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。     

荒沟蓄能电站地下厂房地应力状态与工程稳定性研究

为了解黑龙江荒沟抽水蓄能电站地下厂房区应力状态 ,在探洞内布置了 4个地应力测点 ,利用空芯包体应力计进行地应力测量。测量结果表明 :最大主应力近于水平 ,最大主应力量值为 9.6MPa ,最大主应力方向为N78°W。根据实测结果对该区应力作用特征进行了分析 ,测量结果与现今区域构造应力场相吻合。在地应力实测和岩石力学性质试验基础上 ,对地下厂房周边应力状态进行了有限元分析 ,为地下厂房轴线的选择提出了建设性意见。     

山西白龙山隧道地应力场分布规律分析

根据静兴高速公路白龙山隧道实测地应力数据,充分考虑地形地貌与构造应力的影响,采取三维有限元数值模拟的方法反演整个工程区的初始地应力场分布规律,结果表明:反演计算结果与实测值吻合较好。通过分析隧道轴线方向上的初始地应力场特征,发现区内存在较高地应力场区域。     

用优势应力分量逼近方法反演分析某水电站地下厂房区地应力状态

本文叙述了应用有限元优势应力分量逼近反演分析地应力场的方法。该方法通过少数点实测应力结果,结合工程地质资料,采用有限元数值模拟分析的方法反演工程区初始应力场。利用该方法并结合某水电站工程的实际情况进行了电站主厂房的地应力场分析,得到了在优势应力分量上与实测值相拟合的工程区剖面最大、最小主应力量值及其方向的分布图,并对工程区整体应力分布状况做了分析与探讨。     

深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

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。     

大伙房水库输水隧洞地应力场特征

为了解大伙房水库输水隧洞地应力场分布对洞室围岩稳定性的影响,采用地质力学方法研究了该区构造形迹特征,阐明了地应力场演化特征,首次将应力场演化划分为4个期次,并结合实测地应力数据建立了工程区地应力场分布模型。结果表明该区是以水平残余构造应力为主的中应力区,最大水平主应力方向为近EW,与洞轴线夹角为39°~46°,对围岩稳定性影响较大。     

大岗山水电站坝区初始地应力场反演分析

针对大岗山水电站坝区V型河谷地形地貌特征,根据地应力实测资料及地质构造条件,考虑边坡浅表全风化、强风化地层以及断层破碎带对坝区初始地应力场的影响,建立了坝区初始地应力场三维回归计算分析模型。通过多元回归三维数值计算,求得地应力最优回归系数,较为准确地反演了大岗山坝区的初始地应力场。计算结果表明,大岗山坝区初始地应力场是一个在浅部以构造应力为主、在深部以自重应力为主、由构造应力和自重应力联合组成的中等偏高的地应力场,研究结果为坝区边坡开挖及长期稳定性分析提供了重要依据。     

苍岭特长公路隧道地应力场反演分析

通过对苍岭隧道工程区地应力场实测值分析基础上,选取可靠、具有代表性的实测点作为反演回归对象,利用三维数值分析手段,结合回归分析原理,获得整个工程区的地应力场分布情况,通过对比分析回归与现场实测值可知：除个别点差异较大外,其余大部分测点拟合程度较好,分布规律大致相同,表明采用应力回归方法的合理性。在此基础上,通过应力场回归方程获取了整个苍岭隧道轴线方向上地应力场展布规律,并根据不同地段最大主应力与隧道轴线方向的夹角对洞室稳定性状况进行了分析,据此建议进一步优化苍岭隧道线位走向,为设计、施工提供了重要的基础性资料。     

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。     

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。     

径向基函数神经网络在地应力场反演中的应用

初始地应力场是地下洞室设计所需的基本指标。基于江边电站引水隧洞沿线区域的地质资料,利用快速拉格朗日分析程序FLAC3D建立了该区域的数值计算模型,使用了随深度变化的侧压力系数以及应力和位移的混合边界条件,通过模拟引水隧洞沿线不同岩性的岩石、断层破碎带和蚀变带进行正分析计算。根据工程现场实测点的主应力数据,基于径向基函数（RBF）神经网络原理,反演了计算区域的岩体力学参数和初始地应力场。其计算结果与实测地应力值基本吻合,满足精度要求,说明反演结果与工程实际相符,所使用的反演方法是合理的。     

紫金山金铜矿初始地应力场反演分析

初始地应力是影响工程边坡、硐室和地基岩体稳定性的重要因素之一,也是工程设计需要的基本指标之一。根据紫金山矿区地应力的实测资料,利用支持向量机和模拟退火算法对初始地应力场进行反演分析,一方面用支持向量机代替有限元计算,提高了计算分析速度;另一方面用模拟退火算法代替传统的优化算法,避免优化过程中目标函数陷入局部极小值而无法继续寻优的状态,提高了反演的效率精度。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,两者在量值和方向上接近,表明该方法较合理地反映了初始地应力场的分布规律,能够满足矿区设计和研究的需要。     

高地应力“强度 & 应力”耦合判据及其分级标准

众多地下工程建设始终处于高地应力环境中,岩体初始应力是地下工程围岩变形破坏的先天条件和主导因素。“高地应力”术语及概念出现和地下工程围岩特殊破坏现象紧密联系,属于工程概念范畴。随着地下工程数量越来越多并逐渐向深部发展,高地应力诱发的围岩破坏现象日益显著,严重影响工程稳定性。现有的高地应力定量分级判据多采用强度应力比值形式,没有充分考虑岩石强度、应力两个指标的绝对值大小和耦合关系。本文在讨论现有分级判据、收集实际工程案例数据以及分析高地应力破坏现象显现过程的基础上,提出了高地应力“强度& 应力”耦合判据及其定量分级标准。高地应力“强度& 应力”耦合判据的表现形式为3条考虑岩石饱和单轴抗压强度R_c以及和初始最大主应力σ₁耦合的边界线,边界线以内的区域为高地应力区、边界线以外的区域为低地应力区。该判据特点是既考虑初始最大主应力、岩石饱和单轴抗压强度的绝对值边界条件,同时也考虑两者耦合区间。研究结果表明:基于二维尺度提出的“强度& 应力”耦合判据,针对86个典型地下工程的高地应力判别结果和工程现场高地应力显现形式完全相符,可以在实际地下工程中推广应用。基于“强度& 应力”耦合判据的高地应力区分级标准能较好地判别围岩破坏现象的剧烈程度,可为工程灾害的预防提供参考。     

断续节理作用的Interface模型及工程应用

断续节理是影响地下洞室围岩稳定的重要因素,要有效反映其影响提出Interface界面模型模拟断续节理的力学效应。以二滩水电工程大型地下洞室群为背景,对主厂房开挖考虑与不考虑断续节理作用进行了多种地应力工况的数值计算与分析,获得了主厂房洞周在断续节理影响下的位移场和塑性区分布规律,为大型地下工程围岩稳定分析提供了有益的参考。     

高地应力定义及其定性定量判据

地应力大小是地下工程设计的基本参数,直接影响工程岩体的力学行为。与高地应力相关的工程问题自20世纪80年代开始受到关注,但迄今未见高地应力的明确定义。国内曾先后提出多种地应力分级方案,但分级结果与工程岩体的实际行为存在一定差距,部分预测为高地应力的工程未出现高地应力现象（如官地地下厂房）,而预测为低地应力的工程（如二滩地下厂房）却出现严重的岩爆等高地应力现象。针对此问题,在国内常用地应力分级方案基础上,讨论了影响地应力分级的主要因素,将高地应力划分为初始高地应力与诱发高地应力两类。诱发高地应力是洞室群效应产生的高二次应力与爆破开挖动力扰动单独或联合作用的结果;给出了高地应力的明确定义,即量值足以导致结构体或岩块破坏的地应力,并在前人研究成果的基础上提出了定性判据;重新定义强度应力比为岩石干燥单轴抗压强度与实测最大主应力之比,建议了新的地应力分级方案（定量判据）。25个工程实例证明,建议方案的吻合率远高于国内常用地应力分级方案。建议方案的级差大致与CD Martin等1999年的建议方案相当。     

南水北调西线工程坝区初始地应力场反演分析

依据南水北调西线工程阿达坝区工程地质条件以及实测地应力资料,采用多元线性回归分析理论以及FLAC3D计算程序,对建立的坝区三维地质概化模型进行计算,求出最优回归系数。对比回归计算值与现场实测值发现,二者量值相当且方向上接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得坝区较为准确的初始地应力场分布规律。进一步分析结果表明,(1) 谷底应力集中现象明显,应力集中区的垂直深度达80 m,应力峰值约为15 MPa;(2) 相距仅350 m 左右的两个钻孔,其最大水平主应力方向差异较大,反映出河谷区地形地貌对岩体应力方向强烈的控制作用;(3) 坝区为中等地应力区,在浅部以构造应力为主,随着埋深的增加,自重应力场控制作用逐渐增强。研究成果可为坝址及引水隧洞轴线布置的设计与施工提供重要依据。     

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。     

某交通线路色季拉山隧道高地应力岩爆风险定量预测研究

岩爆是在高地应力区域中进行地下隧道建设时所面对的主要风险之一,具有突发性、高危害性等特点。实现岩爆的破坏程度定量化预测,对高地应力区域地下工程的设计与施工具有重要的指导意义。本文通过收集大量国内外典型岩爆隧道的特征参数并进行统计分析,建立了一种能够预测最大爆坑深度的岩爆风险量化预测模型,同时结合室内力学试验、岩体强度损伤准则和地应力场多元线性回归反演等理论和方法,对新建某交通线路色季拉山隧道岩爆风险进行了定量化预测,并与国内巴玉隧道岩爆风险进行相似工程案例对比分析。得出以下结论:(1)本文根据岩爆隧道应力强度比与爆坑深度之间线性统计关系所建立的岩爆预测模型,可实现岩爆风险的量化预测及评估。(2)色季拉山隧道地应力场受构造作用控制明显,同时,全线地应力普遍较高,加之隧道沿线硬岩段落占比大且岩爆倾向性高,高地应力岩爆风险突出。(3)预测色季拉山隧道中等以上等级岩爆风险段落可达12 188 m,占隧道全长的32.1%,岩爆将主要发生在弱风化花岗岩、闪长岩以及埋深较大的片麻岩段落中。(4)色季拉山隧道预测最大爆坑深度为3.42 m,小于已贯通的巴玉隧道实测最大爆坑深度(3.5 m),在合理的防控措施下可认为色季拉山隧道的岩爆风险总体可控。