地下厂房施工开挖过程的三维数值仿真分析

采用三维非线性有限元方法对某电站地下厂房主洞室施工开挖过程进行数值模拟计算,数值仿真采用ANSYS软件,主要内容包括:施工开挖过程的数值模拟、有限元计算、位移分析、应力分析、屈服区分析和稳定性分析等.基于计算成果,研究地下厂房开挖过程中洞室围岩及岩锚吊车梁的变形状态、应力状态、屈服区分布以及整体稳定性,指出了在设计、施工中的注意事项,为后续施工提供参考.     

某抽水蓄能电站地下洞室群围岩三维稳定分析

某抽水蓄能电站地下厂房为大跨度、高边墙地下洞室群,地质条件复杂,分布软弱夹层,高边墙及洞室间岩体的稳定性是洞室设计的关键因素。根据水压致裂法地应力测试数据计算侧压力系数,构造初始地应力场,按照开挖顺序建立三维弹塑性计算模型,分析地下洞室群围岩应力与变形特征、塑性区分布,评价了地下厂房洞室群围岩稳定性,为洞室设计提供科学依据和基础数据。     

溧阳水电站地下厂房开挖破坏机理数值模拟研究

为研究溧阳水电站地下洞室开挖围岩稳定性,以地下厂房开挖时提供的地质条件和勘察资料为基础,结合完整岩块的强度试验成果,采用颗粒流数值模拟方法研究厂房在破碎岩体中开挖的破坏机理.研究表明,颗粒离散元方法可以较好地模拟地下洞室开挖情况;联合开挖时,出现明显的贯通变形区,且并非距离开挖面越近围岩变形越大;厂房开挖破坏模式为岩体结构控制型破坏,其导致围岩破坏的决定性因素是岩体结构特征.     

大型地下厂房洞室群围岩开挖松弛效应与渗透性演化特征

锦屏一级水电站地下厂房洞室群开挖规模巨大,赋存于极高至高地应力和低强度岩体环境下,且受f13、f14、f18断层切割,其围岩稳定性将成为影响工程安全和正常运行的重要因素之一.结合现场声波监测资料,采用裂隙岩体等效弹塑性本构模型以及基于Hoek-Brown参数的偏应力破坏准则对开挖松弛区进行模拟与评价.此外,重点关注洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性的演化,并采用SVA方法对其防渗排水措施的渗控效应进行分析与评价.研究结果表明:采用塑性屈服区以及偏应力破坏准则表征围岩开挖松弛效应是合理的,高地应力、低强度应力比是造成锦屏一级地下厂房围岩开挖松弛区较大的主要原因;洞室群围岩在地下厂房开挖过程中渗透特性可增大3个数量级,影响范围达35m;围岩渗透特性演化对渗流场具有显著影响,影响程度取决于与洞室群的距离以及防渗排水措施的渗控效应.     

围岩质量对特大型地下厂房洞室群围岩稳定性的影响

以溪洛渡地下厂房洞室群为例,在地下洞室围岩分类的基础上,运用FLAC3D V2.0,通过三维仿真计算,分析了不同固岩质量对洞室群应力场、变形场和破坏区产生的差异性影响,进而阐明了不同围岩质量类型对洞室群围岩稳定性的影响作用.     

某大型地下洞室群整体稳定性评价

运用数值模拟的手段，分析了某水电站大型地下洞室群厂房开挖后围岩的整体稳定性，并进一步研究了错动带对地下厂房洞室群稳定性的影响。     

流固耦合作用下大型地下厂房围岩稳定性分析

为分析降雨和地下水形成的渗流场与应力场的耦合作用,对某大型地下厂房洞室群围岩稳定的影响,根据流固耦合理论,利用二维和三维有限元对地下厂房开挖施工进行数值模拟分析。该厂房最大的特点就是复杂的地质环境,断面形状和尺度庞杂,最主要是有F77大断层横穿主厂房,且遭遇降雨入渗等影响厂房围岩稳定性的恶劣工程环境。因此,基于厂房开挖支护的数值仿真过程,通过是否考虑应力场或渗流场的影响等不同工况进行对比计算分析。依据计算的洞室内渗流量、围岩应力场、变形场以及塑性区分布等结果表明,主厂房和主变室边墙部位以及洞室拐角处需加强支护,且主厂房大断层处在施工过程中需要及时排水与加固处理。耦合作用下,围岩应力和位移均不同程度地增大、塑性区分布范围加深。因此,考虑应力场和渗流场的耦合作用是合理的,并且适时对地下厂房进行防渗和排水是十分必要的。     

向家坝地下洞室群围岩稳定3DEC分析与信息化施工

向家坝水电站地下厂房位于层状砂岩中,岩体层理面发育,稳定性受多条软弱夹层控制,且洞室跨度大(33.4m),边墙高(85.5m),因此,在洞室的开挖过程中国岩的稳定性问题显得尤为突出.采用三维离散元软件对地下洞室群的分层开挖进行了模拟计算.首先仿真模拟了地下厂房第一层实际开挖顺序(先中导洞,后两侧扩挖),并对比相应的监测资料,结果吻合较好;然后根据施工方案对以下各层的洞室分层开挖过程进行了模拟计算,将其结果与前人计算结果进行对比;最后,尝试将数值计算结果结合监测结果来反馈分析指导设计和施工.图7,表4,参14.     

大型地下洞室多层耦合施工方法

采用FLAC3D软件模拟分层拟作法和多层耦合工法,开挖某特殊用途大型地下洞室全过程,分析开挖引起的围岩变形、应力和塑性区分布状况.发现多层耦合法可以减小塑性区分布范围,开挖各工况围岩稳定性良好,可作为大型地下洞室安全施工的一种工法.通过模拟多层耦合法在Ⅲ、Ⅳ级围岩和不同地应力条件下的施工效果,研究该工法的地质条件适用性.相对而言,围岩质量是更敏感的影响因素,对围岩稳定性影响更大;构造应力场条件下围岩变形和塑性区显著增大.     

水电站深部洞室群应力场相关性研究

结合新疆某水电站的深部洞室群稳定性研究工作,利用三维弹塑性有限元方法,详细研究了水电站3个洞室的应力场在开挖过程中的变化规律,发现了"洞室群应力恶化效应",即后期的洞室施工对邻近洞室的应力场有恶化作用,加剧了前期开挖洞室的应力集中效应;以及"洞室群圆弧拱顶应力优化效应",即后期的洞室施工对邻近洞室拱顶的应力场有优化作用,减缓了前期开挖洞室拱顶的应力集中效应,这一规律的发现将对深部洞室群稳定性控制具有一定的意义.图5,表2,参10.     

含水软弱夹层地下洞室稳定性模型试验研究

软弱夹层是影响岩体稳定性的重要薄层,是造成工程灾害的原因之一,研究其特征具有重要工程意义。为探索软弱夹层特征对地下洞室稳定性的影响,以夹层含水状态、夹层位置和夹层厚度为因素,通过自研的杠杆式平面应力模型试验系统进行多工况对照模型试验,分析了不同工况下开挖和蠕变试验阶段洞周各测点的应力和表面收敛变形量的变化规律。试验结果表明：进行开挖时,开挖轮廓正上方测点的垂直应力下降,临近洞肩测点应力上升,离洞室越远,开挖影响越小;开挖结束后,应力呈增加趋势,动态调整幅度减小,最终趋稳;洞室开挖时,模型表面洞周各测点主要表现为竖直收敛变形,开挖贯通后,依然是竖直收敛变形为主;开挖试验阶段和蠕变试验阶段,软弱夹层特征对地下洞室稳定性的影响程度为：软弱夹层含水状态>软弱夹层位置>软弱夹层厚度。在具有软弱夹层的地下洞室工程,特别是软弱夹层含水时,应采取疏通排水等措施控制软弱夹层对地下洞室稳定性的影响。     

层状岩体中地下厂房围岩施工力学行为研究

对缓倾角层状岩体中的大型地下厂房施工力学行为进行了综合研究.详细分析了开挖过程中主厂房围岩不同部位(包括顶拱、上下游边墙)的现场监测资料,并借助基于非连续介质理论的离散元程序UDEC,综合分析了围岩的变形特征、剪位移分布、围岩应力分布、塑性区分布和锚杆轴力分布等岩体力学行为.结果表明,结构面(如软弱夹层、层面和节理裂隙等)是控制围岩变形的主要因素,软弱夹层的存在控制了围岩剪位移、应力和塑性区的分布,是导致锚杆轴力增大的主要因素,实时监测资料和理论计算成果吻合良好.     

大型地下洞室群变形实测与数值模拟

以某水电站大型地下洞室群开挖为例,建立了三维数值分析模型,研究了洞室群开挖后洞周围岩的变形特性并分析了锚索应力损失对周围岩体变形和应力状态的影响;通过模拟结果与实测结果进行对比,分析模拟方法的合理性和支护方案的可行性.结果表明,围岩水平位移在洞室边墙中部最大,竖向位移在洞室拱顶最大,在洞室交叉部变形也较为显著;模拟结果与实测结果较接近,能良好地反映洞室实际开挖的过程和围岩的变形规律;锚索预应力损失达到某一程度时会使围岩水平位移显著增大.     

不同卸荷路径下的页岩蠕变特性试验研究

地下硐室围岩流变现象显著,对硐室开挖与运营造成巨大威胁。以某深埋矿井巷道页岩为例,参照地下硐室实际开挖情况设计轴压与围压等比卸荷应力路径,同时开展恒轴压卸围压、等比卸荷两种应力路径下的蠕变试验,研究页岩在不同卸荷路径下的蠕变力学特性。试验发现：(1)页岩在两种卸荷路径下的蠕变特性十分明显,轴向应变量值始终高于侧向应变;(2)岩石在破坏应力水平下的轴向应变增长程度小于侧向应变,岩石的侧向扩容较为明显;(3)等比卸荷和恒轴压卸围压条件下的岩石长期强度分别为47.69MPa和62.85MPa,等比卸荷应力条件下岩石更易屈服破坏。研究成果可为地下硐室长期稳定性研究提供一定参考。     

基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化模型对大型地下洞室群围岩稳定性的影响

岩体的峰后强度对大型地下洞室群围岩开挖变形稳定具有较大影响.针对此问题,采用基于损伤的黏聚力弱化-摩擦角强化(cohesion weakening and friction strengthening,CWFS)模型并以动态链接库(dynamic link library,DLL)的形式植入FLAC3D程序中,针对依托工程的大型地下洞室群围岩开挖稳定性,开展考虑围岩开挖损伤和不考虑损伤的开挖全过程模拟.通过分析围岩的变形、应力、塑性区与损伤区的规律及其与现场监测数据的对比,研究开挖损伤对围岩稳定性的影响.结果表明:考虑围岩开挖损伤相对于不考虑损伤时,围岩应力释放程度较高,不利于地下洞室群的稳定;围岩塑性区和变形在主厂房顶拱与边墙等区域增加至1.5～2.0倍.CWFS模型能有效反映围岩塑性屈服的诱因,即损伤系数在0.5～1.0范围内为开挖卸荷导致的屈服,损伤系数在0～0.5范围内为开挖损伤导致的屈服;采用该模型得到的围岩开挖变形在量值上与采用多点位移计得到的现场监测值相近,变化趋势基本相同,不考虑围岩开挖损伤时得到分析结果相对于实际工程偏危险.     

陡倾顺层边坡地下开挖失稳模式分析

为了探究陡倾顺层边坡在地下开挖工况下的失稳模式,进行陡倾顺层边坡的地下开挖相似模型试验,并通过离散元软件(universal distinct element code,UDEC)数值模拟分析与相似模型试验互相验证,以极限平衡法为理论基础提出该失稳模式的稳定性分析方法,并以相似模型试验验证方法的可行性。试验结果表明,陡倾顺层边坡开挖后,其开挖区上方岩体将沿岩层层面发生剪切滑动,并导致边坡坡面产生塌陷,可见其失稳模式为"滑塌"破坏。通过计算边坡模型潜在滑塌岩体的抗滑力和下滑力,定义安全系数为其比值,得其安全系数为0.66。该稳定性分析方法可为边坡安全性评价提供新思路。     

地下等截面交叉洞室扩建衬砌拆除及支护方法

为确保存在应力集中交叉口区域、衬砌老旧失效且为素砼结构的地下深埋废弃洞室改造扩建数据中心之后继续稳定服役，依托贵阳市地下某等截面交叉洞室改扩建数据中心工程，通过有限元数值模拟、现场监测的方法研究不同衬砌拆除方案、不同支护体系施工的围岩位移、应力以及主钢拱架变形受力特征。结果表明:首先开挖三角交叉区域衬砌，再以三角区为界，左右对称拆除衬砌的素砼衬砌拆除方案对围岩影响最小；Y型主拱架的整体竖向位移以及内力均为最小，但拱架整体有向右侧偏移的趋势；结合上述结论，提出了一种“三角交叉区开挖，Y型主拱架先行，左右对称拆除，随拆随支接搭拱架”的衬砌拆除+支护一体化施工控制方法；数值模拟与现场监测变形趋势一致，斜长拱架拱脚钢拱架应变、围岩压力、混凝土应变最大，但皆满足工程支护要求。可见该方法满足数据中心的服役要求。     

地下厂房锚杆支护的反向传播神经网络智能化设计模型

水电站地下厂房的支护设计一般采用工程类比法,而西南地区高地应力、大跨度地下洞室的修建难度往往超出以往的工程,难以完全适应。亟待建立考虑复杂地质条件影响的围岩支护定量设计理论和方法。在29个跨度为18.0～34.0 m,强度应力比为2.00～80.8的地下厂房支护参数的基础上,采用反向传播(back propagration, BP)神经网络方法,训练出了地下厂房系统锚杆支护的智能化设计模型。该模型通过输入洞室跨度值和强度应力比对系统锚杆直径、间排距进行优化设计。采用对神经网络权重分析的方法探讨了洞室跨度和强度应力比对系统锚杆支护方案选择的影响程度。研究结果表明:基于BP神经网络的水电站地下厂房系统锚杆支护的智能化设计模型具有良好适用性和可靠性;在仅考虑强度应力比和洞室跨度的情况下,水电站地下厂房系统锚杆的支护设计应该优先考虑强度应力比的大小。     

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛典型特征与规律

地下水封洞库施工期洞室围岩变形松弛特征与规律对其稳定性评价与灾害防治具有重要意义。基于地下水封洞库工程特征与典型洞库工程实例,整理分析了大量洞室围岩内部变形、表层变形、波速与锚杆应力等监测数据。结果表明：预埋的多点位移计测点位移主要为0.5-3mm,收敛位移监测值主要为4-8mm,拱顶沉降监测值主要为3-6mm,围岩时效变形不明显;围岩变形与爆破开挖有关,当掌子面或后续台阶开挖面接近监测断面时,变形出现陡增;围岩质量越差,开挖面空间效应越不明显;基于典型围岩特征曲线经验公式,结合预埋的多点位移计监测数据与数值模拟,提出了地下水封洞库洞室围岩损失位移确定方法,发现损失位移占最终收敛位移50%-60%;基于波速变化率提出围岩松弛程度评价指标,发现围岩最大松弛程度约为0.47,松弛深度为1.5m;洞室围岩锚杆受力普遍较小,锚杆拉应力与围岩变形基本同步变化。