明该方法的正确性。     

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。     

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。     

巴昆水电站发电洞开挖松动区岩体弹性模量测试与研究

为评价马来西亚巴昆水电站发电洞开挖质量,确定支护方案,进行稳定性分析,利用钻孔声波法对洞室开挖松动区进行测试。提供围岩松动圈厚度和岩体动、静弹性模量值等参数,讨论利用岩体动、静弹性模量对比关系求取静弹性模量值的可行性,分析围岩松动圈分布规律,发现岩体松动区受爆破影响结果比较严重,岩体力学性状明显弱化,主要受岩性控制。     

大型地下洞室围岩体蠕变参数位移反分析研究

工程岩体蠕变参数的反演是大型地下工程围岩体稳定性分析中的一项重要研究内容.以锦屏二级水电站地下厂房为研究背景,根据现场施工得到的动态监测资料,通过建立能反映实际施工开挖顺序的计算力学模型,采用精确罚函数法以及Nelder-Mead优化算法相结合的有限元位移反分析计算程序,对地下厂房围岩体蠕变参数进行反演研究.结果表明:反演位移值与现场实测值非常接近,绝大部分反演结果与实测值误差均在8%以内,反演结果较为理想;并得到了围岩体开挖蠕变后的合理应力变形特征.研究成果为地下洞室群的长期稳定性和可靠性研究提供理论依据.     

块体理论赤平解析法在龙滩水电站地下厂房洞室群稳定分析中的应用

龙滩水电站地下厂房开挖区域岩体不连续面发育，确定厂房开挖面是否可能产生可动块体并判断其稳定性具有重要实际意义。块体理论是适用于分析断层、节理发育破碎刚性岩体稳定性的有效方法，在对场区工程岩体勘察资料的详细研究基础上，运用块体理论赤平解析法分析龙滩水电站地下厂房洞室群的稳定性，对各开挖面构成可能移动块体的不连续面分布情况进行较系统的评价，得出厂房各部分可动块体分布的直观统计结果，为设计有效的加固方案提供了依据。     

基于围岩松动圈的地下工程参数场位移反分析

 受爆破松动影响,地下洞室开挖后围岩强度会有所降低,根据松动损伤程度将其视为一个连续的三维“参数场”。由围岩松动圈的形成机制,分析地下洞室开挖后松动圈的计算方法,提出考虑松动圈的围岩参数场增量位移反分析法。针对岩土工程反分析计算量巨大的实际问题,对反演计算过程进行了基于MPI的主从式并行框架改进,运用计算机集群网络进行并行计算,减少了迭代计算次数和计算耗时,极大地提高了计算效率。通过对溪洛渡水电站右岸地下厂房的参数反演,得到了较好的反演效果,验证了此法的可行性和合理性。依据反演得到的参数场对现有支护设计及洞室围岩稳定状态进行评价,并对后续开挖进行预测,为工程设计施工提出合理建议,为地下工程参数反演提供了一种新方法和新思路。     

岩体表征单元体与岩体力学参数

在岩体多场耦合分析中,许多采用岩体表征单元体(REV)讨论岩体的渗透特性。事实上,岩体REV是岩石力学的一个基本科学问题,它是选取岩体力学模型以及确定岩体力学参数的基础。从REV的基本概念出发,阐述岩体REV的力学意义;根据岩石及岩体的结构和地质特征,定义了岩石力学中常见的6个尺度,并分析了REV与其它尺度的关系;归纳总结并提出了岩体REV的3种确定方法:能量叠加法,地质统计法,数值模拟法;讨论了岩体REV与岩体力学模型及岩体力学参数取值之间的关系;提出了岩体力学参数的"5S"相关性和岩体力学参数场的概念和分析方法。     

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.     

向家坝大型地下厂房长期稳定性研究

对地下洞室的长期观测和量测都表明,许多在成洞之初呈现稳定的岩体,由于变形随着时间推移而不断发展,经过一段时间之后,洞体可能失稳或坍塌破坏,特别是大型地下洞室,地质条件复杂、开挖时间长、扰动大,其长期稳定性更值得关注。向家坝地下厂房为一超大型地下洞室,开挖跨度在国内外已建、在建和拟建的水电站中居第一,其跨度和规模均居世界前列。洞室围岩地质条件复杂,岩性较差,有不稳定块体,地下水较为丰富,岩石透水性较好,且夹杂有多条软弱夹层,对地下厂房长期运行不利。基于此,通过试验得到了地下厂房围岩的长期强度;结合实际工程中常用的变形和流变速率,提出了洞室最佳支护时间、长期稳定流变时间、最大流变变形的判据;对洞室支护措施进行了模拟,对其支护效果进行了评价。经过总结分析,得到了对工程有指导性的结论。     

裂隙岩体三维渗透张量及表征单元体积的确定

 将基于复合单元法的数值试验和现场单孔压水试验相结合,对裂隙岩体的三维渗透张量及表征单元体积(REV)进行研究。首先根据研究域岩体的裂隙统计参数及分布规律,运用蒙特卡罗方法在统计域内生成三维随机裂隙网络,然后利用复合单元法计算不同尺寸岩体试件在不同方向上的等效渗透系数,以此计算岩体的三维渗透张量及REV尺度,最后利用现场单孔压水试验结果来修正裂隙岩体的3个渗透主值。在小湾水电站工程中,运用该方法对坝区岩体的三维渗透特性进行分析,得到修正后的岩体三维渗透张量,分析结果表明,结合单孔压水试验和基于复合单元法的数值试验来确定裂隙岩体的三维渗透张量和REV是合理且有效的。     

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。     

十字岩柱法隧道开挖地质力学模型试验研究

 以重庆市轨道交通三号线为工程背景,开展十字岩柱暗挖法地质力学模型试验研究,优化大断面隧道开挖工序,进行围岩岩土相似材料配比试验、模拟洞室开挖过程中锚固注浆加固作用、洞室开挖过程的围岩位移变形监测分析。试验结果表明：研制的钢结构台架可成功模拟加围压条件下的洞室开挖,可直观地观察到模型开挖时围岩的渐进破坏过程。模型试验采用的监测系统能对开挖过程中洞室围岩的位移进行实时监测,实现了开挖支护与监测记录同步进行。根据相关参数建立数值分析模型,将数值计算结果与试验实测结果进行对比分析可知：二者结果基本一致,规律大致相同,且最终位移值满足试验要求,表明模型试验取得了较为理想的效果。研究工作对实际工程施工及今后类似模型试验研究的发展具有一定指导作用。     

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。