大跨度地下洞室拱顶稳定性及支护措施研究

拟建的金沙江下游一水电站引水发电系统地下洞室群规模巨大且布置复杂,其圆筒型阻抗式调压井高度达100 m,直径达50 m,洞室在同类工程中罕见,拱顶稳定及支护措施问题突出。针对复杂地质条件下,尾调顶拱围岩潜在的应力型破坏和结构面导致的变形与坍塌两类不同性质的问题,采用工程地质分析与三维数值模拟3DEC等相结合的方法,深入探讨圆筒形尾调室围岩应力集中范围、程度和高应力破坏风险;说明软弱层间错动带对围岩变形稳定影响及其安全性。研究表明：圆筒形尾调室总体受力特征良好,拱顶应力集中水平(30～44 MPa)相对不高,高应力破坏问题不突出;但层间错动带对拱顶稳定影响明显,沿层间错动带的错动变形较大且NNE向浅层7 m范围发生剪切屈服。采用系统支护与混凝土置换的加强支护措施后,可以明显减小层间带的错动变形,提高层间带的安全储备。     

白鹤滩水电站边坡结构面强度及稳定性分析

结构面变形及其破坏特征是岩体岩石力学研究的基本问题之一,针对白鹤滩水电站边坡工程,本文利用数值方法,研究了影响控制性结构面强度的一般性因素,确定了控制性结构面强度上限值;基于反演手段,获取了控制性结构面综合强度指标,并由此建立河谷演化模型再现河谷地应力场,根据结构面地应力赋存环境为选择合理的结构面本构模型奠定理论依据。在上述基础性研究前提下,利用平面数值计算手段分析了左岸边坡稳定性特征,并对平面计算结果进行了合理性评价;最后,基于岸坡改造、破坏过程中结构面性状弱化这一前提假设,利用强度折减法揭示了左岸边坡变形、破坏方式。解决了工程问题,并得到有关的方法应用认识。     

白鹤滩水电站巨型地下洞室群关键岩石力学问题与工程对策研究

 白鹤滩水电站地下洞室群规模宏大、围岩地质条件复杂且地应力水平较高,在现阶段的开挖过程中,普遍揭露了脆性岩体的高应力破坏、软弱层间带导致的深层变形、柱状节理玄武岩的破裂松弛三类典型岩石力学问题。基于室内岩石力学试验,定义脆性玄武岩的启裂强度标准,并结合FLAC3D的Hoek-Brown模型对开挖过程中的洞室顶拱和墙角应力集中区进行分析,提出针对岩体高应力破裂风险区域的支护措施;针对层间带出露于洞室顶拱或高边墙引起的剪出口坍塌、顶拱深层变形、边墙错动变形问题,采用3DEC的Coulomb-slip模型与位移监测相结合开展反馈分析,确定加强支护措施及范围;针对柱状节理岩体的各向异性变形松弛特性,应用专门研发的Comba本构模型与声波检测相结合的研究方法,对柱状节理围岩各向异性松弛深度进行分析,为支护参数拟定提供依据。研究表明,巨型地下洞室围岩的稳定问题通常较为复杂,在施工期依据施工地质、数值模拟和监测成果相结合的反馈分析,不仅能够解释围岩变形破坏机制,而且能够为动态优化设计提供依据。     

非局部化弹塑性理论及其应用

 基于非局部弹塑性理论,在经典的弹塑性本构模型中引入材料内部特征长度,并考虑材料内部特征长度与塑性化程度的关系,在整个模型空间各质点形成可变的微小表征体积单元。进而在可变的微小表征体积单元内对塑性乘子进行空间非局部化平均,间接考虑材料内部微结构的变化及相互作用,建立可变特征长度非局部弹塑性模型。最后,将提出的非局部弹塑性模型通过有限元理论应用到压缩平板端部摩擦效应的模拟中。模拟结果表明：非局部弹塑性模型较经典弹塑性模型计算效率更高,计算结果更合理。     

巨型地下洞室脆性围岩高应力破裂防治措施研究

脆性岩体高应力破裂是西部水电地下工程面临的主要岩石力学问题之一。依托世界最大规模的白鹤滩地下厂房洞室群,在概括高应力条件和玄武岩脆性特征基础上,说明了地下洞室围岩破裂破坏形式。采用3DEC中围岩能量释放等指标,研究了洞群布置、体形优化等宏观策略;依据围岩高应力集中特征,分析了开挖程序和支护时机等应对措施。结果表明,针对构造应力占主导的地下工程,可研设计应尽可能使主要洞室轴线与σ⁰₁小角度相交、宜选择双向成拱的圆筒形体形、保证顶拱曲率与应力拱相适应,并且,在施工期应尽可能沿σ⁰₁方向优先开挖、对应力集中的顶拱开挖不宜过多分幅、河谷应力条件下应优先开挖临江侧,此外,必须充分利用掌子面效应及时支护,抑制脆性岩体破裂扩展和时效变形。工程实践表明,防治脆性围岩高应力破裂的战略性措施能够降低洞室群围岩产生破裂破坏的总体风险,而战术性措施能够减小支护代价,提升工程安全性和经济合理性。     

含优势断续节理组的工程岩体等效遍布节理模型强度参数研究

岩体经历的成岩和构造改造等作用通常使其优势节理组发育,使得工程岩体呈现各向异性特征。本文首先说明当大尺度工程岩体含断续节理组时,岩桥对各向异性强度特征的影响突出。进而指出在采用遍布节理模型描述含优势随机节理的岩体各向异性时,模型中结构面参数为贯通节理的参数,不能直接采用现场断续节理的测试结果,需要进行大尺度岩体各向异性参数等效。然后,提出基于连续方法FLAC3D遍布节理的参数变化吻合非连续方法3DEC揭示的宏观岩体各向异性特征的途径,完成由连续方法间接描述非连续节理岩体各向异性力学行为的等效过程。研究表明,在无法应用解析法估算含随机断续节理岩体宏观参数时,数值试验成为了更有效的途径。采用遍布节理模型描述断续节理岩体各向异性强度特征时,节理强度参数值受断续节理与岩桥的综合影响,等效节理参数高于节理真实参数。此外,在进行等效连续过程中,为保证等效贯通节理导致的岩体强度凹陷与断续节理作用的方向一致,遍布节理模型中节理走向取值应与断续节理走向呈( － )/2夹角。     

非局部化弹塑性理论及其应用

基于非局部弹塑性理论,在经典的弹塑性本构模型中引入材料内部特征长度,并考虑材料内部特征长度与塑性化程度的关系,在整个模型空间各质点形成可变的微小表征体积单元。进而在可变的微小表征体积单元内对塑性乘子进行空间非局部化平均,间接考虑材料内部微结构的变化及相互作用,建立可变特征长度非局部弹塑性模型。最后,将提出的非局部弹塑性模型通过有限元理论应用到压缩平板端部摩擦效应的模拟中。模拟结果表明：非局部弹塑性模型较经典弹塑性模型计算效率更高,计算结果更合理。     

柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究

柱状节理岩体地质成因特殊,地质结构特点与常见岩体有很大不同,成规则或不规则柱状排列,其裂隙统计及节理的随机模拟方法也与常见岩体采用的方法不尽相同.根据白鹤滩水电站柱状节理岩体的地质构造特点及现场统计资料,以其中最为常见的一类柱状节理为例,引入Voronoi方法对其进行随机模拟,并将随机模型导入3DEC,生成三维随机柱状节理模型进行数值试验,得出其表征单元体(REV)尺度约为典型节理迹长的3～4倍.同时数值试验结果表明,平行于柱轴向(y方向)与垂直于柱轴向(x-z方向)的弹性模量及泊松比值相差较大,柱状节理显示有强烈的各向异性.x-z方向弹性模量及泊松比值相差较小,在REV尺度下可近似认为x-z方向材料性质相同,将柱状节理视为横观各向同性体进行计算和分析.     

基于离散单元法的白鹤滩水电站复杂块体稳定性分析

 节理岩体边坡块体稳定性分析是岩体力学工程实践中关心的一个重要问题,经典极限平衡理论在求解复杂块体稳定时具有诸多的限制。基于离散单元法作为运行平台,推导复杂块体安全系数计算公式,并在此基础上编制复杂块体稳定性分析程序,能够弱化复杂地形、材料非线性以及初始地质条件等传统问题的约束;继而运用2种经典块体模型对该程序进行正确合理性验证。最终将程序应用于白鹤滩左岸边坡复杂块体稳定性分析研究,给出关键块体安全系数及其潜在破坏模式,并根据块体稳定性特征及其变形模式给出加固建议。该研究结果对岩体边坡复杂块体稳定性研究具有一定指导意义。     

高坝坝基挤压蚀变破碎带处理措施三维数值分析

挤压蚀变破碎带是水电站坝基的主要工程地质问题。基于重力坝坝体与坝基岩体联合作用的数值模拟,分析了某水电站挤压蚀变破碎带G23对坝体应力和变形的影响。在对多种加固处理措施比较的基础上,提出了建议方案,说明了处理方案对拉应力的控制效果。进而,就建议方案所对应的数值模型,对G23带进行了浮值分析,用强度储备系数法计算了受G23带影响的坝基安全稳定性,检验了加固措施的合理性。研究结果,建议采取的坝体上游不贴角措施、G23带倾斜开挖置换5m、下游坝趾填角3～5m方案可以有效控制由于G23带不均匀沉降引起坝趾区的拉应力,使拉应力范围大大缩小的同时使得拉应力值降低至处理前的1/3以下。强度储备系数法得出正常荷载组合下各坝段安全储备系数均不低于2.5,重力坝的安全稳定性有充足的裕度。建议处理方案同时满足拉应力控制及稳定性要求。