大型地下洞室复杂地质断层数值模拟分析方法

根据大型地下洞室中复杂断层对围岩稳定的影响,提出了隐含断层单元的数值模拟计算方法。该方法将复杂断层单元隐含在岩体单元中,使得岩体单元的剖分不受断层切割的影响。使用这种隐含的断层单元,不但将受复杂断层切割的大型复杂地下洞室群的有限单元离散简单化,加快分析计算周期,而且能够有效地反映断层对复杂地下洞室围岩稳定的影响。通过对三峡地下厂房复杂断层结构的分析计算,证明该方法为复杂断层结构的分析提供了一种十分有效的计算方法和思路。     

基于地层信息的三维洞室可视化仿真技术研究

在大规模的岩土工程建设中隧洞和洞室群是最为常见的地下结构。由于受岩土工程所处复杂地质条件的影响,针对地层和洞室的三维GIS综合建模及可视化分析是信息岩土工程面临的难题。讨论了基于栅格模型的地层三维建模技术,提出了由多层数字等高模型（DEM）生成三维地层的自适应控制算法。在此基础上,系统研究了地层中的三维洞室可视化仿真技术,提出了地层信息和洞室的三维综合建模技术,通过地下洞室的三维实体模型生成、洞室和地裙相减、洞室和地层相交等运算,实现了基于地层模型的洞室开挖与漫游,最终生成了赋含地层信息的三维洞室,并给出了一个典型的工程应用实例。     

某水电站地下厂房洞室群围岩稳定分析

采用有限元方法反演某水电站地下厂房厂区初始地应力场。采用Zienkiewicz-Pande的双曲线屈服准则,对某水电站地下厂房洞室群的开挖过程进行了三维弹塑性有限元模拟。为反映锚固支护对围岩的加固作用和评价地下厂房洞室群支护参数的合理性,提出了可以考虑抗剪作用的隐式锚杆单元和可以考虑预应力效果隐式锚索单元。计算结果表明,该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是合理的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

基于地质体的地下厂房开挖变形插值方法

为了快速地获取施工过程中地下厂房区域的变形分布,在利用建立的三维地质模型的基础上,根据设计资料在地质模型中加入地下厂房模型和监测仪器模型,并根据设计资料的特征,设计了一套三维监测仪器图例,提出了基于设计资料快速加入仪器模型的方法。根据建立好的地质体地下厂房监测模型,进一步结合了基于监测仪器、三维地层、结构面的三维空间位置分布情况,充分利用监测仪器监测到的变形数据,进行了地下厂房变形分布的方法研究。根据监测仪器、地层和结构面的空间信息,改进了Shepard（谢别德）插值方法,使得变形分布插值更加趋近于真实。针对糯扎渡地下厂房工程实例,检验了方法的可行性。     

佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房施工开挖过程的FLAC3D数值模拟

选取佛子岭抽水蓄能水电站地下厂房区,采用三维快速拉格朗日法（FLAC3D）模拟施工开挖过程,研究了洞室群围岩的开挖变形形态和应力状态,分析了围岩和调压井高边坡在自重荷载作用下的开挖稳定性。通过对地下厂房洞室群区的加固处理,分析了围岩在加固后的力学特性。利用FLAC3D程序的Ubiquitous模型,引入了一组主要节理裂隙,分析了此组节理裂隙对地下洞室群围岩的开挖变形及整体稳定性的影响,并与无节理裂隙的数值模拟结果进行对比,综合评价了节理裂隙对洞室群围岩稳定性的影响。     

基于三维地质模型的地下洞室群地震动力响应分析

工程区域地质条件是影响地下洞室群稳定的重要因素,而通用数值分析软件在建立复杂地质模型时存在建模时间长、准确度低、不能真实反映复杂地质特征等困难。针对此问题,采用以非均匀有理B样条（NURBS)为主的混合数据结构,对复杂区域地质构造进行了三维建模,建立了西南某水电站大型地下洞室群的三维地质模型。并以此模型为基础,建立了包括空间曲面断层、地层等复杂地质因素的数值模型,结合ABAQUS的隐式和显式分析,对洞室开挖和地震作用下的动力时程响应进行了仿真分析。分析结果表明,该方法不仅较大程度地反映了实际地质情况,而且有利于数值仿真分析的网格剖分与计算,从而为分析地下洞室群地震反应提供了三维数值模型,为地震作用下洞室的安全性评价提供了重要的技术支持。     

某水电站地下厂房围岩稳定性分析

对某水电站地下厂房采用有限元方法反演厂区初始地应力场。分别对地下厂房洞室群3个平行洞室的不同间距、洞室开挖的不同顺序以及施加锚杆和锚索后的方案与毛洞方案进行了分析比较。计算结果表明,经过适当优化后该洞室群在洞室布局、开挖顺序和支护参数等方面是安全可行的,各主要洞室群的稳定性总体较好。     

淋溪河水电站地下厂房开挖过程中材料敏感性的非线性有限元分析

根据淋溪河地应力实测值,应用多元线性回归方法获得了地下厂房区的初始地应力场,并在ABAQUS中实现了初始地应力的加载。考虑岩石节理,基于ABAQUS的UEL模块开发了界面单元子程序,在此基础上重点考察了地下厂房开挖过程中围岩应力场及位移场,对洞室围岩稳定性和材料敏感性进行了综合分析,结果表明淋溪河地下厂房洞室群围岩在各种分析工况下能维持稳定状态。     

溪洛渡地下洞室群地震响应的二维及三维数值模型比较分析研究

验证了显示有限差分方法进行地震波衍射分析的可行性,并基于此方法分别建立了二维（2D）及三维（3D）数值模型,对溪洛渡地下洞室群的地震安全性进行了分析与讨论。研究表明,在唐山余震天津医院地震波作用下洞室群处于安全状态。对比2D及3D数值计算结果可以发现,2D数值模型计算效率远远高于3D数值计算模型;对于建造于完整性较好、强度较高的岩体介质中地下洞室群而言,可以采用2D数值模型粗略估算洞身部分的地震响应,而洞室端面的动力响应则必须通过建立3D模型来进行分析。     

大岗山水电站地下厂房区初始地应力场Nelder-Mead优化反演研究

初始地应力是大型地下洞室群设计与施工所要考虑的重要因素之一。结合大岗山水电站工程地质条件以及实测地应力资料,分析了地下厂房区初始地应力的影响因素,建立了基于侧压力系数的三维地应力反演模型,提出Nelder-Mead法与有限元联合反演法,将有限元程序作为一个单独模块嵌入到Nelder-Mead算法程序中,对建立的地质概化模型进行计算,以实测点地应力值与计算应力值建立精确罚函数误差模型,进行优化逼近分析。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,从而获得地下厂房区初始地应力场较为合理的分布规律,为水电站开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的初始条件。     

围岩质量分级的模糊综合评判研究

岩体本身具有许多不确定性和随机性,围岩质量分级取决于许多因素。选择岩石单轴饱和抗压强度Re、岩体完整程度（RQD）、平均节理裂隙间距d、不连续面状态系数f、结构面方位φ以及地下水状态w六个指标,采用模糊数学方法,引入模糊数学隶属函数的概念,建立边坡岩体质量综合评判模型,并将其应用于黄河上游某电站引水隧洞围岩岩体质量评价。评判结果显示,该模型使用模糊综合评价的评价结果与现场定性判断及报告中RMR分类结果基本一致。     

复杂开挖条件下大断面洞室围岩的变形及力学特性研究

大型地下洞室的开挖施工往往面临复杂的地质环境以及复杂的施工程序, 研究这种条件下围岩的应力和变形规律不仅有助于进一步认识岩体的力学性质, 而且可以为大型地下工程的支护设计和施工提供重要的参考, 因而具有一定的实际意义。地下洞室的变形及稳定性问题主要集中于顶拱围岩, 以向家坝水电站地下厂房为例, 采用三维离散元程序3DEC, 研究了在复杂的开挖条件下洞顶围岩的位移和应力变化规律, 将计算位移与实际监测结果进行了对比, 提出适当的支护时机是系统支护滞后于掌子面约5 ~8 m。      

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析     

地下岩体洞室群地震响应的加、卸载响应比分析

将加、卸载响应比理论引入地下岩体洞室群地震响应分析中。以输入的地震加速度作为加、卸载,以洞室围岩的加速度作为响应,合理地确定了加、卸载响应区段。通过有限差分程序FLAC3D建立了白鹤滩水电站13号机组剖面数值分析模型,选用汶川地震波进行动力时程计算,探讨地下岩体洞室群的地震动力稳定性,研究结果表明：在100年超越概率2%的地震作用下,白鹤滩水电站地下洞室群围岩响应比峰值范围在4.05～11.52之间;结合应力及位移分析,主厂房拱顶及层间错动带C4在尾调室上游边墙出露部位的围岩均进入了非线性变形状态,但响应比在整个时程中并没有趋于无穷大,围岩没有发生失稳破坏;错动带两侧的围岩产生了一定的相对位移,会对尾调室的边墙稳定性产生不利影响。该研究方法可应用于一般地下岩体结构的地震稳定性分析中。     

径向基函数神经网络在地应力场反演中的应用

初始地应力场是地下洞室设计所需的基本指标。基于江边电站引水隧洞沿线区域的地质资料,利用快速拉格朗日分析程序FLAC3D建立了该区域的数值计算模型,使用了随深度变化的侧压力系数以及应力和位移的混合边界条件,通过模拟引水隧洞沿线不同岩性的岩石、断层破碎带和蚀变带进行正分析计算。根据工程现场实测点的主应力数据,基于径向基函数（RBF）神经网络原理,反演了计算区域的岩体力学参数和初始地应力场。其计算结果与实测地应力值基本吻合,满足精度要求,说明反演结果与工程实际相符,所使用的反演方法是合理的。     

黑洞大型古地下洞室群工程地质条件及岩体稳定性分析

位于浙江天台县蟹山山体内的黑洞洞室群, 以其优越的工程地质条件和完整的岩体结构, 自隋朝以来成为大型古地下采石场。洞室群包括总面积达24 000 m²的21个洞室, 其长轴方向基本沿两组主要地质结构面走向展布。研究显示:总体采石层系上白垩统塘上组(K₂t)第6层灰白色含玻屑熔结凝灰岩;岩体质量指标Q值计算结果为53(I级)。按现代地下洞室设计理念, 其长期稳定最大跨度应不大于50 m, 但实际上5号洞最大跨度达81 m, 可望成为地下人工岩石单洞跨度之最。现场调查发现, 古人在蟹山山脚残留多处地质探洞。古代工匠在洞室开挖过程中遇到断层破碎带时, 采用了近垂直、小断面、高台阶穿越技术方法, 有效保证了不良地质体中无支护开采的安全性和长期稳定性, 这对现代地下工程具有借鉴和工程类比意义。     

大型水电站厂区三维地应力场回归反演分析

岩体初始地应力场是地下洞室围岩稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,初始地应力场是否可靠将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。结合某水电站厂区的地质条件及地应力实测资料,引入灰色控制系统理论,采用三维有限元法和采用静态的三因素灰色计算模型GM(0, 3)对厂区岩体初始应力场进行回归反演分析。计算结果表明,厂区存在较大的水平向地质构造作用,岩体的地应力由自重和构造应力叠加而成。实测点的计算应力值与实测值在量值上和方向上都较为接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得地下厂房厂区初始应力场较为合理的分布规律,为地下厂房的开挖模拟及稳定性分析提供了合理的初始应力场。     

水电站大型地下洞室长期稳定性数值分析

围岩的流变特性是影响地下洞室变形及长期稳定的重要因素。在长期荷载作用下岩体会发生流变现象,特别软弱夹层在较高应力作用下其流变特性更为显著。以某水电站大型地下洞室为例,针对该地下洞室附近围岩存在着软弱夹层,且有些软弱夹层与开挖的洞室相互交汇,基于大型岩土工程分析软件FLAC3D,采用黏弹塑性流变本构模型（Cvisc）,模拟了地下洞室围岩的流变力学行为;根据主厂房顶拱位移变化率规律确定出了开挖洞室2次支护的时间,对比分析了瞬时弹塑性条件下与考虑流变特性条件下洞室开挖后围岩的位移变形、应力场及塑性区的分布。数值模拟结果表明,由于着软弱夹层的影响,洞室围岩发生较大的变形,特别是在开挖洞室与软弱夹层的交汇处围岩随着时间的长期变形量会更大,这对洞室的稳定性有着一定的影响;对于水电站地下洞室的长期稳定性分析,充分考虑岩体流变效应是非常重要和必要的。     

某电站地下厂房裂隙发育规律及其对围岩稳定性的影响

裂隙岩体内的洞室围岩块体稳定问题是抽水蓄能电站地下厂房建设中要解决的重要工程地质问题。为了在厂房开挖之前较准确地预测不稳定块体的发育位置,本文以某抽水蓄能电站为例,对厂房探洞内的裂隙进行统计分析,结合厂房区构造断层的发育情况,确定了裂隙发育规律;根据裂隙发育规律将厂房区岩体划分为A、B、C、D、E 5个构造分区;并利用Unwedge程序,以各分区裂隙组合为基础,确定可能形成的块体位置,评价了其稳定性状况。研究结果表明,裂隙受多期构造控制,在一定范围内具有方向性,A、E区优势裂隙与构造产状接近,B、C、D区优势裂隙与构造产状斜交;裂隙在厂房上、下游侧边墙各形成6处潜在不稳定块体,顶拱处形成10处潜在不稳定块体,右端墙处形成1处潜在不稳定块体。