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。     

地下大型洞室群稳定性的系统性研究

以某大型水电站洞室群工程的地下结构模式为背景，用数值模拟方法计算了上百个算例，研究了4大岩类、4种埋深在不同侧向地应力条件下洞壁位移量的变化规律，并拟合出用多项式表达的公式，它可以预测围岩在不同条件下的位移量。在此基础上，提出了以相对位移量为围岩稳定性判据的具体数值，它可做为是否需施加长锚索加固围岩的参考依据。同时提出，在许多情况下，需在围岩近区考虑存在一个松弛开裂区，使数值分析更为接近实际。最后通过一个工程实例，模拟计算了存在松弛区时的围岩位移量。计算结果与实测结果相符良好。     

大型地下洞室群稳定性地质力学模型试验研究

某地下厂房洞室群规模巨大,地质条件复杂,为了研究地下洞室群开挖施工过程中的应力及稳定情况,采用平面地质力学模型试验,模拟厂区实际地质条件和洞体结构,施加初始地应力荷载,分别对毛洞情况和支护情况按推荐开挖顺序进行试验研究。试验结果表明,毛洞情况开挖过程中洞周位移未发生突变,开挖完毕后,洞周围岩位移均指向洞内,位移量值不大,洞周围岩未出现切向拉应力,围岩具有一定的超载安全储备。锚固支护后,洞周位移减小,洞周围岩应力分布趋于均匀,应力状态得到改善,超载安全系数得到提高,锚固支护效果明显,除了洞室交叉口和洞室拱座处局部发生应力集中外,整个洞室群开挖后围岩应力分布规律正常,应力状态良好,说明施工开挖方式和锚固支护参数是合理的。模型试验和三维非线性有限元计算结果相比较,位移变化规律、破坏形态规律基本一致,从而达到了相互验证的目的。     

高应力下硬岩地下工程的稳定性 智能分析与动态优化

针对高应力下地下工程变形破坏的特点,提出高应力下地下工程稳定性的综合集成智能分析与动态设计优化的新思路,即以工程区域地应力、地质构造特征、高应力下的应力路径改变的岩石(体)变形破坏机制以及与之相对应的模型识别、基于新评价指标(局部能量释放率、破坏接近度)的确定性与不确定性方法结合的围岩稳定性分析、考虑多方面的开挖与全局支护优化、基于现场最新监测和开挖揭示的工程地质信息的动态反馈分析等为主线,给出高应力地区三维地应力场特征识别的新方法、高应力下硬岩本构模型识别的新方法、地下工程安全性评价新方法以及动态反馈智能分析与优化设计方法.该新思路和新方法成功地进行了拉西瓦水电站和锦屏II级水电站地下厂房稳定性的动态反馈分析和设计优化.     

基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法

分析不同岩石强度应力比条件下典型水电站地下厂房洞室群围岩的破坏模式和变形特征,阐明岩石强度应力比与洞室围岩的承载能力、破坏模式、变形特征之间的关系,并根据洞室群效应及其对洞室群围岩稳定的影响、谷坡地应力场特征、地应力分级标准、大量已建水电站洞室群布置设计统计资料、数值分析成果、既有相关研究成果、工程经验,创建基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法,提出具体的量化指标和相关计算公式。该方法主要根据岩石强度应力比,结合场址地应力场特征、围岩结构面发育特征等进行地下洞室群的布置设计,较为全面地考虑了影响地下洞室群围岩稳定的主要因素,适用于各种地应力水平和复杂地质条件的地下洞室群布置设计。     

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。     

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。     

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。     

地下洞室群施工方案优化及围岩稳定性分析

首先介绍了动态施工力学的基本概念和原理,在此基础上简单介绍了运用动态规划优化地下洞室群施工方案,随后运用具体实例分析,发现优化施工顺序能够有效提高围岩稳定效果,这对地下洞室群施工具有重要的参考价值。     

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。     

大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法

 水电站地下洞室群埋深大,在动力分析时若将模型建至地表将使网格规模庞大,不利于分析效率的提高。提出适合于大型地下洞室群地震响应分析的动力子模型法。该方法将大范围、粗网格的地下地震波动场计算与小范围、细网格结构动力计算分开,分别建立粗网格和细网格模型进行分析。首先,根据深部基岩的地震波传播特性,采用幅值线性折减的方法对地表加速度时程向基岩深处推算,得到在模型底边界的加速度时程,再输入模型可算得大范围的地震波动场。其次,把结构计算模型边界节点放入波动场计算模型中插值,可获得计算模型边界条件,最后,完成地震荷载的输入。算例表明,推算所得模型底部加速度时程考虑工程具体条件,比规范规定的单一折减系数更能反映实际工程的地下地震动特性。同时,在地下洞室的地震响应分析中,地震波过早被地表反射或不考虑地震波的反射,都会对计算结果造成误差,动力子模型方法能够在保证计算结果精确性的同时,使细网格的计算模型不建至地表自由面,可显著缩减网格规模,提升动力计算效率。     

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。     

高边墙地下洞室洞壁围岩板裂化实例及其力学分析

本文用鲁布格电站地下厂房边墙围岩开裂为例,讨论了板裂介质岩体力学的一个新领域,即高边墙地下洞室在高地应力作用下板裂化引起的围岩破坏和变形问题,它对研究地下洞室稳定性,岩体改造和变形监测反分析等将有新的启示。     

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     

大型洞室群稳定性与优化的综合集成智能方法研究

大型地下洞室群的稳定性分析及优化研究是当前水电开发中亟待解决的重大课题。由于地下洞室群的布局和所处的地质环境的复杂性，导致许多优化问题都是复杂的非线性问题，通常有多个决策变量，且其结构布置和施工顺序的全局最优解通常难以快速获得。以有限元分析为基础，综合应用遗传算法、人工智能、神经网络理论以及并行计算方法，提出综合集成智能优化方法，并用于水布垭地下厂房软岩置换方案优化和软岩力学参数对洞室群稳定性的影响分析，完成了以下工作：（1)根据大型洞室群具有多因素影响和多指标评价的特点，提出了多因素综合指标的洞室结构布置和施工顺序的适应性判别准则。(2)鉴于大型洞室群的开挖优化是多种方案的组合优化问题，提出了改进的进化．神经网络的智能化学习算法，解决了神经网络的隐含层结构和学习参数(如学习率和动量项)的最优确定。(3)将有限元方法嵌入智能化搜索算法，提出了大型洞室群优化的二维或三维进化．有限元方法，从而解决了大规模优化问题。(4)将上述的进化．有限元方法和神经网络、并行计算有机结合，提出了大型洞室群优化的并行进化神经网络有限元方法。该方法使得大规模软岩置换方案优化问题在PC机群上实现了并行求解，提高了计算速度、规模和精度，并具有快速收敛到全局最优解的优势。(5)将提出的进化．有限元方法应用于水布垭地下厂房软岩置换的优化和稳定性分析研究，得到了最优的软岩置换范围。(6)将并行进化神经网络有限元方法应用于水布垭地下厂房周围软岩置换范围和置换顺序的优化研究，获得了最优解。通过对最优解的有限元计算结果分析，表明该方法得到的最优方案是合理的。(7)在工程设计单位给定的范围内，采用并行进化神经网络有限元方法对水布垭地下厂房周围软岩的力学参数对厂房的稳定性影响进行了分析，搜索了对围岩稳定性最不利的一组参数组合，并对软岩的力学参数进行了敏感性分析，确定出关键岩层和重点支护部位。     

大型洞室群高边墙位移预测和围岩稳定性判别方法

以二滩地下厂房群的结构形式为主要背景,考虑4种基本因素,经过大量的数值分析算例,拟合出一个可预测地下厂房高边墙关键点位移的推算式。所考虑的基本因素为岩体变形模量、洞室埋深、主厂房高度和水平初始地应力测压系数。在岩体参数中已隐含着配套的岩体强度参数。首先,采用国际上通用的FLAC3D软件进行准三维大量围岩稳定性分析计算,通过拟合得到预测位移的推算式为二阶代数方程,可迅速推算出边墙关键点的弹塑性和弹性位移值。然后,对国内已建成或在建的8个地下工程运用该推算式对关键点的位移值进行推算,并将结果和这些工程的数值分析值进行对比。结果表明,二者相符较好,从而说明该推算式的有效性。之后,又提出3种用于判定围岩稳定性的方法。建议采用普适性较好的弹塑性位移和弹性位移的比值判别方法。运用该判别方法对上述8个地下工程的围岩稳定性状态进行判断。同时,在大量算例总结基础上,对不同埋深给出相对位移比θ的临界预警值θc,并拟合出临界预警值随埋深变化的线性方程式。在考虑一定的安全系数后,将上述8个地下工程边墙位移比kθ与相应的临界预警值θc进行对比。最后,认为该8个地下工程中有4个稳定性差,建议需考虑施加长锚索加固以保证工程的稳定性。从该4个地下工程的实际设计来看,这些地下工程都已采用长锚索加固高边墙的方案,说明所提出的判别方法是有效的。     

大型洞室群智能动态设计方法及其实践

 针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。     

地震荷载作用下大型地下洞室群的动态响应模拟

利用FLAC3D软件模拟了地震荷载作用下某地下洞室群围岩的动态响应。对2种工况的地震荷载作用进行了动力计算。采用新的劈裂破坏判据对震后可能出现的劈裂损伤区范围进行了预测。详细分析了围岩内应力场、位移场分布以及能量变化的情况,并与震前进行对比。分析结果表明:FLAC3D软件用于地震荷载作用下地下洞室群动态响应的数值模拟是可行的,工程上应慎重考虑地震荷载的影响。     

深部高应力硬岩板裂化破坏特性及应变型岩爆发生机制

板裂化破坏和板裂化岩爆是深部高应力硬岩巷道或硐室常见的破坏形式,尤其是板裂化破坏,其诱发因素和诱发机制复杂,至今尚不明确。鉴于此,针对地下非煤矿山巷道围岩周边或采场硐壁处所产生的一系列板裂化破坏现象,采用理论分析、室内试验、数值模拟以及现场监测相结合的方式,探讨深部高应力硬岩板裂化破坏特性及岩爆诱发机制,为非煤矿山实现安全高效开采提供理论依据与技术指导。研究工作主要集中如下:(1)采用有限元/离散元耦合数值模拟(FEM/DEM)研究单轴压缩下长方体硬岩破坏特性,分析不同试样高宽比硬岩裂纹扩展规律,阐述硬脆性岩石由剪切破坏到板裂化破坏的转化机制,进一步验证硬岩在压缩状态下为张拉型破坏的本质。对于高试样而言,其宏观剪切带是由一系列微小的拉伸裂纹所组成,而矮试样发生板裂化破坏是由于有限的裂纹扩展路径所致。端面摩擦效应对硬岩单轴抗压强度具有较大的影响,而以Mohr-Coulomb应变软化为基础的本构模型在预测岩石发生板裂破坏时所对应的峰值强度时仍存在一些不足。数值模拟获得的硬岩破坏模式与板裂化强度与先前室内试验和现场监测结果具有较好的一致性。(2)通过真三轴卸载试验,以汨罗花岗岩为研究对象,分析不同试样高宽比与中间主应力σ_2作用下长方体硬岩破坏特性。研究结果表明:在真三轴卸载下,长方体硬岩的破坏特性是试样高宽比和σ_2共同作用的结果。对于高试样而言,发生板裂化破坏需要较大的σ_2,而对于较矮试样,较小的σ_2便可以产生板裂化破坏。当σ_2为一定值时,不同的σ_2/σ_3比值对于花岗岩破坏模式,峰值卸载强度以及岩爆程度影响很小(σ_3为最小主应力)。试样的岩爆剧烈程度随试样高宽比的降低呈现单调递增趋势,而随σ_2的增大呈现先增高后降低的趋势。当σ_2较大时,试样内部出现较大程度的损伤,促进了能量的进一步耗散。(3)通过真三轴加载实验,以汨罗花岗岩为例,根据不同最小主应力值σ_3分别设计5组试验。通过设定不同中间主应力值σ_2,研究真三轴加载下硬岩破坏模式与强度特性。率先在真三轴加载条件验证了板裂化破坏的存在,并认为硬岩板裂化破坏的发生条件应当满足3个条件,即:(1)大于或等于某一特定的σ_2/σ_3值;(2)处于较低的σ_3水平;(3)具有较低的试样高宽比。以真三轴强度数据为基础,根据实际工程可预测性、实验值与预测值偏差、强度准则在偏平面应力轨迹、强度准则在子午面和τ_(oct)-σ_(oct)平面上应力轨迹4个方面因素,对7种经典强度准则进行系统的评估与分析,认为Mogi-Coulomb准则,修正Wiebols-Cook准则以及修正Lade准则能够很好地体现硬岩真三轴状态下峰值强度特性。(4)为了分析深部高应力硬岩板裂屈曲岩爆的力学机制与控制对策,对板裂化岩体建立了正交各向异性薄板力学模型,推导出双向受力条件下板裂屈曲岩爆临界荷载值,依据能量法求得了薄板压曲状态下的挠度值。提出采用充填法的控制对策以防治板裂屈曲岩爆的发生,并推导出充填体所需的围压值。研究表明:(1)轴向应力的增加不仅促进了板裂化破坏的形成,还加剧了板裂屈曲岩爆发生的可能性;(2)在一定范围内,板裂体在压曲作用下的水平挠度值随板厚的减小而增大,且当长高比为■时(E_1,E _2分别为纵向和轴向方向弹性模量),有最大挠度值;(3)在对采空区进行充填时,较小的充填体围压值便可以有效抑制板裂屈曲岩爆的发生。(5)采用FEM/DEM耦合数值模拟对含结构面深埋高应力硬岩巷道破坏特性进行了系统地研究,模拟中同时考虑了开挖卸荷效应与岩体的非均质性。研究结果表明:结构面倾角、位置(揭露与非揭露)、摩擦系数以及初始地应力(侧压力系数)对于巷道围岩的破坏具有重要的影响。开挖卸荷导致的板裂化破坏以及结构面诱导的剪切滑移破坏在一定情况下会相互作用、相互影响。一方面,渐进的板裂化破坏过程促进了切向集中应力作用下结构面的扩展;另一方面,结构面在剪切错动过程中会释放剧烈的能量,进而又会诱发板裂化围岩结构的整体失稳破坏,该种情况下极易诱发高强度岩爆。