地下盐岩储库群临界间距与破损分析

 为研究地下储库整体稳定性和损伤破坏规律,提出基于变形稳定理论的地下储库群稳定性判别方法。将强度折减系数K和塑性余能范数ΔE的关系曲线作为储库整体稳定性和破坏的关键判据,用不平衡力展示失稳破坏的部位和模式。建立以屈服函数作为损伤控制变量的分析方法,并用于研究储库不平衡力与位移的关系。研究双储库的临界间距、破坏模式和埋深对储库稳定性的影响,分析单储库洞周围岩损伤对不平衡力的作用。研究结果表明,用不平衡力和塑性余能范数来定量评价地下储库群的稳定性是合适的,基于屈服函数的破损分析可为岩石进入塑性阶段后的力学行为研究提供新的思路。     

盐岩密集储库群布置方式优化及连锁破坏研究

 将基于不平衡力和最小塑性余能范数的地下洞群稳定性判别方法引入FLAC3D,推导其在FLAC3D中的等价形式,并证明可以用最大不平衡力和塑性区范围判断库群的稳定性,用FLAC3D中的不平衡力分布和调整过程表征库群的破坏位置和扩展路径。从合理的储库间距和密集库群的平面布置形式这2个方面对密集储库群的布置方式进行优化,指出1.5倍洞距为经济安全洞距,正三角形布置为库群最优化的平面布置形式。对库群中的2种破坏源进行对比计算,结果表明非边缘腔为破坏源时,对库群整体稳定性的影响较边缘腔为破坏源时更大。采用正三角形布置方式,先对单个非边缘腔突发失压的工况进行稳定性分析,考虑盐岩长期强度的折减,再对同一模型进行稳定性分析,并将结果应用于库群连锁破坏分析中,作为确定先期失稳部位的依据。对库群进行连锁破坏数值计算分析,结果表明单腔突发失压不易引起库群连锁破坏。     

基于变形加固理论的盐岩库群时空演化分析

 针对能源储备盐岩库群长期稳定性评价,将弹–黏弹–黏塑性损伤模型引入到变形加固理论,考虑时效变形和损伤演化,发展考虑时空演化的变形加固理论,建立基于T-?E关系曲线的库群长期稳定性评价和破坏时空演化的关键判据,其中,T为时间,?E为塑性余能。塑性余能是超屈服力的标量范数,其大小表征库群长期稳定的总体演化趋势;超屈服力是非平衡时空演化的内在有效驱动力,明确展现库群时效变形,损伤演化及破坏的部位和模式。研究双储库以及金坛盐矿油气储库群的长期稳定性和破坏时空演化规律。研究表明,考虑时空演化的变形加固理论为储库群长期稳定性评价和破坏时空演化分析提供一套实用而有效的理论和方法。     

基于强度折减法的盐岩地下储库腔群安全稳定性研究

将强度折减理论引入到盐岩地下储气库库群的安全稳定性研究中,提出库群失效破坏的临界标准。静力分析以塑性区贯通作为失效破坏临界判据,长期流变分析中失效破坏的临界判据包括塑性区贯通以及腔体体积收缩达到极限值。腔群整体安全系数计算通过搜索折减系数F,将岩体力学强度参数按F进行折减,使模型计算结果正好达到库群失效破坏的临界标准来实现。以金坛盐岩地下储气库为例,利用FLAC3D软件建立库群数值模型,根据强度折减理论对其进行静力分析和长期流变分析,获得不同条件下的库群整体安全系数。计算表明：静力分析中,随着折减系数的不断增大,腔周塑性区不断发展,腔群的整体安全系数为2.25;长期流变分析中,随着折减系数的增大,储库腔群的主要破坏因素由体积收缩逐渐转变为塑性区的发展贯通,在与静力分析相同的数值模型及内压条件下,库群运行50 a的整体安全系数为1.83。同时,探讨安全系数同矿柱间距、压强工况以及库群破坏模式之间的关系,为类似盐岩储气库库群安全运营和稳定性评价提供科学依据。     

基于非线性动力分析的隧洞稳定性评价

随着地下洞室工程建设的增多,在复杂地质条件及动力条件下的地下洞室的稳定性受到越来越多的重视,其抗震稳定性及加固设计成为保证工程安全运行的重要课题。基于变形加固理论和过应力概念,提出采用塑性余能范数及不平衡力时程评价结构整体稳定性及局部失稳的分析理论。基于三维非线性有限元动力分析,提出适用于地下工程结构抗震稳定性评价的分析方法,并在三维非线性有限元程序TFINE中实现。地下工程结构稳定性的最危险状态通过塑性余能范数时程曲线来确定。通过不平衡力大小及分布的时程变化来确定容易破坏的部位,同时也可以为支护设计提供指导。对隧洞模型的应力位移反应做了分析,并将屈服区与不平衡力分布进行对比,并分析有、无衬砌对结构稳定性的影响。计算结果表明,不平衡力可以直观地表示结构的局部失稳情况,比采用位移、应力和围岩屈服区评价隧洞围岩稳定性更为准确、有效,塑性余能范数可以定量评价隧洞围岩的整体稳定性及围岩衬砌效果。     

岩盐地下油气储库群稳定分析及连锁破坏的地质力学模型试验

层状盐岩中油气储库群的整体稳定及其连锁破坏机制的研究对油气储库的安全运行有着及其重要的意义。采用小块体和低强度黏接剂建立地下储库的地质力学模型,以小块体来模拟岩体的变形特性,块体之间的低强度黏接剂模拟岩体的强度特性。泥岩夹层采用脱水石膏薄片模拟。模拟四洞室储库群在不同压强下的注采循环过程。通过埋设在模型内部的位移计和应变片自动跟踪监测洞室群及基础的位移和应变随注采压强的变化规律,研究采气方式、内压大小和泥岩夹层对储库群整体稳定性的影响。结果表明,单溶腔采注气对洞室群稳定性和连锁破坏有显著影响,泥岩夹层对洞群稳定影响很小。     

遗传算法在洞群二次衬砌厚度优化中的应用

 因地形地貌及工程间的相互影响,高密度地下洞室群的出现概率逐渐增大,洞群各洞室与洞群整体稳定性的关系、洞群的主导破坏模式、合理规划设计各洞室支护措施强度以实现等强度设计理念等课题研究的需求越加迫切。基于有限元强度折减理论,依托重庆某一大型高密度地下洞室群,对比现行安全系数主要判定准则在洞群应用中的可行性及合理性;基于最小二乘法,利用二次多项式对各洞室安全系数与二衬厚度的隐含关系进行显示拟合,并通过遗传算法对二衬厚度进行优化。洞室间夹层围岩等次要部位的局部破坏对洞室乃至洞群的整体稳定性影响较小。并行洞室的主导破坏模式与两者间距、埋深等因数有关,主要分为3种破坏模式：埋深较浅且洞间间距较大,洞室拱顶塑性围岩破坏区向背离洞群中心的斜上方发展并贯通至地表,洞群破坏;当埋深较深且洞间间距较小,各洞室拱顶塑性围岩破坏区向靠近洞群中心的斜上方交汇贯通,洞群破坏;当洞间间距及埋深均处于两种破坏模式之间时,上述两种破坏模式共同导致洞群破坏。洞群主导破坏模式多样,洞室关键点位移随强度折减系数的变化曲线不一定有明显的突变点,此时宜结合塑性区分布及其发展历程共同确定洞室安全系数。基于最小二乘法的二次多项式对隐含关系显示表达,利用遗传算法对洞群各二衬厚度进行优化,既可达到一定的拟合精度也能得到较理想的优化结果。     

高拱坝与坝肩开挖边坡的相互作用研究

我国西南地区特殊的地质构造,以及水利枢纽的高拱坝、高边坡特点,使得边坡和坝体的相互作用问题在该地区尤为突出.在弹塑性理论的基础上,提出以塑性余能范数为指标的结构稳定分析方法;指出在一定荷载作用下,弹塑性结构在失稳情况下,总是趋向于塑性余能范数最小的状态.如果塑性余能范数等于0,则表明存在同时满足平衡条件和屈服条件的协调应力场,结构稳定;如果塑性余能范数大于0,则表明不存在同时满足平衡条件和屈服条件的应力场,结构失稳.同时,基于大荷载步长下的弹塑性本构积分算法,进行岩体结构的非线性有限元分析.以锦屏一级拱坝左岸坝肩开挖边坡为对象,计算分析边坡与拱坝的相互作用.结果表明,在一定程度上拱坝拱端推力对边坡的整体稳定是有利的;边坡降强在超过1.5倍以后才会对拱坝的受力性态和整体稳定产生影响.     

白鹤滩拱坝基础垫座方案优化研究

白鹤滩高拱坝地基地质条件复杂,需要设计大范围的垫座以改善受力条件。目前关于拱坝地基和坝肩处理措施的研究大多依赖工程经验,尚没有完整、可靠的垫座评价准则。提出拱坝垫座设计的综合优化方法,通过分析垫座对坝体的影响及垫座自身的稳定性,找到最优的设计方案。该方法综合坝体位移、应力、屈服区、抗滑安全度等因素,采用不平衡力分析坝踵开裂,采用塑性余能范数(PCE)评价垫座整体稳定。不平衡力是结构局部失稳后的度量,能够有效地预测裂纹扩展部位和方向。余能范数是不平衡力的标量范数,可用于判断结构的整体稳定性。对比4种垫座设计方案,通过对坝体位移、坝踵开裂、垫座整体稳定和抗滑安全度的分析,确定将垫座视为坝体、垫座上游侧设缝为白鹤滩拱坝垫座的最优设计方案。     

白鹤滩拱坝扩大基础加固效果研究

扩大基础被认为是适应白鹤滩高拱坝左岸不利地质条件的重要结构形式,目前对其量化的加固效果评价方法的研究尚不明确。建立白鹤滩拱坝基础系统的三维有限元模型,在对基础构造进行精细模拟的基础上,针对扩大基础进行弹塑性有限元分析,并提出基于变形加固理论的加固效果评价方法。结果表明,正常工况下,扩大基础能提高拱坝整体刚度,提升坝体变形的对称性,并改善坝建基面附近岩体的应力状态。不平衡力和塑性余能范数作为评价指标对比表明,扩大基础能明显减少坝体、坝踵和坝趾范围的不平衡力,减小坝体屈服区,工程各部分余能范数均有所降低,扩大基础对拱坝局部坝踵、坝趾区域及拱坝整体稳定性的加固作用明显。验证了加固措施的必要性,有助于对深化扩大基础加固机制的理解,对高拱坝设计及实际工程具有重要借鉴意义。     

岩石应变软化模型在深埋隧洞数值分析中的应用

 随着地下洞室的大量兴建,且埋深越来越深,深埋地下洞室的开挖稳定性问题显得非常重要。针对深埋隧洞围岩特殊的力学特性表现,采用应变软化模型进行数值分析更为合适。首先,对深埋隧洞围岩力学特性和岩石应变软化模型进行简单分析,并且通过数值加载试验分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算得到岩石应力–应变关系之间的区别。然后,对简单圆形深埋隧洞进行数值分析,对比分析了Mohr-Coulomb弹塑性模型和应变软化模型计算结果之间的差别,分析主要针对围岩的变形、塑性区和安全系数。最后,采用应变软化模型对两家人水电站深埋地下洞室群进行计算分析,对该地下洞室群的开挖稳定性进行评价。计算结果表明,调压室主室两侧边墙和各洞室连接处的变形较大,较其他地方更危险,需要加强对调压室主室边墙和各洞室连接处的支护强度。     

大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场分析

为分析水封式大连地下石油储备库洞室群围岩稳定性及渗流场特征,首先基于现场地应力实测结果的回归分析,利用Fish语言编写函数,反演初始地应力场。其次,采用三维离散元程序3DEC生成三维节理网络模型,反演库区初始渗流场的各向异性特征。最后,利用应力与渗流耦合模块实施开挖仿真计算,获取围岩应力场、位移场变化特征。考虑平行、垂直层理面不同材料特性,基于带有抗拉的Mohr-Coulomb强度储备型点安全系数,定量评价洞室群的稳定性。借鉴国外水封效果评价标准,分别从地下水位线和垂直水力坡降2个方面,分析渗流场变化特征。研究表明:在洞室周边平行层理面点安全系数为1.02～1.25,垂直层理面点安全系数为1.95～2.00。在补水隧道及注水孔组成的人工水幕系统作用下,建设期内地下水位下降3～5 m,地下水位距洞室顶55 m。开挖洞室附近平均垂直水力坡降大于1.0,满足设计规范及密封性要求。     

岩体等效强度参数确定的理论和方法

 从能量等效的角度研究岩体的等效强度参数,采用变形加固理论中的塑性余能为等效指标确定复合介质的强度参数,详细推导用于等效复合介质强度参数的等效计算表达式。该表达式表明了复合介质变形和强度参数之间的相关性,通过数值算例研究材料变形参数对强度参数的影响程度以及材料不同配比下复合介质强度参数的变化规律,表明塑性余能等效方法在确定岩体强度参数上的可行性。     

深埋超大跨度地下洞室围岩稳定性研究

在深埋超大跨度地下洞室的开挖过程中,若支护方式和开挖方法不合理,易导致坍塌、大变形等失稳破坏现象,保证洞室的稳定性是施工过程中的核心任务,而现阶段国内外尚无明确标准对于地下洞室的稳定性定量分析,本文采用强度折减法对于深埋超大跨度洞室围岩稳定进行理论研究,得到了不同围岩等级下的安全系数,并对地下洞室破坏形态进行研究,为支护设计提供参考。     

基于突变理论的水封储油洞室稳定性分析

据洞室围岩破坏的非线性特点,考虑到储油洞室失稳破坏问题是一种突变问题,运用Hoek-Brown强度折减法及突变理论,得到了洞室围岩强度折减系数与突变特征值的关系,然后根据突变特征值给出了水封储油洞室围岩的稳定性安全系数,最终建立了基于Hoek-Brown强度折减法的水封储油洞室稳定性分析的突变模型,克服了Mohr-Coulomb强度折减法不能描述岩体非线性破坏特征,以及单纯使用强度折减法计算中不能精确量化失稳判别准则的缺点,提高了洞室安全系数模拟计算精度。将本文所建立模型的结果与已有模型的计算结果进行了对比,并利用上述模型分析了洞室埋深、孔隙水压力、洞室间距和蠕变时间等因素对水封储油洞室稳定性的影响。计算结果表明:基于Hoek-Brown强度折减法建立的突变模型具有很好的实用性,可以满足实际工程计算精度要求;水封储油洞室的安全系数随着洞室埋深、孔隙压力、蠕变时间增加而降低,随着内洞室间距的增加而增加。