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。     

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。     

考虑洞室岩体应力型破坏特征的局部地应力反演方法及应用

介绍了一种考虑地下洞室片帮、钻孔剥落等岩体应力型破坏特征为信息源,通过数值模拟智能反演方法预测高应力大型地下洞室群围岩局部应力场的新思路。该方法将地下洞室群片帮、钻孔剥落等应力型破坏的位置、深度或者宽度进行定量描述,以弹性模型计算获得的常偏应力大于岩体启裂强度的范围来表示应力型破坏范围,通过分析实测地应力数据约束部分地应力数量,然后采用智能数值反演方法得到其他的地应力分量。采用该方法预测了白鹤滩水电站右岸地下厂房0+76断面附近围岩地应力场,反演获得最大主应力在34 MPa左右。通过其他部位岩体破裂的数值模拟和观测结果对比,验证了地应力场预测的合理性。     

二滩电站坝肩厂房三维有限元分析及围岩变形观测反分析

本文首先用应力函数法对二滩电站地下厂房区的着干地应力实测点进行拟合,给出了三维连续初始应力场。然后对三个大型洞室形成的厂房群进行三维有限元分析,得出了洞群围岩中破损区、应力弱化区及高应力区的分布,并就三维分析与二维分析的结果进行了对比。可以认为,二维分析不一定比三维分析更安全,因为三维分析得出的拉破裂范围更大些。文中还提出了一个用弹性有限元分析近似推求裂隙围岩破裂范围的方法。最后介绍在该现场的一个试验洞中进行围岩变形观测及反分析的结果,该反分析较好的验证了围岩力学参数及地应力测量的结果。     

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。     

峡谷地区大型地下洞室群岩体初始地应力场反演分析

合理地确定地下洞室群岩体初始地应力场对于地下洞室群的总体布局、支护设计有着重要的意义。本文提出了一种依据少量实测地应力资料反演地下洞室群岩体初始地应力场的方法。这种方法假设远古地形是一无起伏的夷平面,认为岩体初始地应力场主要由处于远古地应力状态下的远古地形经过漫长的地形剥蚀形成,而远古地应力场由地质构造运动和岩体自重形成。以有限元数值分析为基本手段,提出了可以考虑构造运动、岩体自重和地形剥蚀等多因素的岩体初始地应力场反演思路。通过某水电站地下厂房区域岩体初始地应力场反演的工程实例分析,验证了这一方法的可行性和实用性。     

复杂条件下大型地下洞室群的变形稳定性分析

本文结合某水电站工程建设实例,在现场地质调查和地勘资料分析的基础上,建立了能够反映工程区陡峻地貌、软弱断层和高地应力环境条件下的计算模型。以地应力实测结果为依据,采用线弹性方法反演了初始地应力场,在此基础上,通过编制程序施加应力的方法简化数值模型,采用弹塑性方法对地下厂房进行了三维模拟,分析结果表明:相邻洞室之间的围岩,尤其是主厂房与尾水调压室之间存在局部的塑性破坏,破坏部位主要在洞室腰部和顶角部位,应力集中则主要在顶角部位。本文的建模方法和分析结果,对于类似工程将具有一定的借鉴意义。     

白鹤滩水电站初始地应力场研究分析

金沙江下游拟建的白鹤滩水电站上接乌东德梯级,下邻溪洛渡梯级,是继三峡和溪洛渡之后又一座千万千瓦级的水电站。白鹤滩水电站采用地下式厂房,其厂房的高度和跨度分别为78.5 m和32 m。为了保证地下洞室群围岩的稳定性,需要准确掌握初始地应力场的方向和大小。依据地质构造作用和现场实测方法分析发现,白鹤滩水电站左、右岸的初始地应力场,由于受到河流侵蚀和岸坡卸荷等因素影响,两岸厂区的地应力场方向在局部产生一定的偏转,从该地区的NWW方向变为NE方向,通过数值反演方法对计算区域的边界条件进行回归,与实测值比较确定回归边界条件的合理性和准确性。     

白鹤滩水电站地下厂房层状节理岩体变形机理分析

为了研究白鹤滩水电站右岸地下厂房洞室群开挖期间的变形破坏问题,通过分析地下厂区工程地质特征、地应力实测资料和微震监测结果,利用通用离散元程序UDEC建立白鹤滩水电站地下厂房层状节理模型,计算得到了地下厂房开挖后的应力场、塑性区、位移场分布规律,揭示了围岩变形破坏区域。研究结果表明:围岩变形量增加速率与开挖强度具有密切关系;主厂房上游侧位移大于下游侧,损伤更严重,上游层状节理密度比下游大是造成上下游变形差异的主要原因。白鹤滩地下厂房变形机制的研究对其后续施工及其安全运营具有重要意义。     

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。     

岩体初始地应力场分析方法研究

初始地应力场是影响岩土工程稳定性的重要因素之一,如何合理地模拟初始地应力场一直是岩体力学中的重要研究课题。以国内某大型水利水电工程构筑区域实测空间地应力资料为基础,以边界位移为控制对象,采用有限元（无界元）方法对工程区大范围内的岩体初始地应力场进行了分析和研究。尝试在实际边界上满足无穷远处位移为0的模型边界上引入了无界单元,实测点上的应力拟合结果有较明显的改善,这表明所采用的方法是切实可行和有效的。     

Finite element modeling of hydraulic fracturing in 3D

A procedure based on the finite element method is suggested for modeling of 3D hydraulic fracturing in the subsurface. The proposed formulation partitions the stress field into the initial stress state and an additional stress state caused by pressure buildup. The additional stress is obtained as a solution of the Biot equations for coupled fluid flow and deformations in the rock. The fluid flow in the fracture is represented on a regular finite element grid by means of “fracture” porosity, which is the volume fraction of the fracture. The use of the fracture porosity allows for a uniform finite element formulation for the fracture and the rock, both with respect to fluid pressure and displacement. It is demonstrated how the fracture aperture is obtained from the displacement field. The model has a fracture criterion by means of a strain limit in each element. It is shown how this criterion scales with the element size. Fracturing becomes an intermittent process, and each event is followed by a pressure drop. A procedure is suggested for the computation of the pressure drop. Two examples of hydraulic fracturing are given, when the pressure buildup is from fluid injection by a well. One case is of a homogeneous rock, and the other case is an inhomogeneous rock. The fracture geometry, well pressure, new fracture area, and elastic energy released in each event are computed. The fracture geometry is three orthogonal fracture planes in the homogeneous case, and it is a branched fracture in the inhomogeneous case.     

考虑岩体开挖卸荷边坡岩体质量评价

正确评价开挖后岩体质量并对其进行分类,对研究岩石边坡开挖卸荷后的稳定性有十分重要的意义。以某水电站坝肩高边坡开挖工程为背景,运用卸荷岩体力学的理论与方法,对坝肩边坡开挖岩体进行三维有限元分析。根据边坡岩体开挖后应力应变场的动态变化情况,确定岩体开挖卸荷后质量损伤劣化程度,并根据岩体开挖卸荷后的力学参数,采用RMR法对开挖后的边坡岩体质量进行评价。结果表明,边坡岩体RMR值随开挖后卸荷量的增大基本呈线性递减趋势,进而考虑开挖卸荷影响因素,修正了RMR法中的评价参数,为以后用该法评价开挖后的岩体质量提供参考。     

秦岭公路隧道通风竖井岩爆预测和防治措施

秦岭公路隧道2号通风竖井,为国内乃至世界公路隧道规模最大的竖井工程。根据工程地质资料分析,岩爆是该竖井施工过程中的主要难题。为了从岩性角度评价竖井围岩的岩爆倾向性,开展了室内岩石单轴压缩变形试验和物理模型试验,根据改进脆性指数指标和模型试验的结果,表明竖井围岩有岩爆倾向性,必须加强岩爆预测和防治。根据水压致裂法的地应力测试结果和地应力分布特点,采用三维有限元回归分析反演了竖井工程区域的初始应力场。根据竖井围岩地应力场和Kirsch解得到的围岩二次应力场,结合Russenes和陶振宇岩爆判据,进行了竖井岩爆综合预测和分析,得出竖井有轻微和中等岩爆发生的结论,并提出岩爆防治措施。     

红透山铜矿区F8断层构造应力场的有限元数值模拟

针对断层对周围岩石地层影响的问题,本文提出了一种有限元算法计算模拟该断层对周围地层产生的应力场和位移场。首先,根据最大主应力、中间主应力和最小主应力来研究正断层、逆断层以及走滑断层的应力状态;其次,基于弹性力学相关理论研究应力—应变关系,采用线性四面体单元有限元分析方法进行算法实现;最后,在考虑到断层两侧岩体的物理性质(弹性模量和泊松比)、断层几何形态以及边界条件等情况下,应用有限元法模拟正断层、逆断层以及走滑断层在层状岩体中产生的应力场和位移场。以红透山铜矿区F₈断层为例,通过地质勘探获得的资料判别该断层性质及其周围地层属性,使用本文构建的有限元算法模拟了该断层对周围地层产生的应力场和位移场。     

岩体初始应力场的遗传算法与有限元联合反演法

岩土工程问题的有限元分析一般需要考虑初始应力场。实际工程中,岩体往往为非线性。本文采用遗传算法与有限元联合反演法求解非线性岩体初始应力场,通过算例说明文中所提方法是合理的,可在工程应用中推广。     

等效连续岩体流固耦合流变分析模型

位于地下水位线以下的岩体洞室围岩承受应力场与渗流场的耦合作用,而且其变形随时间的持续而发展。本文以岩体水力学和流变力学的基本理论为基础,研究建立了岩体应力场与渗流场耦合作用下的流变分析模型,导出了相应的流变有限元计算格式。所建立的两场耦合有限元流变分析模型,可用于对地下洞室和边坡工程等进行两场耦合流变条件下的长期稳定性分析。     

Back-analysis for initial ground stress field at a diamond mine using machine learning approaches

Exact knowledge for ground stress field guarantees the construction of various underground engineering projects as well as prediction of some geological hazards such as the rock burst. Limited by costs, field measurement for initial ground stresses can be only conducted on several measure points, which necessitates back-analysis for initial stresses from limited field measurement data. This paper employed a multioutput decision tree regressor (DTR) to model the relationship between initial ground stress field and its impact factor. A full-scale finite element model was built and computed to gain 400 training samples for DTR using a submodeling strategy. The results showed that correlation coefficient r between field measurement values and back-analysis values reached 0.92, which proved the success of DTR. A neural network was employed to store the global initial ground stress field. More than 600,000 node data extracted from the full-scale finite element model were used to train this neural network. After training, the stresses on any location can be investigated by inputting corresponding coordinates into this neural network.

     

Characteristics of the unloading process of rocks under high initial stress

The unloading process of rocks under high initial stress is complex, and verifying the mechanism of the unloading process in the field or in a laboratory is not straightforward. In this study, the unloading process of rocks under high initial stress was characterised by a mathematical physics model, which was then implemented in the finite element program LS-DYNA for analysis. In particular, the implicit and explicit methods were performed in sequence in the finite element simulation of rocks with initial stresses. In the numerical simulation, the characteristics of the dynamic unloading process of rocks were investigated for various peak initial stresses, initial stress release paths and initial stress release rates (ISRRs). The numerical results indicated that the rock failure could be induced by the release of the initial stress; furthermore, there is a relationship between the magnitude of the unloading failure and the peak initial stresses, the initial stress release paths and the ISRRs. When the initial stresses were at the same level, the equivalent initial stress release rate (EISRR) was introduced to quantitatively describe the characteristics of the unloading process. Using the numerical results, the unloading failure process was characterised, and a method for the static stress initialisation-dynamic unloading of rock was developed.