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。     

初始地应力场对洞室围岩稳定性的影响

基于施工力学分析方法,考虑岩体的宏观各向同性,建立了从施工开挖到适时支护的有限元列式,给出了模拟锚杆作用的加锚岩体组合单元模型及相关计算公式。针对影响洞室围岩稳定的主要因素,提出了基于实测点地应力的多元回归反演初始地应力场的分析方法。结合工程实例,探讨了不同初始地应力场及支护时机对洞室群围岩稳定的影响。结果表明,洞室变形量值和各洞室顶拱环向压应力均随着侧压系数增大而增大,而洞周的变形随支护时机的提前而减少,尤其是各洞室拱顶沉降位移减少更为明显。     

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。     

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.     

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。     

考虑空间效应的地下洞室爆破开挖松动区参数场位移反分析

将地下洞室爆破开挖松动区视为一个随开挖过程演变的非均匀、非稳定三维扰动场,松动区内岩体力学参数则是一个具有时空演化特性的参数场。考虑爆破开挖扰动空间效应和岩体真实变形响应,提出了真实工作状态下开挖松动区岩体参数场辨识的位移反分析方法。基于局部监测变形空间插补得到的空间位移场,通过分析洞室爆破开挖围岩变形扰动机制,建立了开挖松动区岩体变形模量参数场数值演化模型,并进行了模型适用性和参数敏感性分析。在此基础上,以变形模量参数为例,结合围岩实测位移信息,提出了开挖松动区参数场位移反分析的动态实现过程。将该方法应用于溪洛渡地下洞室群施工期参数场反演和围岩稳定动态反馈评价及预测,结果表明,该方法合理有效,在大型地下洞群施工开挖与快速监测反馈方面具有显著的工程适用性及实用性。     

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     

钢锚墩在锦屏一级水电站地下厂房的运用

锦屏一级水电站地下厂房地应力高,分层开挖完成后随着地应力的释放及重新分布,局部岩体出现压碎、层状劈裂破坏,围岩松弛深度及变位不断加深、加大。为了尽快实现锚索锚固支护效应以确保地下厂房洞室群围岩稳定和工程安全,施工时将部分原设计现浇混凝土锚墩调整为钢锚墩进行施工,取得了较好的质量、进度效果。主要介绍了钢锚墩的施工工艺、质量控制要点及其与混凝土锚墩的工效对比分析。     

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。     

深埋长隧洞三维地质力学模型试验研究

为了评价深埋长隧洞围岩的稳定性和隧洞间距的合理性,本文采用三维地质力学模型试验技术,研究在高地应力、高外水压力作用下,隧洞围岩整体稳定性以及相邻洞室开挖的相互影响效应,并与三维弹塑性有限元数值计算结果进行对比验证,研究结果表明:地质力学模型试验成果和数值计算结果基本一致,两者得到的位移场、应力场、屈服区范围都基本吻合。在高地应力、高外水压力作用下,工程所在的Ⅲ类围岩隧洞是可以安全成洞的。采用超载法进行试验和计算可知,在Ⅲ类围岩中极限超载安全系数k＞1.3,开挖隧洞对洞周围岩的位移与应力影响区一般小于1倍洞径范围,隧洞的间距是合适的。     

考虑地应力分布形式的坝址区初始应力场二次反演方法

在建的乌东德水电站区域构造运动强烈,断层、褶皱及节理较为发育,加之河谷纵横、沟谷深切,导致该区域岩体地应力分布极为复杂,非线性特征显著。为准确获取坝址区初始地应力场的分布特征,通过对地应力分布形式进行优化,提出了考虑地应力张量分布特征的岩体应力场二次反演方法。首先,将地应力张量分解成自重应力、构造应力及非线性应力3个部分,同时依据坝址区地形地貌、地质构造及非均匀性岩层等因素,构建FLAC3D计算模型,利用叠加法原理对坝址区初始地应力场进行一次反演。然后,主要考虑坝址区附近小规模构造及局部开挖条件的影响,构建三维离散元（3DEC）精细模型,同时从一次反演中提取精细模型的初始地应力侧压系数和自重修正系数,并利用均匀设计法进行优化,对精细模型进行二次反演。研究结果表明：一次反演计算获得的初始应力场整体上与实际情况吻合较好,但在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造及开挖条件的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值基本一致;通过将大型商业软件FLAC3D和3DEC相结合来反演复杂条件下工程区初始应力场,在一定程度上实现了岩体应力场在大范围内整体连续、小范围内受局部地质构造等影响导致不连续分布的特点。该研究方法可为类似工程提供借鉴。     

深部断续节理岩体中渗流对巷道稳定性影响的数值分析

应用自主开发的岩石破坏过程渗流与应力耦合分析软件F-RFPA2D,通过对高应力节理岩体中巷道的失稳破坏过程所进行的数值模拟分析,研究了深部断续节理岩体中地应力及渗流对巷道稳定性的影响。模拟结果不但直观形象地给出了巷道的渗流场、应力场、破坏区分布,而且得到了巷道周边关键部位的位移变化情况,并与无地下水的稳定性进行了比较。结果表明,岩体中断续节理与地应力及渗流相互作用,对巷道失稳的演化起了重要作用,如巷道与节理的相对方位决定了巷道坍塌的方向;岩桥对巷道的稳定起了重要的作用;虽然渗流应力加速了巷道的失稳破坏,但没有改变高地应力对巷道的主要破坏模式。该研究对于进一步理解深部岩体中节理、地应力及渗流对巷道稳定性的影响进而采取有效的加固措施具有重要的理论和实践意义     

高地应力条件下锦屏一级主厂房围岩松弛深度形成规律和支护时机研究

近年来我国西部已建成发电或正在建设的一批大型、特大型水电工程,其地下洞室群多处于高山峡谷地区,地质条件复杂、地应力较高。受高地应力影响,施工期洞室群围岩易出现不同程度的变形破坏,并常常导致超常规深度的围岩松弛。本文结合锦屏一级水电站主厂房围岩松弛长期物探检测成果,系统分析了围岩松弛深度的形成、发展和演化趋势,再采用数值分析手段,通过围岩位移、塑性区发展趋势来研究最佳支护时机,研究表明:高地应力地区厂房轴线宜尽量与最大主应力σ₁方向平行,能有效减小时效变形导致的不同部位不同程度的围岩松弛;洞室分层开挖时,围岩松弛深度的80%在本层开挖后间隔2～3层时形成;相比开挖后滞后支护,及时支护围岩位移量、塑性区明显较小,因此及时支护为最佳支护时机。研究成果对高地应力条件下大型地下洞室轴线选择、支护设计、支护时机选择具有参考意义。     

糯扎渡水电站1#导流隧洞三维非线性有限元开挖模拟分析

糯扎渡水电站1#导流隧洞开挖经过F3断层,开挖过程中,F3断层影响带附近的岩体力学参数直接控制着围岩的变形和应力分布。为了评判后续Ⅱ,Ⅲ层开挖围岩的稳定性,首先利用隧洞第Ⅰ层开挖的位移监测数据反演出F3断层附近围岩的岩体力学参数和初始地应力场;然后,利用反演得到的初始地应力场和岩体力学参数进行Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ层开挖模拟分析,得到了F3断层附近围岩的应力变形情况。计算结果表明：随着开挖的不断进行,隧洞F3断层周围岩体的约束逐渐解除,围岩的应力逐渐增大,隧洞周边的位移也不断增大,并且隧洞周围应力变形在F3断层中心区域有明显的错动现象,说明F3断层对隧洞的开挖影响比较大,有必要对此区域后期变形加强观测和分析。     

高地应力条件下深埋洞室围岩损伤区孕育机制

随着人类地下空间开发活动逐渐走向地球深部,高地应力已成为地下岩体工程典型的地质特征之一,并严重影响深埋洞室围岩的安全稳定。本文首先分析了我国地应力场分布规律,然后分别采用理论计算和数值模拟方法,研究了地应力准静态卸荷及瞬态卸荷条件下围岩损伤的产生机理与演化规律,最后结合加拿大URL地下实验室及锦屏二级水电站深埋引水隧洞围岩损伤检测结果,进一步探讨了高地应力条件下不同卸荷方式对围岩损伤区形成及特征的影响。研究结果表明:与地应力准静态卸荷相比,瞬态卸荷会在围岩中产生一个附加动应力,从而放大围岩径向卸载和环向加载效应,使得围岩更容易受损;随着侧压力系数的增大,瞬态卸荷和准静态卸荷诱发的围岩损伤范围均增大,并且在最小主应力方向上围岩损伤主要表现为剪切破坏,而在最大主应力方向上主要表现为拉破坏。     

增量位移反分析方法在拉西瓦地下厂房中的应用

由于位移量测具有方便、准确和经济的特点,因而位移反分析法在地下工程领域获得了广泛的应用。以拉西瓦地下厂房的开挖过程为实际工程背景,应用从奥地利引进的大型岩土工程数值仿真分析系统FINAL为平台,建立了模拟分层开挖的有限元模型。采用主厂房第3层开挖前后洞壁围岩关键点的增量位移对厂区初始地应力场及围岩弹性模量进行了反演,最后利用反演结果对后续开挖过程中围岩的稳定性进行了预测。反分析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。     

拉西瓦工程河谷区高地应力场反演与形成机理

拉西瓦水电工程坝址区为高山峡谷地貌,受地质构造应力、自重、地表剥蚀和河流侵蚀卸荷等多因素影响而赋存有高地应力,河谷区钻孔岩芯饼化与探洞片状剥落现象明显。由于该区地应力场及其空间分布特征与多期地质构造运动及河谷演化历史等因素密切相关,要合理确定其三维地应力分布状况与大小具有较大难度和复杂性。采用多元回归与逐步回归相结合的方法对工程区域初始地应力场进行了详细反演,在此基础上,深入研究了河谷区地应力场的空间分布特征与规律,并就其形成机理开展了多因素影响效应分析,为我国西部强烈地质作用区高地应力研究及水电工程建设提供了具有参考价值的成果和工程案例。