新疆某水电站地应力场数值模拟与分析

根据新疆某水电站地下厂房区工程地质勘探资料和原地应力测量资料,用MSC.Marc建立了有限元计算模型。按照应力回归分析方法的基本思路,确定自重和构造应力因素为待回归因素,采用回归法原理计算待回归因素的系数,从而模拟计算出工程区地应力场,另外依据模拟结果总结出最小主应力沿引水隧洞的变化规律。实测值和模拟值的对比结果显示,两者在数值上和方位上差距均不大。反演所得的规律性与预先推测的结果基本一致。本文的反演结果对于该水电站地下厂房区的施工设计、安全性评估有重要的参考意义。     

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。     

大岗山水电站地下厂房区三维地应力场反演分析

初始地应力场是地下厂房工程设计和稳定性分析的重要依据,通常工程区实测地应力点较少,必须在有限的地应力资料基础上,采用反演分析方法获得整个工程区地应力场。结合大岗山水电站地形地貌条件和地质结构特征,基于地下厂房区地应力实测资料,研究了地下厂房区地应力场分布特征;在此基础上,采用有限元数学模型多元回归方法,进行了大岗山水电站地下厂房地应力场三维反演分析研究,获得了地下厂房区域地应力分布规律和影响因素的认识。结果表明,大岗山工程区地应力场分布受构造应力、地质构造和地形地貌的综合影响,岩性对地应力影响较小,岩脉与断层影响显著;在地下厂房区最大水平主应力 、最小水平主应力 、铅直向应力 关系为 ,地应力量值中等,侧压力系数垂直厂房轴线方向为0.5～0.6,轴线方向为1.1～1.3     

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。     

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。     

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房三维初始应力场反演分析

采用三维非线性有限元反演回归分析计算方法,提出侧压力系数函数拟合方法,考虑了地质构造,地形地貌以及实测应力对初始应力场的影响。对蒲石河抽水蓄能电站地下厂房区域初始地应力场进行反演回归分析研究,实测点处附近应力分布的局部特性证明反演计算方法是合理的。     

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。     

某水电站地下厂房围岩稳定性分析研究

某抽水蓄能水电站地下厂房洞室群所处地带围岩为新鲜的混合花岗岩及少量后期侵入的岩脉,岩石坚硬完整。采用新奥法施工,安装埋设了大量的观测仪器,准确地反馈安全监测数据对保障施工安全有不可替代的作用。通过整理分析该水电站完整的变形监测资料,证明了开挖对围岩变形的影响不大,除个别断层外,施工期和运行期的地下厂房整体上是稳定的。另外,还对地下厂房进行了数值模拟,采用有限差分法对模型进行非线性弹塑性计算分析,准确地预测了围岩动态变化过程,得出了洞室围岩位移和应力的变化规律,并与监测结果进行了对比,可为类似地下工程围岩稳定性分析提供借鉴。     

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。     

利用钻孔崩落数据再认识白鹤滩右岸地应力场特征

白鹤滩水电站是仅次于三峡水电站的第二大水电站,位于中国西南地区川滇菱形块体内的金沙江上.通常地壳应力状态是影响地下工程安全的重要地质因素,对地下硐室稳定性分析具有重要意义.在水电站右岸厂房建设过程中,为了水电站的长期安全运营,采用超声波井下电视录井测试系统对白鹤滩右岸厂房锚固洞内7处钻孔进行测试,基于钻孔崩落数据计算了...     

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。     

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。     

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。     

高地应力条件下大型地下厂房松动区变化规律及参数反演

松动区是控制地下洞室围岩变形及失稳的重要因素。以锦屏一级水电站为例,结合声波测试及多点位移计监测成果,对高地应力和低强度应力比条件下大型地下厂房围岩松动区的分布及变化特征进行分析,并采用BP网络和遗传算法对围岩参数进行反演。研究表明,声波测试的围岩松弛深度与多点位移计监测得到的围岩主要变形深度具有一致性,围岩松弛深度变化趋势与岩壁位移变化也存在对应关系,两者结合可以对围岩松动区的变化规律进行连续的分析。高地应力和低强度应力比条件下的松动区深度远大于一般应力条件,由于围岩应力状态调整、岩体破坏所导致的卸荷松弛成为围岩松弛的主要因素。开挖过程中,由于围岩应力状态的逐步调整,导致围岩的破坏和松弛的渐进发展,其中松弛深度在水平向的扩展较为明显。反演得到的松动区岩体变形模量及黏聚力较未松动岩体有明显降低,而摩擦角降低较少。因此,对松动区岩体进行灌浆加固,将有助于提高松动区岩体的变形模量和粘聚力,从而增强围岩的稳定性。     

增量位移反分析在水电地下洞室工程中的应用

反分析是确定计算模型参数的有效方法.通常多采用量测所得全量位移进行反演计算.但地下工程中许多量测数据为增量位移,且实际施工过程可以通过建立分步开挖的有限元模型来模拟.据此,结合某水电站地下洞室工程中地下厂房的开挖,建立了模拟动态施工的有限元模型,利用某一开挖步施工前后量测值之差,采用增量位移优化反分析方法对洞室附近初始地应力场及围岩弹性模量进行了反演.计算所得增量位移与实测值符合较好,表明了这种方法的可行性.同时,根据分析结果对该方法进行了评价.     

白山抽水蓄能泵站地下厂房的岩体力学参数反演

根据白山抽水蓄能泵站地下厂房开挖过程中的变形观测数据,提出了一种基于响应面法的岩体力学参数反演方法。该方法利用响应面函数建立了岩体力学参数与围岩变形之间的非线性关系。通过有限元数值模拟确立了响应面函数中的系数。定义参数反演的目标函数,将参数反演问题转化为优化问题。分别采用拟牛顿优化算法和遗传算法求解参数反演的目标函数,得到了地下厂房的岩体力学参数。根据反演确定的岩体力学参数,对地下厂房围岩的开挖变形进行了数值模拟,研究表明,有限元模拟的地下厂房与现场观测值基本一致,验证了反演方法的有效性。     

偏压条件下大型地下厂房围岩变形稳定性分析

根据下坂地水库协力波斯电站工程建设实际,在现场调查和电站区勘探、测试资料基础上深入分析地下厂房地质条件,建立了能够反映厂区地形地貌、岩体结构和地应力状态的三维数值模型。根据地应力实测资料反演拟合初始地应力场背景值,采用三维弹塑性有限差分法模拟了在偏压条件下地下厂房、主变室开挖过程中围岩变形和稳定性状况,揭示了各开挖阶段应力的集中部位和围岩潜在破坏部位,这对于工程具有重要的指导意义。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

基于SLR-ANN的地应力场三维智能反演方法研究

基于黄登引水发电系统区域地应力实测结果及建立的三维数值仿真计算模型,揭示了工程所在区域的三维地应力场分布特征,为地下工程的开挖加固设计提供更加准确的基础资料。分别采用传统多元线性回归方法、人工神经网络方法与考虑地质历史过程的基于逐步回归原理耦合人工神经网络(SLR-ANN)的非线性智能方法获得黄登水电站厂址区域的地应力场,再将地应力的实测值与反演数值解进行对比。结果表明:3种方法下反演所得引水发电系统区域内三维地应力场均与实测结果相一致,表明3种方法较为真实地模拟了整个地下洞室群区域三维地应力场的分布规律及特征。但采用SLR-ANN二次智能反演方法进行地应力反演,模拟效果更加接近监测值,且因减少了反演参数的个数而大幅度地提高了反演效率,可将反演计算结果应用于后续洞室开挖及锚固仿真分析中。     

地下洞室分期开挖应力扰动特征与规律研究

针对地下洞室开挖扰动分析中常忽略应力主轴旋转以及应力扰动无法量化的现状,以大岗山水电站地下厂房为研究实例,根据主应力方向与洞室横断面及洞轴线之间的几何关系,定义了描述应力主轴旋转的特征角。研究表明,洞室开挖引起了顶拱和边墙不同程度的应力释放和主方向旋转,围岩主应力均在开挖当期卸荷强烈,主应力方向在开挖当期和后继一个开挖期中旋转强烈,且顶拱和边墙部位主应力方向调整具有一定的共性,表现为最小主应力方向最终近似垂直于洞室开挖面,而最大主应力与中主应力方向则近似在平行于开挖面的平面内调整。在此基础上,考虑应力主轴旋转影响,定义应力扰动指标SDI作为描述洞室围岩应力场扰动程度的力学表征量,研究了大岗山水电站地下厂房围岩应力场扰动的时间演化过程和空间分布特征,并将数值模拟得到的强应力扰动区与现场测试的开挖损伤区进行了对比分析,相关认识和结论具有一定理论和工程意义。