DDA方法在复杂地质条件下地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

DDA方法在复杂地质条件地下厂房围岩变形与破坏特征分析中的应用研究

摘要：以清江水布垭水电工程地下厂房为例，应用非连续变形分析方法对复杂地质条件下地下厂房围岩的变形与破坏特征开展了研究，重点分析了厂房区域地应力水平、锚固、岩体结构条件及结构面强度参数等对洞室围岩变形的影响。分析结果表明，当水平初始应力增加时，洞室围岩位移量相应增加，由于洞室边墙分布有多条层间剪切带且围岩具有软硬相间的层状岩体结构特点，使得边墙变形存在错动现象。锚固后洞室边墙围岩的变形明显减小，且围岩应力状态得到显著改善。对于高边墙地下洞室，陡倾角结构面在边墙上的出露对围岩的稳定十分不利，在一定的岩体结构条件下，围岩的破坏可表现为因局部块体的崩落所引起的整个洞室围岩的破坏。在相同岩体结构条件下，降低结构面强度参数，洞室围岩可以从变形稳定状态发展到不稳定状态，围岩的失稳主要表现为因围岩大变形引起的失稳。     

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。     

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。     

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。     

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

 为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。     

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。     

地下洞室围岩顶拱承载力学机制及稳定拱设计方法

 受枢纽布置和地形地质条件的限制,三峡工程地下厂房布置于右岸白岩尖山体中,主厂房洞室上覆岩体最薄处仅1倍厂房跨度,显然不满足现行规范关于上覆岩体厚度不小于2倍开挖宽度的要求。对于这类浅埋式的大跨度高边墙地下厂房,在上覆岩体厚度有限及一定初始应力条件下,洞室顶拱的稳定性是必须解决的首要技术问题。从岩体结构、岩体强度和地应力水平对围岩稳定性控制的角度出发,通过对地下厂房洞室围岩顶拱承载力学机制的研究,提出地下洞室岩体稳定拱的定义及其存在的力学条件,给出地下洞室岩体稳定拱的确定方法,分析采用地下洞室岩体稳定拱确定上覆岩体厚度的可行性,形成一套确定浅埋式地下厂房洞室埋置深度的稳定拱设计方法。研究结果表明,三峡工程地下厂房顶拱围岩具备形成稳定拱的埋深条件和水平应力等条件,形成稳定拱的最小埋深约为2/3倍洞跨,在上覆岩体中形成稳定拱的最小水平侧压系数应大于1.5,而最大水平侧压系数不宜高于3.0。据此进行主厂房顶拱设计,多年的应用成效显示,地下厂房顶拱围岩是稳定安全的,表明三峡工程地下厂房顶拱在既定的围岩强度、岩体结构以及初始地应力水平等条件下,采用稳定拱设计方法确定洞室上覆岩体厚度是合适、可靠的,能够保障洞室围岩稳定,满足工程安全的要求,可为解决大型浅埋洞室的设计提供理论基础和科学依据。     

西龙池地下洞室围岩的现场监测及其稳定性分析

西龙池地下洞室群围岩呈缓倾角互层状结构，层理发育，岩性复杂，洞室开挖过程中，各种地质因素交互作用，洞室问相互影响。对复杂变化地质环境下的主厂房围岩进行了各种因素作用下的综合稳定分析，并依据多种测试手段，对开挖后围岩的稳定性和变形进行实时监测，掌握了洞室层状围岩变形破坏特征。以地下洞室开挖为算例，研究了围岩的力学动态，得出一些有益的认识和结论。围岩位移量计算结果与监测数据较好吻合，为施工开挖步序提供了可靠的依据。     

三峡地下厂房岩体结构及围岩稳定性控制

长江三峡工程右岸地下厂房共安装6台700MW水轮发电机组,主厂房为直墙曲顶拱型断面,高度大,跨度长,浅埋于白云尖山体坚硬的混合花岗岩体内,其岩体结构特征控制围岩稳定状态。通过岩体结构的构造演化,结构面分布及工程地质特性研究,并结合主厂房开挖变形监测、三维数值模拟及结构面组合效应分析,较详细地探讨了岩体结构对主厂房围岩变形及块体稳定性的控制作用。成果可供三峡地下厂房及类似大型地下洞室围岩稳定及支护设计参考。     

向家坝水电站地下厂房缓倾角层状围岩稳定分析

 向家坝水电站地下厂房跨度33.4 m、高85.2 m,为国内最大跨度与高度的地下厂房。缓倾角岩层中大跨度地下洞室群的开挖致使顶拱围岩稳定问题突出,为典型结构面控制型地下岩体工程。采取三维离散单元法与应力位移监测相结合的研究对策,对围岩稳定进行综合分析,实施对穿锚索和系统锚杆的加固对策,并基于监测成果说明厂房顶拱围岩在开挖加固后的稳定性。研究表明,浅至中等埋深结构面控制型围岩稳定问题必须加强工程地质分析,重视岩体的非连续性和各向异性,宜采用非连续介质力学分析方法进行分析,以实施针对性加固措施。     

水电站地下厂房开挖过程弹塑性数值分析

采用三维弹塑性有限元计算,对某水电站地下厂房开挖过程进行了数值模拟,分析了开挖过程中毛洞周边围岩位移和应力的变化规律,分析结果表明厂房由于洞室围岩比较破碎,围岩开挖变形量较大,洞室的稳定性较差,开挖后要及时施工支护结构。     

两河口地下厂房轴线方位选择与围岩稳定分析

两河口水电站地下厂房地质条件复杂,属于高地应力区,加之受进、出水口布置的限制,其洞轴线选择是一个难点。笔者采用三维非线性有限元方法,对两河口地下厂房N3°E和N7°W两个轴线方案展开平行分析。模拟加固措施和实际开挖过程,对两个方案的地下厂房洞室群围岩应力应变特征和稳定性进行分析评价。分析表明:与N7°W轴线方案相比,N3°E轴线方案较好的规避了地应力释放,可以显著限制变形和塑性区发展,建议采用N3°E方案。     

Modeling mechanical layering effects on stability of underground openings in jointed sedimentary rocks

This paper examines the significance of mechanical layering for “blocky” rock mass deformation around underground openings excavated through sedimentary rocks. The analysis is based on an integration of geologically based discrete fracture models (“geoDFN”), which incorporate “mechanical layering”, with the numerical discrete element method—the discontinuous deformation analysis (DDA). We begin with addressing limitations of classical solutions for mine roof stability in layered and jointed rock masses via the analysis of the free standing, unsupported, 2000-year-old underground quarry known as Zedekiah's cave below the old city of Jerusalem, Israel. We show that both the “clamped beam” model and the “Voussoir beam analogue” fail to predict the observed roof stability. Only application of discrete element modeling, which allows for interactions between multiple blocks in the rock mass, can capture correctly the arching mechanism which takes place in the roof and which properly explains the long-term stability of this underground opening.We continue with examining the effect of joint trace geometries on “blocky” rock mass deformation using the hybrid geoDFN-DDA approach. We show that with increasing joint length and decreasing bridge length vertical deformations in the rock mass are enhanced. We explain this by the greater number of distinct blocks in the rock mass due to the greater joint intersection probability in such geometries. We find that rock bridge length is particularly important when considering the stability of the immediate roof. With increasing rock bridge length the number of blocks in immediate roof decreases and consequently individual block width is increased. Increased block width in immediate roof layers enhances stable arching development, thus improving their load carrying capacity and overall stability of the underground structure.     

岩石边坡稳定性与支护的数值分析及综合比较

 断层或节理裂隙等不连续面的切割导致岩体具有二重性——连续性和不连续性。由于目前还没有一种能考虑岩体二重性的实用的分析方法,所以对岩石边坡进行稳定性研究时应采用多种方法进行综合比较。采用有限单元法(属于等效连续介质力学方法)和块体单元法(属于不连续介质力学方法),对瀑布沟加里俄呷料场高边坡进行稳定性分析及支护研究。根据2种方法计算结果的综合比较分析,得到对该边坡的稳定性和支护方案的认识。研究结果还表明：若节理连通率的影响仅用强度参数表达,而在计算网格中不予考虑,则有限单元法和块体单元法得到的结果规律一致,且量值相差不大;由于块体单元法完全通过节理体现岩体的变形,而有限单元法则可考虑岩块的变形,所以有限单元法得到的位移值、屈服区及锚杆应力比块体单元法稍大。     

基于非侵入式随机有限元法的地下洞室可靠度分析

提出了地下洞室变形可靠度分析的非侵入式随机有限元法。介绍了随机多项式展开的基本原理,采用 GEOSLOPE 的 SIGMA/W 模块进行确定性有限元分析。提出了随机多项式展开与 SIGMA/W 模块接口方法及其流程图,从而实现了确定性有限元分析和随机分析一体化。最后研究了非侵入式随机有限元法在地下洞室变形可靠度分析中的应用。结果表明：非侵入式随机有限元法使得随机分析与确定性有限元分析互不耦合,其计算效率是传统的蒙特卡罗模拟方法无可比拟的,它是地下洞室变形可靠度问题分析一种有效的方法。采用二次衬砌支护是提高地下洞室可靠度有效的方法。此外,岩体变形模量的变异性对地下洞室变形可靠度有非常明显的影响,而岩体重度的变异性对可靠度基本上没有影响。因此,在地质勘查中要尽可能准确地确定岩体的变形模量,从而有效地提高地下洞室变形可靠度。     

渔子溪一级水电站地下厂房围岩应力和变形的分析探讨

本电站地下厂房的地质条件比较复杂。施工过程中,建筑物的围岩发生较明显的变形,多处混凝土衬护出现较密集的裂缝,引起关心和重视。为了监测和研究围岩的整体稳定性和建筑物结构的受力情况,按装了内部原型观测和外部裂缝观测设备。为了研究地下洞室的永久运行安全性,还进行了岩石力学和有限单元分析计算工作。综合分析表明,产生围岩变形和混凝土衬护裂缝的主要原因是岩体内地应力大,及开挖后侧向应力解除所致。边墙经采取适当的加固措施而趋于稳定。对中间岩柱的分析表明.应力分布不均一,应力增长尚不过大,且局限于较小的范围内;剪应力也不太大。因此,可以认为岩柱仍然是稳定的。今后还要继续加强原型观测和研究工作。     

基于降强法数值计算的复杂岩质边坡动力稳定性安全评价分析

分析复杂岩质边坡在地震荷载作用下的动力稳定性的特点,提出基于降低材料强度算法的动力稳定性分析方法。先将软弱结构面抗剪强度指标降低,进行静力计算,在此基础上,再进行动力稳定分析,综合评估边坡的动力稳定性与降强倍数的关系,将边坡处于临界稳定状态下的降强倍数定义为动力稳定安全系数。借助数值计算程序,将上述方法应用于国内某拱坝坝轴线左岸岩质边坡的动力稳定性分析,取得满意的成果。     

地下采空区安全隔层厚度数值模拟分析

采用物质描述增量有限元方法,对露天与地下联合开采工程岩体进行了数值模拟分析。通过计算不同顶板厚度、不同采空区跨度下岩体内所出现的最大拉应力,以岩体抗拉强度为准则,确定了露天坑底与地采空区的合理隔层厚度,并得出了采空区顶板安全厚度与采空区跨度的回归方程。