澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的FLAC3D分析

在岩体结构模型概化的基础上,采用FLAC3D数值分析方法,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

澜沧江某电站左岸地下洞室群围岩稳定性的三维数值模拟

在岩体结构模型概化的基础上 ,采用三维有限元数值分析方法 ,系统研究了澜沧江某大型水电站大跨度、高边墙地下洞室群开挖完成后围岩的二次应力场、变形场和塑性破坏区的变化特征。总结了地下洞室群围岩应力、变形和破坏区的分布特征和变化规律 ,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了基础资料和参考依据。     

大岗山水电站地下厂房洞室群变形稳定性分析

在岩体质量综合分级和岩体结构模型概化的基础上,运用有限元系统研究了大渡河大岗山水电站地下厂房洞室群开挖完成后围岩的应力场、变形场和塑性破坏区的分布和变化特征。洞室开挖后,在其周围的角顶部位均出现不同程度的应力集中,洞室周边均存在塑性区,以拉张破坏为主,建议开挖的同时采取适当的支护措施,为洞室群稳定性评价和工程施工设计提供了依据。     

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。     

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。     

变径洞室超前支护开挖模拟与分析

变径洞室开挖稳定性是地下工程重要的研究课题之一。尤其在围岩软弱的情况下,从小截面向大截面洞室开挖的过程中,会给施工带来很多安全方面的难题。通过有限差分数值分析方法研究了变径洞室的开挖稳定性,分析了拱部小导管超前注浆支护与非超前支护两种施工方法对工程的影响。计算结果表明,由小截面向大截面洞室开挖,不稳定性因素增加,超前小导管注浆支护能够显著提高围岩的稳定性,明显减少了洞室的变形和塑性区,避免了软弱围岩开挖中塌方现象的产生。研究成果对洞室施工具有指导意义。     

水平薄层岩体中大跨度地下洞室工程地质研究

山西西龙池抽水蓄能电站地下厂房围岩为水平薄层岩层,工程竣工发电已多年,施工及运行期安全,但工程开工前,还没有在水平薄层岩体中开挖大跨度高边墙地下洞室的成功范例,鉴于此,以山西西龙池抽水蓄能电站工程为依托,从工程地质角度,对水平薄层围岩岩性特征、岩体结构特征、岩体力学特性、大跨度高边墙地下洞室围岩分类、围岩变形特征等方面进行了研究,依据研究成果,对洞室开挖支护施工、围岩变形监测等进行了分析,依据围岩变形监测成果对围岩力学参数进行了反演,验证了前期勘察成果,取得了在水平薄层状地质环境中开挖大型地下洞室的宝贵经验,进而为在水平薄层状地质体中修建大跨度、高边墙地下洞室提供了更多的技术支持,对此类不良地质条件下大型地下洞室群建设具有重要的指导意义。     

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     

葡萄山公路隧道通风机房洞室群施工力学分析

在长大隧道施工过程中,通风机房洞室群的施工是整个隧道施工过程的关键。本文借助ANSYS通用软件,结合葡萄山特长公路隧道通风机房洞室群开挖施工过程,建立了基于D-P准则的非线性三维有限元分析模型,对通风机房洞室群在施工过程中围岩的稳定性进行了研究。以应力和位移变化最为明显的送风通道轴线剖切模型所得到的断面为例,分析了施工步的变化及各支洞的开挖对主隧道位移、应力和塑形区的影响,并与隧道监控量测资料进行了对比分析,得到了计算位移与监测资料比较一致的结论,为隧道通风机房洞室群优化设计和安全施工提供了依据。     

岩体质量对地下工程开挖效应的影响研究

以西北某大型水电站地下厂房洞室群为例．在地质调查的基础上,对洞室群围岩岩体质量进行了分析评价。而后,运用数值模拟手段研究了岩体质量不同时．洞室群开挖效应——二次应力场、位移场和破坏区的差异．较全面地讨论了岩体质量对洞室群开挖效应的影响。     

大型地下储油洞粘弹性稳定性分析

在大型地下岩洞中储油是世界各国石油战略储备的重要方式之一。随着我国石油进口量的不断增加,建造大型地下储油洞库无疑是一种综合经济效益良好的方案。针对大型地下水封储油岩洞库的工程特点,利用数值模拟方法对储库洞群中各洞室的开挖施工顺序进行了仿真模拟计算。通过对3种可能的施工方案所引起的地表变形、洞周关键位置的变形以及应力场和位移场的分布规律对比分析,比选出了洞群中各洞室较优的开挖先后顺序。对筛选出的较优方案进行了施工过程与粘弹性稳定性分析模拟,给出了考虑岩体流变特性时油库的变形规律特点,并对大型地下油库的强度及长期稳定性进行了分析评价,所得结论对地下储油库的开挖施工有一定的参考价值。     

水电站地下洞室群分步开挖的非连续变形分析

利用大岗山水电站的地质勘探资料建立不同贯穿节理组合下地下洞室群的DDA模型,分析了洞室群开挖的破坏模式,并简单阐述其破坏机制。基于Monte-Carlo方法模拟节理的随机分布,结合大岗山水电站的开挖设计方案,对地下洞室群在分步开挖过程中的位移及应力演化进行研究。研究表明：洞室群开挖完成后,洞周块体的位移均指向洞内,尾调室上下游与主厂房上游的变形较大;洞周块体的大主应力均平行于洞室边界线,尾调室的应力释放比较明显,其边墙块体发生了滑移;洞室群在开挖过程中互相影响,其中主变室受主厂房和尾调室的影响比较明显。研究结果指出了洞室群开挖过程中需要关注和加固的具体部位,为工程支护措施的优化提供了依据。     

海岛环境下地下水封油库海水入侵数值模拟研究

海水入侵是影响海岛地下水封油库施工及运营安全的重要因素。海岛环境下建设地下水封油库,大规模的地下开挖将显著改变海岛天然地下水渗流场,海水入侵地下洞室一方面引发突水风险,另一方面海水中的氯离子将会对地下洞库结构设施造成侵蚀,影响地下油库的使用寿命。因此在海岛环境下建造地下水封油库,除了需要考虑水封可靠性与岩体稳定性外,还需要关注海水入侵等现象。科学设置水幕系统可以有效地减弱海水入侵风险,论文基于污染质运移相关理论,采用有限元数值模拟方法,以拟建浙江省舟山市某海岛大型地下水封油库为例,模拟了地下油库建造及运营期的海水入侵现象,研究表明:若不设置淡水水幕系统,开挖地下洞室会直接导致海水入侵;设置水平水幕后在确保水封可靠性的前提下,能在一定程度上减弱海水入侵;而设置垂直水幕系统则能较为明显地抑制海水入侵的发生。该成果为海岛环境下建造地下水封油库可能遇到的海水入侵问题研究提供了理论依据。     

Analysis of the behavior of large underground oil storage caverns in salt rock

The storage of petroleum products above ground surface has many constraints and limitations. A viable alternative is to excavate large underground spaces in rock to provide a safer way for oil storage. Soft rock formations such as salt domes provide suitable conditions from environmental and operational aspects. The potential for high volume storage and low permeability are among advantages of oil storage in caverns excavated in salt rocks. The complicated shape of oil storage caverns, complex behavior of salt rock, and boundary conditions associated with large underground openings are major challenges in the design of salt caverns excavated for oil storage purposes. In this study, the deformation mechanism and stability of salt caverns were investigated. A comprehensive 3D numerical study was carried out to investigate the effects of cavern size and depth, salt rock deformation modulus, and ground in‐situ stress regime on the behavior of large salt caverns. The stress field and deformation mechanisms were studied numerically aiming at shedding lights into the design aspects of salt caverns for oil storage. The analysis results show that the cavern safety factor is reduced as a function of cavern depth and storage volume. Also, with decrease in k (ratio of horizontal to vertical in‐situ stress), the stability of salt caverns will increase; however, with increase in salt rock young modulus, the sensitivity of cavern stability to k ratio is reduced. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.     

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明：数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。     

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。     

浙江大型古地下工程洞室群的科学研究与启示

作者近20年来在中国浙江省发现多处大型古地下工程洞室群,包括3 000余个古洞室。通过现场调查发现,在这些古洞室群中,既有迄今为止所发现的最大跨度为92 m的天台县黑洞大型古地下采石场洞室,又有最大高度为99 m的长屿硐天水云硐古地下采石场洞室,还有洞壁刻凿最为华丽的龙游石窟古地下洞室。这些洞室均具有共同的特点:始采于几百年-几千年,即均保持了上千年的稳定;它们又具有各自独特的结构:斜墙、鱼尾形柱托、斜顶、穹顶、肋形仰拱,洞间隔墙,洞间水平隔板等等。研究表明,这些独特的结构均对洞室的长期稳定起到了至关重要的作用;除此之外,在这些古地下洞室群中还发现了古人高超的测量技术、开凿技术和防水技术等。这些保持了上千年稳定的无支护大跨度人工洞室群,对现代岩石力学有着诸多启示。然而,随着对这些洞室群的发现及旅游开发,各种破坏现象已经产生,严重威胁着这些古工程遗迹的稳定和安全,同时也对如何开展大跨度人工洞室群的长期保护提出了新课题和新挑战。     

Investigating the effects of lateral stress to vertical stress ratios and caverns shape on the cavern stability and sidewall displacements

Effects of lateral stress to vertical stress ratio on behavior of a cavern in various geomechanical and geometrical conditions were studied. Results indicated that the range of one to two lateral stress to vertical stress ratios was the best condition for cavern stability. The ranges causing tension and compressive failure were specified as well. Two-dimensional stability analyses were carried out by using Phase². Key point location on the cavern side wall was investigated and determined using an equation based on a large number of numerical analyses. Subsequently, in order to predict the elasto-plastic displacement and elastic displacement on a side wall key point, two equations were fitted based on various cavern cross sections considering four basic factors, i.e., rock deformation modulus, overburden depth of caverns, heights of the caverns, and the lateral stress to vertical stress ratio. The proposed equations were utilized to predict displacement at the key points of 10 projects subsequent to which the computation results were compared to in-site measuring results and back analysis results. Finally, using key point displacement as a stability factor, the effects of three different shapes of caverns including mushroom, horse shoe, and elliptical were investigated on cavern stability. The most optimum shape was elliptical in a vast range of lateral stress to vertical stress ratios; mushroom and horse shoe shapes were preferred in uniaxial stress fields concerning the rock quality.     

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。     

基于厚壁筒三维解析模型的深部洞室围岩分区破裂化机制研究

为研究深部洞室围岩的分区破裂化机制,建立了厚壁筒三维线弹性解析模型。逐步减小厚壁筒均布内压,模拟洞室静力开挖。逐步增加厚壁筒轴向均布压力,模拟洞室开挖导致洞室轴向应力集中。逐步增加厚壁筒外周非均布压力系数,模拟洞室开挖导致洞室水平应力的重分布和集中效应。根据弹性力学知识和边界条件,确定洞室开挖引起的弹性应力场、应变场及位移场。从拉压域、应变梯度及径向压拉蓄能等3个方面入手,分别研究了内压静力卸荷、水平应力重分布、围压均匀部分及轴压对深部洞室围岩分区破裂的作用机制。结果表明：径向弹性拉伸能和径向弹性压缩能的相对变化反映了围岩能量释放速率和释放量。水平应力重分布和轴压是围岩出现分区破裂现象的主要因素,但两者作用机制不同。该模型可为研究高地应力深部洞室围岩破坏提供一个较统一的理论工具,也为深部工程设计提供了理论依据。