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。     

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.     

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.     

低地应力区地下洞室开挖后围岩应力数值模拟

以西北地区某水利工程地下洞室工程为例,采用弹塑性二维有限元法对低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力进行了数值模拟研究,模拟出了低地应力区地下洞室围岩开挖后围岩应力值及其分布规律.结果表明,低地应力区地下洞室开挖后洞室围岩形成应力集中现象,侧壁位置处产生的压应力值大于洞顶位置压应力值,且洞顶产生拉应力.该研究成果将有助于进一步研究低地应力区地下洞室围岩变形破坏机理及其稳定性,对保障地下洞室工程的圆满进行具有重要的理论价值和现实意义.     

不同地应力条件下巷道开挖的弹塑性分析

针对不同地应力条件下地下巷道工程开挖过程中围岩的弹塑性应力问题,利用有限元方法进行数值仿真研究.对于弹塑性地下岩体,研究初始应力场分别为只考虑重力应力场或考虑重力与构造应力场两种情况下,巷道开挖后其表面应力的变化规律.数值结果表明,对埋深较大的巷道,构造应力场是引起巷道顶底板变形的主要因素.此外研究侧压力系数对巷道围岩塑性区域的影响,发现侧压力系数小于1,塑性区主要出现在巷道两帮,且系数越小围岩塑性区范围越大.     

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.     

地下水渗流作用下地下洞室块体稳定性分析

地下岩体经不同尺度、产状的结构面切割形成不同尺度、形态的块体。地下洞室开挖后,围岩的应力场和渗流场发生耦合作用,地下水通过结构面向洞室方向渗流,经力学、物理及化学作用,易发生块体失稳现象。该文利用极限平衡法计算有无地下水渗流作用下楔形体的稳定系数,得到地下水会降低楔形体的稳定系数;再借助3DEC数值软件模拟有无地下水渗流作用下的洞室开挖,对比分析有无渗流作用下楔形体附近围岩应力场、位移场和塑性区的变化规律。结果表明,渗流状态下洞室开挖后,楔形体的位移增大,楔形体周边围岩应力减小、塑性区增大,进一步验证了地下水的渗流作用会降低地下洞室的围岩稳定性。     

基于萤火虫-支持向量机方法的地下厂房围岩力学参数反分析研究

将萤火虫算法应用于最小二乘支持向量机的核函数及其参数的优化,建立了萤火虫算法-最小二乘支持向量机反分析模型.结合溧阳抽水蓄能电站基本地质条件和监测数据,建立地下厂房块体离散元数值模型,反演获得围岩力学参数.研究结果表明:两个侧压力系数反演值分别为0.493、0.633,三类岩体弹性模量分别为11.82、5.48、2.33 GPa;将反演结果代入数值模型,最终得到的多点位移值与现场监测的位移值的最大误差为11.11%,满足精度要求;利用反演参数进行正演分析,基于地下洞室群开挖过程中的变形协同、应力分布、塑性区探讨了洞室群围岩稳定性.研究成果可为地下洞室稳定性控制提供参考.     

渗流效应对基于广义非线性屈服准则洞室弹塑性解的影响

考虑渗流效应,基于广义Hoek-Brown非线性屈服准则,推导出圆形洞室围岩塑性区半径、洞壁径向位移和洞室周边径向应力的数值解.绘制在考虑渗流的情况下和基于广义Hoek-Brown屈服准则的不同围岩条件下,圆形洞室内外水头差h与R/e(R为塑性区半径,e为洞室半径)的关系曲线、围岩特性曲线和径向应力的分布曲线.研究结果表明:在水头差相同时,位于较差围岩中洞室的塑性区比位于较好围岩中洞室的塑性区发展快;在支护力相同时,支护结构对处于较差围岩中的圆形洞室洞壁位移约束效果较差;在围岩质量较差时,渗流效应对圆形洞室径向应力的影响比围岩质量较好时的影响大.     

大型地下洞室围岩最佳支护时间的判定

对新奥法在大型地下洞室施工中的二次支护时间的现有判据进行分析,发现其考虑因素欠全面,主要以变形量或变形速率为主,洞室位移相对值不适应大型洞室.以围岩变形为研究对象,提出大型洞室围岩变形达到总变形的80%、洞室周边水平收敛速度小于0.2 mm/d、顶拱或者底板垂直位移速率小于0.1 mm/d、隧洞周边水平收敛速度以及拱顶或底板垂直位移速度明显下降、位移加速度应基本接近于0作为大型地下洞室最佳支护时间的判据.为了验证该判据的合理性,选择了向家坝大型地下洞室一个断面,按照实际开挖顺序,计算了不同开挖层的最佳支护时间.向家坝地下洞室该断面处围岩拱顶、不同开挖层上下游侧边墙最佳支护时间在8～18 d之间,较好地符合了向家坝实际支护时间.     

某地下厂房围岩喷锚支护效果的大变形数值分析

采用三维有限差分法对某水电站的地下厂房分级开挖过程进行仿真模拟，研究了采用喷锚支护和无支护条件下围岩应力场、位移场及破坏区的分布规律。结果表明：对围岩采取喷锚支护措施将优化围岩应力分布、限制围岩变形及破坏区分布，有效提高开挖过程中的围岩稳定性。     

大型地下水封洞库施工顺序优化

采用侧压系数法对某大型地下水封洞库地应力进行了反演分析,运用回归反演的初始地应力场对储油主洞室进行了施工开挖分层及施工顺序的优化分析.分析结果表明,储油主洞室分三层和分四层两种开挖方式对岩体位移和塑性区分布范围影响都不大;跳挖开挖方式优于平行开挖和依次开挖方式,在施工工期许可的条件下宜按照跳挖开挖方式进行,各洞室开挖掌子面间距宜控制在40m以上.     

磨料水射流割缝裂隙带对洞库围岩稳定性的影响

利用割缝设备在洞库上方的围岩中制造分布合理的人造节理并结合填充介质可以有效地衰减爆炸应力波。为了验证采用磨料射流割缝设备在洞库围岩中进行人工割缝及充填材料前后围岩开挖的稳定性，利用FLAC3D与Midas对磨料水射流人工割缝及充填材料前后的大跨洞库及围岩进行了数值模拟研究，对数值模拟中围岩的稳定性进行实时监测与分析。结果表明，裂隙开挖后洞库位移略有增加，但基本处于稳定状态；利用碎石进行充填裂隙后，碎石的扰动作用使其位移进一步增加，但增加量极小，洞库仍处于稳态；可利用锚杆支护减小位移、增加稳定性。因此，在洞库围岩中进行人工割缝构建填充裂隙群对于整体围岩的稳定性影响较小，研究成果可为地下工程抗爆削波防护设计提供参考。     

基于FLAC~(3D)的大伙房水库引水隧洞围岩变形分析

圆形洞室开挖后,使原来处于挤压状态的围岩失去支撑而向洞内松动变形;如果这种变形超过了围岩本身所能承受的能力,则围岩就要发生破坏。本文应用FLAC3D数值模拟软件对15+800～15+900段隧洞围岩的变形进行了分析和评价。结果表明,地下洞室开挖穿过断层带时,围岩的塑性区域会增大;围岩在同一开挖方式下,破碎带及其周围围岩变形规律基本相同,但位移值差异较大。     

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。     

考虑互层状岩体接触状态的地下洞室围岩稳定分析

层间剪切、挤压破碎带是影响互层状岩体地下洞室围岩稳定的重要因素.针对互层状岩体层间剪切、挤压破坏问题,引入界面单元模型模拟其接触特性.在此基础之上,对该接触面模型算法进行改进,针对接触面边界上节点可能存在的接触状态:黏结、滑移、张开和嵌入,建立了相应的接触状态判别准则和修正迭代算法,可以有效模拟互层状岩体层间非线性滑移破坏问题.将本文模型应用于巴基斯坦阿扎德帕坦水电站地下厂房围岩稳定性分析中,对比横观各向同性模型计算结果,表明考虑接触后在层间过渡处应力和位移呈现非连续性变化,且量值增大;层间出现了错动位移,在主厂房边墙侧中下部较为明显.     

软岩隧道建造过程三维有限元仿真分析

根据地下隧道施工不同的开挖程序和锚固施工方法，运用三维有限元数值分析方法模拟地下隧道施工建造过程，以期寻找有利于围岩稳定的开挖和支护方式。依据岩体破坏特性和弹塑性力学应变能原理，给出了隧道开挖的优化指标和方法，并以此得到较优的施工方案。     

土石交界隧道爆破开挖数值分析

运用FLAC3D对黑山隧道土石交界段爆破开挖时爆破振动对隧道稳定情况的影响进行了数值分析.采用球面爆破冲击波的方法对爆破开挖进行了数值模拟,根据数值模拟结果提出了安全装药量,最后就其在爆破控制中的应用进行了分析.研究表明隧道爆破开挖过程中,拱顶及两侧拱腰底部发生了明显的应力重分布现象,拱顶土体对爆破振动敏感,易于发生塑性破坏,中部土体也有部分破坏,但并不影响开挖.     

地下洞室群开挖顺序优化设计

遵循动态规划原理建立了地下洞室群开挖顺序动态规划模型,提出了评价不同开挖排序方案优劣的最小能量偏差准则,并以能量偏差为目标函数.实例计算表明,开挖顺序对围岩稳定的影响是明显的,对开挖顺序的优化要给予重视;提出的地下洞室群开挖顺序动态规划模型合理,计算工作量较少;以形状改变比能偏差为目标函数的优化方案中最大洞周位移比位移类目标函数的最大洞周位移略大,但从应力状态、塑性区面积和能量的角度考虑,前者的优化方案更佳.因此,以形状改变比能偏差为目标函数更合理.     

基于屈服接近度的盐岩储气库多因素优化

利用深部盐岩洞穴进行能源地下储备是国际上广泛认可的能源储备方式,利用盐岩进行地下能源储存也已成为中国能源战略储备的重点部署方向。对于盐岩地下储库群来说,不同的设计、运行方案对地下储库的安全性影响也是不同的。针对该问题研究盐岩储库群的布置形式、矿柱宽度及运行压力对于围岩的稳定性的影响。引入屈服接近度(yield approach index,YAI)的概念,通过大量的数值模拟,以YAI作为定量参数,对比各种不同工况下储库群的围岩稳定性情况,给出盐岩地下储库群的优化布置方案,同时也得到了不同储气压力作用下的腔群稳定性结果。研究成果可为盐岩地下储库的工程设计、建设及运营管理提供有益参考和借鉴。