基于双重孔隙介质模型的渗流-应力耦合并行数值分析

为模拟天然岩石中孔隙和裂隙的不同渗透性能及应力耦合特性,基于双重孔隙介质模型,建立渗流–应力耦合分析的迭代计算模型。岩石基质渗透系数和孔隙率通过体积应变进行更新。裂隙系统的耦合模型通过立方体单元模型来建立,渗透系数和孔隙率随有效应力的变化进行更新。考虑到耦合分析时步多、计算量大的问题,采用基于element-by-element策略的有限元并行计算方法进行数值模拟。编制相应的耦合分析并行程序CoupledGF,并在分布存储的并行机上实现。对包含一个生产井和一个注入井的封闭区域进行渗流–应力耦合分析,模拟约22 000个时步。计算结果表明,并行耦合分析模型对于渗流应力的耦合分析是很有效的。     

引水隧洞复合支护钢拱架变形特性及围岩稳定性研究

为研究复合支护中钢拱架变形特性和力学机制,优化支护参数,保证引水洞室的稳定性,在对支护结构进行力学分析的基础上,采用数值计算方法对山西引水工程中施工支洞进行了仿真模拟。基于复合支护力学作用机制的研究,分析钢拱架在初期支护中的应力及变形特性,并结合工程实例研究复合支护中钢拱架、钢筋网以及喷层所分担的围岩压力比例。数值计算表明:与普通的喷锚支护相比,有钢拱架的复合支护体系能够对围岩变形提供直接支护力,使围岩初期变形和塑性区范围大大减小,有利于围岩承载拱的形成并发挥其自身承载能力,同时其他各支护材料的变形和应力也有较大程度的降低,是洞室破碎围岩支护的有效手段之一。研究成果为山西省中部引黄工程引水洞支护设计提供了理论依据,对同类工程也具有借鉴和指导意义。     

基于声发射技术的含裂纹石膏试件破坏分析

受压条件下岩体破坏规律是岩石力学的重点课题之一。本文采用含裂纹石膏试件模拟天然裂隙岩体,分别对不含预制裂纹,含0°、30°、45°、60°、90°预制裂纹的石膏试件进行单轴压缩试验,运用声发射和波速监测技术研究其破坏特性和损伤机制。对声发射信号进行了频谱分析,揭示了石膏材料主频在500 kHz以下,而噪声信号主频在500 kHz以上的特点,基于此进行了去噪;设定参数HPS评价声发射强度,把预制裂纹试件的破坏模式归类为3类：压碎（0°）、压剪（30°、45°、60°）和劈裂（90°及无裂纹）;提出利用多元回归分析改进声发射时差定位算法,取得了良好的定位效果;采用纵横波波速监测方法,形象地展示了石膏试件裂纹扩展时的声波波速动态演化过程。本文为基于声发射与波速监测技术的岩体受压破坏规律研究提供了一次有意义的探索。     

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。     

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.     

基于三维非线性有限元的拱坝坝肩稳定分析

 刚体极限平衡法不能反映岩体中实际的应力分布,而基于有限元的强度折减系数法在判断收敛性方面也存在一些问题。为了解决这些问题,采用多重网格法,分别建立用于有限元计算的结构网格和用于计算滑面稳定安全系数的滑面网格。基于有限元计算的应力结果,通过插值获得滑面的受力分布情况,然后可以方便地计算得到任意滑面或滑块的稳定安全系数,从而将非线性有限元和刚体极限平衡分析方法结合起来。为了改善计算的收敛性和提高非线性求解的精度,非线性有限元计算采用一种基于Drucker-Prager准则的理想弹塑性增量分析方法,无论是对于小荷载步长还是大荷载步长,弹塑性计算均具有很好的收敛性。该方法已经集成到三维非线性有限元分析程序TFINE中,在分析了插值方法和网格密度对计算结果精度的影响基础上,将该方法应用于某水电站高拱坝坝肩的稳定分析中。计算结果分析以及与刚体极限平衡法结果的对比表明,由于考虑了计算过程中的非线性应力调整,所提出方法的计算结果虽然比刚体极限平衡法偏大,但更符合实际情况。     

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。     

三维有限元并行计算及其工程应用

针对水利工程中的人型复杂三维结构对大规模数值计算的需求，基于J—PCG方法(Jacobi预处理共轭梯度法)，建立了有限元EBE(element-by—element)方法和分布存储并行机上的计算算法。该算法不用考虑网格拓扑结构和单元的排序，同时小形成整体刚度矩阵，而且避免了对复杂的三维结构进行区域分解。采用上述算法编制了三维有限元并行求解的PFEM(parallel finite element method)程序，并在网络机群系统上实现，然后将其应用到二滩拱坝-地琏系统和水布娅地下洞室的三维有限元数值计算中。数值计算结果表明，三维有限元并行EBE方法非常适合于水利工程中三维复杂结构的人规模数值计算。     

基于改进遗传算法的拱坝位移反分析

利用遗传算法对拱坝地质力学参数位移反分析的方法进行了研究。针对简单遗传算法的早熟现象，引入了小生境技术与自适应杂交变异概率的方法，并结合拱坝地质力学模型试验与三维有限元方法，给出了适合推求拱坝地质力学参数的反分析方法。结合实际工程，反演了拱坝基岩的弹性模量和泊松比。结果表明，该算法适用于拱坝地质力学参数的位移反分析，可以有效地解决简单遗传算法的早熟现象，而且收敛效率也有明显提高。     

大型地下洞室断层破碎带变形特征及强柔性支护机制研究

锦屏一级水电站地下洞群规模巨大,布置复杂,且位于3条大断层及多组节理切割的高应力地质体内。多洞交叉大型洞群多步开挖强卸荷过程中,主洞室结构面或断层破碎带的支护方式、参数选取与优化以及支护时机的确定是影响整个设计洞群稳定的关键问题之一。结合地下厂房洞群的开挖支护过程,研究主洞室围岩断层带变形破坏力学机制,探讨围岩分层次支护的耦合作用机制以及力学与变形特征。基于对洞室围岩不同支护形式的数值模拟和原位监测,研究在挂网喷射混凝土支护系统中增加钢筋拱肋这一强柔性支护技术。结果表明,该种支护技术措施能有效地控制围岩变形,避免局部失稳导致洞群不稳定或垮塌现象的产生,对大型洞群开挖支护设计与施工具有重要参考价值和指导意义。