高地应力环境下坚硬岩体河床坝基开挖的变形破坏机理研究

小湾水电站坝基岩体在开挖过程中,暴露出一系列的变形破坏现象,主要表现为板裂、表面岩爆、沿已有裂隙张开、扩展和错动等。在对上述变形现象分析的基础上,研究了高应力环境下坝基岩体开挖的地质力学响应,发现:河床坝基岩体在开挖过程中所表现出的变形主要集中在坝基浅表,且具有时效性。根据变形破坏现象分析和变形响应研究,对高地应力环境下坚硬岩体河床坝基开挖的变形破坏机理有了新的认识,是河谷下切和开挖卸荷过程中的应力重分布造成的浅表生改造的结果。最终,将河床坝基岩体的变形破坏归纳为压致拉裂卸荷回弹模式,且以压致拉裂为主。     

高地应力条件下边坡岩体卸荷变形的两种表现形式研究室

本文简要介绍了高地应力地区水电高边坡工程中人们十分关注的两个工程地质与岩石力学问题：锦屏一级水电站边坡大范围岩体卸荷松动和小湾导致坝基(肩)岩体开挖快速卸荷问题。作者认为锦屏一级水电站左岸边坡大范围松动变形仍然是自重和构造复合应力场卸荷作用的结果,边坡的规模大、坡度陡,以及高水平构造应力是导致大范围卸荷松动变形的重要因素;小湾电站坝基(肩)岩体开挖过程中出现的坚硬完整岩体板裂、拱裂和葱剥皮等一系列新破裂现象是在高地应力作用下,由于开挖导致垂直坡面应力卸荷,增大边坡表面岩体主应力差和剪应力而引起的快速破裂行为,并通过破裂完成了顺坡面的最大主应力的卸荷,卸荷破裂主要集中在开挖面附近5～6m深度范围内。     

卸荷条件下三峡地下厂房大型联合块体稳定性的三维数值模拟分析

块体稳定性分析一般采用只考虑重力条件下的刚体极限平衡方法来进行计算,而没有考虑开挖卸荷后块体的二次应力场对块体的稳定性的影响。文中按照实际施工工序,对三峡地下电站主厂房的两大型顶拱边墙联合块体进行三维数值模拟分析。分析结果表明:块体的顶拱部分在开挖过程中垂直厂房轴线的水平方向始终为受压状态且压应力随开挖过程逐渐增大(其很难沿结构面“爬坡”失稳,因此对结构面的起伏度进行了研究,并统计确定了其在结构面强度参数中的贡献),而垂直应力在顶拱开挖结束时卸荷基本结束,变形相对较小,沿滑面向开挖区滑移;块体的边墙部分在两个方向均表现为卸荷,特别是垂直厂房轴线的水平方向卸荷明显,在其表部甚至出现拉应力区,变形以向开挖区水平变形为主,水平方向变形量为竖向变形量的7～9倍,且总变形量较顶拱部分大得多,因此块体边墙部分在失稳前并非沿块体滑面滑移,而是向开挖区水平卸荷回弹为主。基于数值模拟结果,对块体的可能失稳的变形规律和应力分布特征进行了分析,并且提出了块体稳定度的概念,从而对其稳定性作出相应的评价。     

开挖卸荷状态下深基坑变形特性研究

深基坑开挖时因为卸荷作用会引起土体强度一定程度的降低,土体强度的降低会引起支护结构上土压力的变化,利用卸荷前土体强度指标进行土压力计算势必会小于实际情况,从而导致土体及支护结构变形计算值与实测值有一定的偏差。在深基坑开挖时,仅采用施工监测等手段进行事中控制是不够的,必须预先对变形值的发展规律做出模拟和预测。为探索深基坑开挖时,卸荷作用对基底土体和侧向土体强度特性和变形特性的影响规律,结合天津富力响锣湾大型基坑开挖,对开挖过程中土体基底回弹情况、支护结构以及周边土体的变形情况进行了全过程监测,利用试验结果数据计算出天津市富力响锣湾大型基坑开挖项目的卸荷强度参数,为后续数值模拟计算参数的选取提供了依据;利用ABAQUS有限元软件建立了三维数值模型,分别采用原状土的强度参数和卸荷参数对开挖过程中土体基底回弹、支护结构以及周边土体的变形情况进行了模拟,研究了两种情况下土体基底回弹、支护结构以及周边土体的变形规律,并将有限元模拟结果与监测结果进行了对比。研究发现,本工程土体卸荷后的扰动区在基底以下3～4 m范围,强度折减可达到20%～35%,根据卸荷比确定了周边土体强度折减为10%～15%;有限元模拟结果与实测值基本一致。通过分析可以看到,考虑基坑开挖卸荷作用是符合工程实际情况的,因此,建议在深基坑开挖设计时考虑土体的卸荷效应。该分析方法可为同类深基坑设计提供参考。     

高地应力区砂岩在卸荷条件下的变形参数劣化试验研究

以锦屏某高边坡砂岩所赋存的高地应力环境为基础,开展峰前卸围压力学特性试验,研究了应力-应变全过程曲线、变形特征及参数劣化效应。试验结果表明,相对于加载试验,岩样卸荷破坏表现出明显的脆性特征,相同初始围压下卸荷破坏所需偏应力较加载试验少;卸荷过程横向应变和体积应变急剧增大,卸荷方向表现出明显的扩容特征;当初始围压小于某一值（30 MPa）,岩样破坏所需卸荷量随初始围压增大而增大,当初始围压达到一定值（40 MPa时）,脆性特征更加明显,很少的卸荷量即可引起岩样破坏。以表征岩石卸荷程度的卸荷量H为参变量,分别对高、低围压下卸荷过程中变形参数（变形模量和泊松比）随卸荷量变化关系进行拟合,得到高、低地应力区卸荷过程中变形劣化参数的关系式。试验结果和计算方法对高应力区边坡开挖的稳定性评价具有一定指导意义。     

西南某电站河床坝基开挖卸荷条件下变形破坏的数值分析

西南某电站河床坝基开挖过程中,在河床底部出现大量表征岩体卸荷的变形破坏现象。开挖卸荷深度与卸荷强度成为大坝建设及其长期稳定性的关键问题。采用三维有限差分程序FLAC3D,分析开挖卸荷条件下坝基岩体变形破坏特征。结合现场卸荷裂隙现象调查资料,综合确定出所研究的河床坝基开挖卸荷影响深度及强度。为坝基综合治理提供必要的参考信息,也为今后此类中等地应力边坡开挖卸荷分析储备可以借鉴的资料。     

乌东德水电站地下厂房层状岩体稳定性及变形机制

乌东德水电站右岸地下厂房洞室群密集、开挖规模大、地质条件复杂,开挖期间变形破坏问题突出。在地应力实测资料、工程地质特性、开挖过程分析的基础上,利用离散元程序对右岸地下厂房开挖过程进行数值模拟,再现不同模型的应力场、位移场演化过程,分析陡倾角层面对于主厂房变形的影响作用。同时,构建高精度微震监测系统,对开挖诱发的微震活动实时在线监测;分析微震事件聚集规律、S波及P波能量比值Es /Ep分布特征,识别和圈定潜在风险区域,揭示围岩变形机制。微震监测与数值模拟结果表明：在开挖卸荷作用下,陡倾角层面附近岩石破裂,微震事件聚集,能量释放,引起围岩变形破坏。围岩以结构面控制的应力驱动型张拉破坏为主,并伴随少量重力驱动型变形。该研究结果为乌东德水电站地下厂房的开挖和支护设计方案提供重要依据。     

基于地质体的地下厂房开挖变形插值方法

为了快速地获取施工过程中地下厂房区域的变形分布,在利用建立的三维地质模型的基础上,根据设计资料在地质模型中加入地下厂房模型和监测仪器模型,并根据设计资料的特征,设计了一套三维监测仪器图例,提出了基于设计资料快速加入仪器模型的方法。根据建立好的地质体地下厂房监测模型,进一步结合了基于监测仪器、三维地层、结构面的三维空间位置分布情况,充分利用监测仪器监测到的变形数据,进行了地下厂房变形分布的方法研究。根据监测仪器、地层和结构面的空间信息,改进了Shepard（谢别德）插值方法,使得变形分布插值更加趋近于真实。针对糯扎渡地下厂房工程实例,检验了方法的可行性。     

考虑岩体劣化的大型地下厂房围岩变形动态监测预警方法研究

针对大型地下厂房洞室开挖后围岩力学参数发生劣化的事实,以及大型地下厂房允许变形无相关规范参考的缺陷,在分析地下厂房围岩失稳机制基础之上,基于强度折减法思想,提出大型地下厂房围岩劣化折减计算方法,建立围岩变形的动态预警路线体系。该体系应用屈服接近度指标确定围岩的劣化区域,折减劣化区域内的变形模量、凝聚力及抗拉强度值,在折减计算过程中依据围岩的变形、劣化区体积、释放能量三者之一发生突变作为围岩失稳判据,获得围岩失稳的变形预警值,并与现场变形监测值对比分析,从而实现围岩稳定状况的快速判别。地下厂房实例分析表明,该方法可为洞室稳定性判断提供定量依据,较好地满足了地下工程建设需要。     

开挖卸荷对下卧初支隧道的纵向变形的影响研究

结合目前已有的分析方法,对下卧初支隧道的纵向变形进行了施工前的预测,并获得了不同的结果。但现场的监控量测证明了开挖卸荷导致下卧既有初支隧道的纵向变形出现了不同的时空分布规律,并印证了时空效应对下卧初支隧道纵向变形的影响是不容忽视的。基坑开挖卸荷的速度和方式是直接影响既有隧道纵向变形的关键因素之一。通过对下卧隧道纵向变形的实测数据分析研究,总结了实例工程的经验和教训,为今后的类似工程提供了参考。     

深部岩体地应力瞬态卸载诱发振动效应的影响因素

针对深埋隧洞爆破开挖振动控制,以瀑布沟水电站2#引水隧洞爆破开挖为工程背景,讨论了地应力瞬态卸荷诱发振动特征及影响因素,并结合实测数据采用数值模拟的方法进行了验证分析。研究发现：中、高地应力条件下开挖面初始应力的瞬间释放诱发的振动是爆破开挖诱发振动的重要组成部分;当波阻抗一定时,开挖面初始应力动态卸荷诱发振动由地应力水平、开挖面初始应力、开挖面面积和振动衰减指数共同决定,动态卸荷诱发振动最强段发生在开挖面的初始应力和开挖面面积综合效应最大的位置;深埋隧洞爆破开挖振动的强度是由爆炸荷载和开挖面初始应力动态卸荷效应共同决定的,减小炮孔排距和进尺、采用较小洞径和分部开挖能有效降低地应力瞬态卸荷效应强度,控制深埋隧洞的爆破振动强度。     

高地应力卸荷条件下错动带塑性变形规律与硬化特征

为阐明高地应力地下工程开挖卸荷条件下错动带变形破坏的塑性规律与硬化特征,通过一系列不同围压、不同加卸荷应力路径下的三轴试验,着重研究了不同加卸荷应力路径下的错动带塑性变形规律;基于试验结果,在应力空间进一步探究了等效塑性功、等效塑性应变、塑性体应变等内变量作为硬化参数的应力路径相关性,并提出应力路径无关的硬化参量修正公式。研究结果表明:(1)高地应力下错动带的变形力学特性存在着明显的应力路径效应,在相同卸荷应力路径下,高围压会抑制错动带试样环向塑性变形的发展;在相同初始围压下,卸轴压卸围压应力路径下错动带试样的塑性体积残余应变(6%)明显大于其余卸荷应力路径(2%~4%);不同应力路径对错动带塑性体积变形的促进作用为卸轴压卸围压应力路径>恒轴压卸围压应力路径>增轴压卸围压应力路径;(2)错动带在不同卸荷路径变形破坏过程中,其塑性体应变、等效塑性应变、等效塑性功等内变量均存在一定的应力路径相关性,因而在错动带的弹塑性分析中,直接将以上任何一个状态参量作为其硬化参数并假定其与应力路径无关是不准确的。为此,提出等效塑性功修正方法,发现当修正等效塑性功公式中反映错动带材料特性的参数n_s=-0.4时,修正等效塑性功具有明显的应力路径无关性,更适宜作为高地应力卸荷条件下错动带的硬化参数来描述其卸荷塑性应变硬化特征。揭示的错动带塑性力学特性可进一步深化高地应力卸荷条件下错动带的变形破坏认识,为实际工程中错动带的破坏机制分析和支护控制提供理论依据。     

大型地下厂房施工期围岩变形监测成果分析

地下工程监测是工程动态设计和信息化施工的重要基础,监测成果全面、准确、及时的总结和分析上报更是其中重要的环节。乌江彭水电站地下厂房开挖尺寸大、地质条件复杂、开挖周期长、施工扰动大,为保证施工期和运行期的安全,在地下厂房区布置了大量的监测仪器,对厂房施工期围岩的变形性态与稳定性实施跟踪监测。通过监测成果分析表明：主厂房围岩总体上是稳定的,设计支护措施可以提高围岩的自稳能力,保障厂房开挖的稳定。但是受地质条件和爆破施工影响,局部围岩特别是下游边墙页岩部位岩体稳定性问题突出。     

大型地下厂房区域地应力场多源信息融合分析方法及工程应用

复杂地质条件下大型地下厂房区域地应力场的影响因素众多,且关系极为复杂,合理的地应力场分析和评价需要工程现场多源信息的综合研究。鉴于此,提出了大型地下厂房区域地应力场多源信息融合分析方法和思路,其典型特征为“基础信息融合-特征信息识别-决策反馈信息融合”3种层次的递进反馈式信息融合分析。依据这一方法和思路,探讨了官地水电站地下厂房区域的地应力场特征及其分布规律。分析认为,与现场开挖过程中所呈现的围岩卸荷破坏信息、监测信息、数值模拟信息以及实测地应力信息对比,均显示了所获得的工程区域初始地应力场是合理的。应用研究表明,所提出的地应力场多源信息融合分析方法是科学的和可行的,其成果为大型地下厂房动态优化设计和信息化施工过程中一系列关键问题提供了决策依据。     

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。