基于卸荷模拟开挖的地下厂房稳定性分析

根据现场地质条件,对地下厂房工程进行了开挖卸荷模拟,分析了固岩的变形、应力状态和塑性区分布.根据模拟结果,地下厂房开挖后,围岩稳定性良好.受开挖和结构面空间组合作用,上游边墙、下游边墙和顶拱变形量分别在32-60 mm、25-43 mm和10-18 mm之间;变形主要发生在2-4级开挖步;1584-1602高程对围岩的稳定性影响最大;在厂房工程布置的监测仪器所测试结果和数值模拟具有良好的一致性.     

高地应力条件下大型地下洞室群施工期围岩稳定特征研究

地应力水平高、岩体强度低是锦屏一级水电站地下厂房的主要特征,地下厂房施工期的围岩稳定问题十分突出。结合工程地质力学方法和三维有限元手段,对锦屏一级地下厂房施工过程进行了数值模拟,研究了地下厂房施工期围岩的应力变形规律、稳定性特征及围岩稳定主要影响因素。计算结果表明：围岩的应力变形、稳定状态受到断层、洞室布置及开挖支护程序的影响明显。围岩的应力随着开挖的不断进行而增大,最大应力出现的部位也在不断变化。随着开挖的进行,围岩的变形不断在增大,尤其是边墙的变形。在洞室交叉及断层出露部位,围岩的变形较大,塑性区基本贯通,应加强支护。     

高地应力硬岩硐室群爆破开挖围岩稳定性分析

针对双江口水电站大型地下厂房,采用数值仿真探究了高地应力条件下开挖卸荷对围岩变形与破坏的影响。通过微震监测技术,对厂房爆破开挖过程微震事件的时空活动特征进行了监测与分析,并与数值模拟结果进行了对比。结果表明,地下厂房开挖初期,拱顶围岩易出现拉应力集中,拱肩及拱脚处压应力集中显著,需要重点关注拱顶、拱肩及拱脚部位。微震事件的发生与现场施工活动密切相关,随着开挖卸荷强度增大,围岩应力调整趋于剧烈,微震事件发生的频率及强度显著上升。微震事件空间分布特征受不良结构面影响显著,在高应力卸荷作用下,构造面周边微震事件聚集现象明显,易形成局部损伤破坏区。     

系统锚杆对地下厂房围岩变形与稳定性的作用与影响

讨论了系统锚杆的作用机理，结合天龙湖地下厂房围岩的各向异性特征，运用有限元计算方法模拟其施工开挖过程，研究有无系统锚杆支护两种工况地下下厂房主要洞室分期开挖过程中的围岩变位与稳定性，计算结果表明系统锚杆对于改善开挖过程中围岩的变形与稳定性具有明显的效果。     

泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析

应用快速三维拉格朗日差分法对泰安抽水蓄能水电站地下厂房进行了弹塑性数值模拟,准确的模拟了围岩的动态变化过程,对开挖前后围岩的位移场和应力场以及塑性区进行了比较分析.另外,还对该厂房围岩的变形监测资料进行了研究,得出在开挖和支护过程中围岩的变形特征和支护结构的受力特点;并将现场监测结果和位移计算结果进行比较,结果表明:模拟计算结果和监测结果规律基本一致,采用本计算方法模拟开挖大型地下洞室群具有较强的可行性,对今后的地下大型洞室群的稳定性分析具有参考意义.     

乌东德水电站地下厂房层状节理岩体稳定性研究

摘要：随着我国水电资源开发的推进,越来越多水电站修建于高山峡谷之中,受地形地貌的影响,大量水电站厂房布置于层状岩体之中,定量分析层状节理岩体地下厂房变形并评价其稳定性成为亟需解决的重要课题。本文结合现场监测及数值模拟结果,分析不同密度层状岩体对于地下厂房变形的影响。对多点位移计、声波测试、微震监测等多种监测结果进行整理和归纳,从多角度揭示围岩变形规律及内部损伤情况。另外基于厂区工程地质特性、地应力实测资料,利用通用离散元程序UDEC对7#机组典型剖面进行数值分析,得到地下厂房开挖后的应力场、塑性区、位移场分布规律,揭示围岩潜在破坏区域。数值模拟与微震监测结果共同表明：围岩第VI层（高程815.40~809.00 m）开挖时,上游边墙812 m高程位移增加最快,微震事件数量大幅增长。水平向应力卸荷程度大于竖向应力卸荷程度;整体上主厂房上游侧位移大于下游侧,最大变形出现在上游边墙812 m高程附近,此处围岩屈服深度最大,围岩屈服集中区域与变形场分布基本一致,上游层状节理比下游密集是造成上下游变形差异的主要原因。围岩变形与层状节理分布关系密切,开挖活动将引起围岩层状节理活化,岩体损伤,围岩整体强度降低。开挖强度越大,微震事件增加越快,变形越大。乌东德地下厂房变形机制的研究对其后续施工及其安全运营具有重要意义。     

地下厂房工程卸荷开挖模拟研究

岩体开挖本身就是一个应力调整和不断卸荷的过程，随着开挖空间的加大和深度的加深，其卸荷量也相应地增加，使岩体产生较大的变形。采用有限元软件对地下厂房工程进行了开挖卸荷模拟，研究岩体在不同开挖时步下围岩的位移和不同开挖空间岩体的变形规律。结合硗碛水电站地下厂房工程开挖所安装的多点位移计监测到的不同开挖时步和开挖空间所对应的位移资料，通过分析比较，开挖卸荷数值模拟结果和实际监测到的资料具有良好的一致性。通过卸荷开挖模拟和实测数据对比分析可知，采用数值模拟计算得到的不同时步的围岩位移值，来实现对地下厂房工程围岩的稳定性进行评价和控制是可行的。     

基于离散元模拟和微震监测的地下厂房围岩稳定性研究

针对猴子岩水电站地下厂房洞室群在开挖过程中围岩的稳定性问题,运用基于离散元基本理论的2维颗粒流PFC^2D（particalflowcodein2Dimensions）软件,模拟了地下厂房洞室群开挖过程中控制性结构面对围岩变形和破坏的影响,再现了围岩损伤演化规律;同时引入微震监测技术对地下厂房围岩微震活动进行实时监测和分析,并将数值模拟与微震监测结果进行对比研究。结果表明,围岩开挖卸荷损伤与断层密切相关,颗粒流模拟得到的大型地下洞室群开挖过程中围岩损伤与微震监测结果基本一致。采用数值模拟和微震监测相结合的综合研究方法,可以有效评价地下厂房开挖过程围岩的损伤和预测潜在的失稳区域。     

泰安抽水蓄能水电站地下厂房围岩稳定性数值模拟及监测分析

应用快速三维拉格朗日差分法对泰安抽水蓄能水电站地下厂房进行了弹塑性数值模拟,准确的模拟了围岩的动态变化过程,对开挖前后围岩的位移场和应力场以及塑性区进行了比较分析。另外,还对该厂房围岩的变形监测资料进行了研究,得出在开挖和支护过程中围岩的变形特征和支护结构的受力特点;并将现场监测结果和位移计算结果进行比较,结果表明：模拟计算结果和监测结果规律基本一致,采用本计算方法模拟开挖大型地下洞室群具有较强的可行性,对今后的地下大型洞室群的稳定性分析具有参考意义。     

大型地下洞室围岩稳定性数值模拟分析

结合泰安抽水蓄能电站的工程建设实际,在现场地质调查和场区地勘资料分析的基础上,深入分析了工程区的地质力学环境条件,建立了能够反映研究区地貌、岩体结构和地应力环境条件的力学模型.以地应力实测结果为参照依据,采用线性有限元法反演分析了初始地应力场,采用非线性有限元方法模拟了地下厂房等主要洞室开挖施工与支护过程中的围岩应力和稳定性状况,全面论证了大型地下洞室开挖方案的可行性,揭示了大型地下洞室不同开挖阶段应力的集中部位和围岩的潜在破坏部位.     

随机介质理论在地下厂房沉降研究中的应用

基于随机介质理论模型,对地下工程开挖引起岩层和地表移动规律进行了分析.认为地下工程开挖引起岩层颗粒运动符合随机介质运动规律,提出了地下工程开挖地表沉陷三维计算模型,并以冶勒水电站地下厂房开挖所引起地表沉陷特征进行了具体分析,并将计算结果与实际观测数据进行对比分析,表明水平移动位移、变形均较小.又因地下厂房开挖较深,水平移动规律不如上层塌陷明显,且地表最大观测沉降值约为200mm,而最大计算值约为370mm;在地下厂房顶部,最大观测沉降值约为400mm,最大计算值约为440mm.最大水平移动计算值为100mm.数值计算的结论较为精确、可靠,显示出分层影响传递规律,并最终影响到地表.     

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

随着计算机的发展,数值模拟等技术在岩土领域的应用也越来越广泛。在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下,洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对于围岩的劈裂破坏区域的预测格外重要。但是目前在现有的计算模型中,尚没有能够很好描述劈裂破坏特性的有限差分本构模型。本文从能量耗散原理出发,结合了横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,利用FLACE3D的二次开发功能,在C++的编译环境下对模型进行如下改进,在原有模型中导入能量耗散理论和加卸载判据,得到新的自定义横观各向同性计算模型。该模型可以判断岩体所处的加卸载状态,并根据岩石状态使用不同的力学参数进行计算,并且还能够描述高地应力地区围岩产生竖向劈裂裂纹后,不同方向上围岩的不同力学性质。在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行了计算。另一方面,在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展了洞周围岩劈裂破坏区的监测,采用钻孔电视、滑动测微计以及形变电阻率三种观测方法,测得了主厂房在进行各个开挖步开挖时,主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移以及劈裂破坏的情况。之后,将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析的计算结果进行对比。并得到以下结论：根据监测结果,大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,主厂房下游边墙围岩的劈裂区平均深度约为13~15m,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得主厂房下游边墙劈裂区平均深度约为13.6m,二者十分接近;主厂房洞室在进行开挖施工后,随着与临空面的距离增加,围岩内部关键点的位移逐渐减小,在靠近主变室边墙附近,由于又形成了新的劈裂破坏区,因此围岩关键点位移又逐渐增加,考虑能量耗散的横观各向同性模型可以较好的反应围岩位移变化趋势,与监测曲线吻合度较高,而使用摩尔库伦模型以及横观各向同性模型计算得到的曲线则与监测曲线有较大区别;根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46mm。主厂房拱顶在开挖的初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58mm。主变室拱顶竖直位移为10.06mm。结果表明,对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反应不同开挖步时,围岩内部关键点位移的变化趋势。因此在高地应力地区地下洞室开挖时,可以使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行计算与预测,以及在洞室开挖完成后对洞室围岩的稳定性进行分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。     

喷锚支护措施对地下厂房洞室群整体稳定性影响

喷锚支护措施由于其诸多的优点,在地下工程中得到了广泛的应用。以隐式杆单元模拟锚杆,以壳单元模拟混凝土喷层,采用3维非线性有限元技术,分析冗各水电站地下厂房工程中喷锚支护措施的作用。通过计算得到了喷锚支护措施对围岩应力变形及塑性区的影响;利用强度折减法对地下厂房洞室群的整体稳定性进行计算分析,得到无支护措施情况和喷锚支护时洞室整体稳定性,从而评价支护措施对洞室群整体稳定性的影响。通过3维弹塑性有限元计算分析得到:喷锚支护措施可以有效地限制围岩的变形和塑性区的发展,可以在一定程度上改善围岩应力状态,避免应力集中,使洞室群整体稳定安全系数由1.8提高为2.5,有效提高了地下洞室的整体稳定性。     

复杂地下洞室围岩开挖扰动空间效应参数化研究

复杂地下洞室围岩开挖扰动区的形成和发展具有明显的空间效应。岩体开挖扰动损伤总体上表现为岩体变形模量的劣化。考虑到基于厚壁圆筒弹性力学分析的弹性模量压力和半径相关模型的应用局限性,提出开挖扰动区岩体变形模量的半径-位移相关模型,并对模型的多洞室适用性和参数敏感性进行了分析。该模型实质上是一个参数场模型,通过变形模量劣化参数场分布量化揭示开挖扰动的空间效应。以瀑布沟水电站大型地下厂房洞室群工程为例,基于位移监测信息,应用半径-位移相关模型对主厂房围岩开挖扰动的空间效应及围岩稳定性进行了参数化分析。围岩变形模量劣化参数场沿厂房轴线具有明显的空间不均匀性,沿深度方向呈现指数函数分布特征。结果表明:该模型为开挖扰动区岩体变形模量参数的确定提供了合理的数值计算方法;通过岩体变形模量半径-位移相关模型参数化分析开挖扰动的空间效应,对于地下洞室施工期快速监测反馈和围岩安全稳定性评判以及支护优化设计具有显著的工程适用性。     

深部巷道围岩变形试验与数值模拟研究

为了研究深部软岩巷道的变形破坏特性,以淮南矿区某煤矿13-1煤回采巷道为例,在现场调查回采巷道工程概况的基础上,开展了室内深部回采巷道围岩变形特性相似模拟试验,并基于块体离散元法,建立了深部回采巷道围岩的数值模型,模拟了开挖过程中围岩的变形特性。相似模拟试验和数值模拟试验结果表明,深部巷道围岩的典型特征为:巷道底臌量两帮移近量顶板下沉量,巷道不同围岩受开挖扰动的位移影响范围不同,底板为3.5 m,顶板为2.45 m,两帮为5.5 m。     

岩溶区地下厂房洞室群围岩渗流效应分析

岩溶渗流效应包括渗流场的力学效应和岩体软化效应。针对富水岩溶区地下工程的特殊赋存环境,提出了岩溶地下厂房3维渗流场力学效应耦合计算方法和基于强度折减原理的渗流软化效应分析方法。计算分析了不同工况、围岩不同软化程度下洞周变形破坏规律。提出地下洞群整体软化安全系数的确定方法,定量评价不同工况下地下厂房洞群围岩整体相对稳定状态,分析岩溶渗流软化效应对围岩稳定的影响。工程实例表明:考虑渗流场力学效应时,开挖完毕围岩变形都明显增大,变化规律与监测相符;对比无渗流场、考虑施工期渗流场和考虑运行期渗流场各工况的整体软化安全系数变化规律发现,渗流场软化效应显著;运行期正常蓄水后,地下水位的提高引致厂区渗流场调整,对围岩整体稳定存在明显影响。整体软化安全系数能够有效地反映渗流软化效应对岩溶地下厂房围岩稳定的影响,为岩溶区地下厂房工程优化设计、施工监测及安全运行评价提供有益参考。     

高地震烈度区水电站地下厂房结构震损机理分析

中国水电站多位于西南高地震区.针对地下厂房结构的震损机理问题,以距汶川8.0级地震震中最近的映秀湾水电站和渔子溪水电站为分析对象,对水电站建筑物进行了震后实地调查,建立了映秀湾水电站洞周围岩和厂房结构的整体有限元模型,采用波动场应力法,对地下厂房结构在震时的结构稳定性进行了计算分析.根据实地调查结论和数值计算成果,对地下厂房结构的震损机理进行分析.实地震损调查表明,地下结构的震损形式多为表层脱落和闭合裂缝,破坏程度要明显轻于地面建筑.数值计算所反映的震损规律与实际调查中得到的结论基本吻合,则可从数值分析的角度进一步研究震损机理,认为产生震损的外因是沿一定角度入射的地震波,内因是地下厂房结构空间分布的不均匀性,而地下厂房结构赋存于洞周岩体则是地下结构震损与地面建筑具有本质区别的原因.     

地下厂房围岩参数场位移反分析

提出地下厂房围岩参数场的概念,利用增量位移和遗传算法优化反演其值.针对地下厂房围岩特性,认为其力学参数不是均一的,而是一个由不同量值的参数组成的参数场.结合某水电站地下洞室工程中地下厂房的开挖,建立了模拟动态施工的有限元模型,对洞室附近的围岩弹性模量进行了反演计算.结果表明:所得增量位移与实测值符合较好,岩体力学参数分布符合实际规律.