复杂断层网络环境下地下洞室群三维地质分析与应用

断层构造是制约地下工程设计与施工的关键因素。综合考虑复杂地质构造与地下洞室群结构的耦合关系,采用三维地质建模方法建立实现了地层体、断层体与地下洞室群结构的统一模型。基于三维模型提出了断层复杂度的概念,为水利水电工程地下厂房洞室群的选址方案分析提供了一种新的手段。针对地下围岩稳定性问题,提出基于断层与断层、断层与开挖面相互切割的曲面块体识别方法,搜索地下厂房洞室群内可能的失稳区域。上述方法已成功应用在某水电工程地下厂房洞室群分析中,在设计方案优化分析中取得了良好的效果。     

分块区域三维地质建模方法

区域三维地质建模是区域三维地质调查的关键。在大量反复实践的基础上,提出了分块三维地质建模方法,该方法的主要步骤为：以断裂、岩体边界和不整合等为边界,把复杂的三维地质建模区域分解为内部构造相对简单的建模块或建模地质单元;分别对各建模块进行地质地球物理综合研究,编制深部地质剖面,揭示深部地质结构;采用基于剖面的建模方法按照全区统一的坐标系统构建三维地质模型;在完成全区所有建模块三维地质模型构建之后,把各个建模块的三维地质模型集成在统一的三维空间框架下,形成全区的三维地质模型。该方法具有能够简化三维地质建模过程、易于修改完善模型、易于集成模型等优势,能够克服常规的基于剖面的三维地质建模方法中存在的问题,突破了大规模区域三维地质建模的瓶颈。在本溪-临江深部地质调查中的应用表明,采用该方法可以有效构建研究区的三维地质模型,并能充分表达复杂的地下深部地质结构,为开展复杂地区大规模区域三维地质建模提供了一个重要途径。     

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。     

水布垭尾水洞开挖与支护顺序的智能优化分析

选取清江水布垭电站尾水洞区域,通过正交设计构造不同的开挖与支护施工方案,建立三维数值模型,模拟施工开挖衬砌支护过程,研究了复杂地质条件下大型地下洞室群围岩开挖位移和塑性区;用进化神经网络学习预测其余方案,优化全局方案,构建稳定性的综合判据指标,分析大型洞室群的整体稳定性,得到最优的施工顺序,为设计和施工提供了参考依据。     

鄂尔多斯盆地白垩系三维地质建模研究

鄂尔多斯白垩系盆地三维地质建模是三维地下水数值模拟的基础。对于大尺度复杂区域的地质建模,选择了新一代三维地质建模软件GOCAD。以现有的钻孔、物探和地质基岩图等数据为基础,建立了以ArcGIS为平台的含水层地下水信息系统,以数字高程模型(DEM)作为地表模型,用离散光滑插值方法建立白垩系各含水岩组地质模型和地质体模型。经过误差分析,所建立的地质模型能满足当前的精度要求,同时也验证了建模思路的可行性。     

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。     

离散平滑插值模拟方法在地下硐室群工程中的应用

以岩滩水电站扩建工程为例,分析了地质体与地下硐室群三维建模和分析中的关键技术-离散平滑插值算法,并将该技术应用于岩滩扩建工程的地质构造及其地下硐室群的三维地质建模与仿真分析。结果表明,该模型在三维可视化表达及三维数值计算等方面均取得了良好的效果。     

非常规油气藏地质建模与数值模拟一体化技术研究

非常规油气藏地质建模与数值模拟是通过对地质、地震、油藏综合研究,建立储层精细地质模型。首先建立构造模型,同时运用地震反演的成果结合单井岩相数据建立岩相模型,利用钻井泥浆漏失、油气田和单井的实际生产情况和微地震监测,描述油气藏内发育的天然裂缝和人工压裂裂缝,最终利用岩相模型控制建立孔隙度和饱和度等属性模型,为数值模拟提供能够反映与实际地质情况相符的三维油气藏粗化地质模型。在此模型的基础上,进行生产历史拟合、产量预测,并制定合理的开发方案。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

基于多源数据和先验知识约束的复杂地质体三维建模研究

三维地质模型可以直观的展现地下地质情况,对传统地矿行业的转型升级和城市规划建设都具有重要意义。针对复杂地质条件下三维模型的构建,笔者等提出了一种基于多源数据和地质先验知识约束的三维地质建模方法。以成都市为例,基于MapGIS10.0 软件三维地学建模模块,在DEM数据、数字地质图、综合地质剖面图、钻孔数据、物探解译数据、构造纲要图等多源数据,以及地质体展布形态、产状和厚度变化,断层性质、延伸方向、产状变化、对地质体的错切,褶皱类型、形态特征、两翼产状变化等地质先验知识的共同约束下,开展复杂地质条件下三维地质模型构建研究。笔者等详细介绍了复杂地质体三维建模数据源的准备、建模流程与方法、模型的构建与可靠性分析。认为采用分块建模技术可有效降低复杂地质体三维模型构建的难度,提高建模效率,实现模型的无痕拼接,且易于后期模型的修改完善。本次基于多源数据和地质先验知识约束,采用分块建模技术首次构建了成都市三维地质模型。笔者等通过地质先验知识（地质规律）和静态数据（可视化和抽稀钻孔数据）对模型的可靠性进行了分析,其中抽稀钻孔数据分析采用未参与建模的真实钻孔对三维地质模型中地质体埋深和分层厚度进行误差计算,获得地质体埋深误差均值为33.15 m,分层厚度误差均值21.37 m,认为模型的可靠性较高,可为成都市城市规划和重大工程选址提供重要的基础地质数据支撑。     

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。     

深度衰减效应对大型地下洞室群强震响应的影响分析

介绍了大型地下洞室群强震反应分析所需要输入地震波的选用原则,重点考虑了场地的深度衰减效应,同时提出了一种假设来确定地震危险性分析提供的峰值加速度的所在位置。选用了两组攀枝花实测地震记录,同时利用三角级数叠加法综合考虑了深度衰减效应,合成了一组人工地震动,使用ABAQUS软件对某水电站大型地下洞室群进行了二维非线性强震动力时程数值计算分析。结果表明：生成的地震波能较好地模拟地下洞室群的地震响应,深度衰减对地震响应结果有明显影响,不同频谱的地震波相对位移-时程差距较大,但频谱参数的影响还有待于深入研究。研究成果对大型地下洞室群地震动输入问题研究具有一定的指导意义。     

高山峡谷地区大型地下洞室群非平稳人工地震动拟合

基于近场地震记录频谱分析,结合地震危险性分析得到的基岩场地反应谱,进行了高山峡谷地区大型地下洞室群的人工地震动加速度时程的合成。该方法使用三角级数迭加法,利用攀枝花地震动记录进行傅里叶变换,得到离散点的傅里叶幅值谱,选择两个卓越频率作为控制傅里叶谱的峰值控制点,通过反复迭代生成了初始人工地震波,根据高山峡谷地形进行了深度修正、基线校正和高频滤波,最终生成了可以用于FLAC和ABAQUS等数值分析软件的人工地震动加速度-时程。数值分析表明,此方法拟合的人工地震波可以较好地反映不同频谱对地下洞室群强震响应的影响。     

地震作用下大型地下洞室群位移特征的若干影响因素分析

利用三角级数叠加法,考虑到基岩场地的深度衰减效应,生成了大型地下洞室群非平稳人工地震动加速度时程。然后利用动力时程分析法,对大渡河某水电站大型地下洞室群进行了非线性地震动力响应分析,研究在不同频谱人工地震波作用下地应力特征、峰值加速度和频谱对大型地下洞室群位移特征的影响。分析结果表明,地下洞室群相对位移随着侧压力系数和峰值加速度的增加而略有增加,不同频谱的地震波有着截然不同的位移特征。研究成果对高地震烈度区地下洞室群抗震稳定性分析具有一定的借鉴意义。     

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     

大型地下洞室群地震动输入机制探讨

当前地下工程地震稳定性分析中对地震响应规律研究较多,而对分析中地震动输入机制研究则明显不足。本文针对这一现状,对大型地下洞室群地震响应分析中的地震动输入机制进行了一定的讨论。首先提出将分析中所涉及的地震动分为指定的实测强震记录、优选的实测强震记录、人工地震波3类,分别讨论了每种地震动的选取方法,形成了一套实用性较强的选取流程。随后提出了对设计地震动基准面(点)的建议,并研究了基于基准面(点)的人工边界输入地震动量值的确定方法,形成了适用于高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动输入方法。将上述地震波的合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法相组合,最终形成了一套可操作性较强的高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入机制。最后以白鹤滩水电工程地下洞室群为工程实例,对本文提出的地震动合理选取方法和高山峡谷地形下大型地下洞室群地震动的输入方法进行了工程应用,表明本文的方法为工程抗震设防分析提供了优质的地震输入参数。