光纤位移传感器在盐岩地下储气库群模型试验中的应用

为了研究盐岩地下储气库群运行过程中注采气压变化对洞周围岩变形的影响,设计开发了一种基于光纤布拉格光栅技术的棒式光纤位移传感器,并将其成功应用在盐岩地下储气库群模型试验的位移监测中。试验结果表明,注采气压速率是影响盐岩储气库运营安全的重要因素。采气过程中洞周出现径向收敛位移,该位移随采气速率和时间的增加而增加;注气过程中洞周出现扩张位移,该位移随注气速率和时间的增加而增加。空间上,气压变化对洞腔腰部位移影响最大。为了保证储气库运行安全,应控制注采气速率。针对所研究工程原型,建议储气库的最大采气速率应小于0.65 MPa/d,最大注气速率应小于0.75 MPa/d。     

光纤布拉格光栅在季节冻土路基应变检测中的应用

介绍了现行光纤布拉格光栅（FBG）测试技术的应用领域、传感原理以及常用的封装方式,探索将FBG用于季节冻土路基这种隐蔽工程应变检测中的适应性。主要工作有：（1）基于FBG测试技术的植入梁方法,在传感器布设方面,根据不同测试对象提出了两种封装布设方式：浅置短距离半柔性探测杆和深置长距离半刚性探测杆两种封装布设方式;（2）针对现场测试需要,对电源、光纤传感器、数据采集及分析等整套现场测试系统进行了比较优选;（3）选择两处季节冻土路基作为埋设场地并开展为期1 a的观测。测试结果表明：FBG在-20～30 ℃的温差范围内保证了很高的存活率,所提出并实现的季节冻土路基应变测试系统具有较高的测试灵敏度和可靠性。该套测试系统为隐蔽工程的物理性质指标测试提供了新的技术手段。     

洞群模型试验中微型多点位移计的设计及应用

地质力学模型试验是研究大型地下洞室群围岩稳定性状况的重要方法,但是,许多制约因素使得这类试验难以达到预期效果,其中包括试验过程中物理量的量测问题。以双江口水电站地下洞群稳定性为研究对象,开展了模型试验为准确量测三维应力状态下洞群模型试验中围岩内部的微小位移,设计、制作和安装了高精度微型多点位移计,获得了围岩在开挖全过程中的位移变化规律曲线,同时,还开展了与模型试验相对应的数值模拟。将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。研究结果表明,设计成功的微型多点位移计能够广泛应用在各类岩土工程模型试验之中。     

微型FBG土压力传感器的优化设计及其模型试验应用研究

本文针对地质力学模型试验,特别是针对含水地质结构的模型试验中土压力测量的不足,利用光纤光栅体积小、易封装、防水抗腐蚀、防电磁干扰等特点,基于短栅距光纤布拉光栅(Fiber Bragg Grating, FBG)设计了适用于地质力学模型试验的微型FBG土压力传感器。采用有限元力学仿真对传感器的膜片尺寸、传感器厚径比进行优化,得到传感器在0~1MPa土压力测量范围内,直径20mm、高度为0.2mm的圆平膜片灵敏度高且不易造成FBG光谱畸变,厚径比为0.16(H:4mm/D:25mm)的传感器测量结果更可靠且对被测岩土介质影响较小。标定试验表明,传感器在0~1MPa压力范围内具有很好的重复性与一致性。将该传感器应用于海底隧道模型试验,监测隧道开挖过程的围岩应力释放规律,该传感器很好地监测了隧道从迅速失稳到逐渐稳定的变化过程,从而证明了设计的微型FBG应用于模型试验的可行性。     

FBG-BOTDA联合感测管桩击入土层模型试验研究

管桩施工过程中常出现桩身裂缝、爆桩等病害。将具有实时动态监测功能的布拉格光纤光栅（FBG）准分布式光纤传感监测技术和具有分布式监测功能的布里渊散射光时域分析技术（BOTDA）联合应用到管桩打入过程中的监测,提出了分布式光纤传感技术数据处理方法,设计了管桩打入过程的模型试验。试验结果表明,FBG传感技术能够较好地动态监测打入过程中桩身应变变化特征,反映桩身不同部位随不同深度应变变化规律;BOTDA分布式光纤传感技术能够较好地监测管桩在打入过程中暂停（接管）状态下桩身应变变化特征;根据应变变化分析管桩受偏心荷载程度,分析管桩是否出现裂缝、破坏等病害,研究管桩打入过程中桩土作用规律。试验结果还表明,FBG联合BOTDA光纤监测技术在管桩打入过程中监测管桩质量具有广阔的技术优势和应用前景。     

双江口工程地下洞室群围岩损伤及稳定性研究

对四川省双江口水电站工程的地下洞群的节理岩体围岩稳定性进行研究,分别采用了弹塑性模型、节理岩体断裂损伤模型进行数值分析。在弹塑性模型中,采用锚固等效法来模拟锚杆及锚索的支护效果。断裂损伤模型以损伤及断裂力学原理为基础,运用损伤本构模型和损伤演化方程在FLAC3D软件的框架下开发出子程序,考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,进而得到用上述的模型和计算程序分析出的围岩塑性区、损伤演化区和位移规律。将两种模型的计算结果与相应工程模型试验的结果进行了比较分析。研究结果表明,损伤模型更接近工程实际情况,与模型试验结果更为接近     

地质力学磁力模型试验原理及其在工程中的应用

地质力学磁力模型试验借鉴土工离心模型试验中利用离心力模拟重力的思想。在均匀梯度磁场中,掺有铁磁材料的相似材料会受到均匀的磁力作用,由此可以利用均匀的磁力场模拟重力场。根据电磁学基本原理和磁路设计原理,设计并制造了一台2 000匝线圈的均匀梯度磁场发生装置。该装置在220 V电压情况下,能够产生0～16 A电流,在1.2 m×1.2 m×1.0 m试验空间内,可将磁性相似材料的重度提高10～30倍。以锦屏一级电站左岸高陡边坡为例,进行地质力学磁力模型试验。试验结果表明,在一定的电流作用下,可以使模型所受体力的提高倍数达到相似比的要求,并与数值模拟结果进行了对比,试验结果与计算结果基本一致。在增加通电电流时,试验设备可以模拟边坡的超载过程,进而可以求出边坡的超载安全系数。     

浙江龙游牛场古地下洞室群1号洞顶板长期抗拉强度估算

根据牛场古地下洞室群1号洞顶板的拉裂现象,利用Ansys 建立与牛场古地下洞室群初始及边界条件相符的模型,通过FLAC-3D计算获得拉裂缝所在单元垂直裂缝方向的拉应力范围,即0.037~0.469 MPa。由于顶板拉裂缝是经过长期变形而产生的,结合材料力学第一强度理论,该范围可以作为牛场古地下洞室群1号洞顶板围岩的长期抗拉强度。     

高地应力大型地下洞群围岩变形破坏响应特征分析

我国西南地区的水电工程多拥有尺寸规模庞大的地下厂房洞室群,受高地应力及复杂地质条件影响,洞群施工期间围岩变形破坏问题十分突出。文章以白鹤滩水电站右岸地下洞室群为工程案例,基于多点变位计连续监测成果,从量值、空间分布和时间演化3个方面分析了主副厂房围岩变形响应规律。并基于现场调查情况,对地下洞群施工期多种围岩破坏现象的响应特征进行了分析。最后结合初始地应力状态、岩体特性等影响因素,对上述围岩变形破坏的作用机制进行了探讨。研究结果表明,厂区方向与厂房轴线近似垂直的第二主应力对厂房应力调整起控制作用,开挖后在厂房上游拱肩和下游墙脚处产生应力集中,应力集中区内发生片帮、围岩破裂及喷护混凝土开裂等应力主导型破坏;高地应力环境下开挖使围岩强烈卸荷,导致厂房围岩变形整体较大并具有时间效应,拱圈及边墙局部围岩变形随开挖持续增长、收敛性较差。     

分布式光纤传感技术在滑坡监测中的应用

将分布式光纤传感技术引入滑坡监测,既可得到整个滑坡体的概要特征,又能提高监测效率。FBG与BOTDR是两种最具代表性的分布式光纤传感技术,FBG通过测量其反射光波长的变化获得应变或温度值。BOTDR通过测定后向布里渊散射光的频移实现分布式温度、应变测量。FBG传感器灵敏度高,但只能实现离散点的准分布式测量,BOTDR可实现分布式、长距离、不间断测量,但其空间分辨率不高。笔者提出FBG与BOTDR联合监测滑坡的方案。在巫山残联滑坡,在整个滑坡体上铺设监测光纤,利用BOTDR获得整个滑坡体的概要信息;在滑坡体变形的关键部位———变形缝安装FBG传感器,获得某些关键部位的应变信息,从而实现由点到线再到面的监测,获得滑坡体较完整的应变信息。     

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.     

光纤Bragg光栅传感技术在隧道模型试验中应用

在模型试验中,锚杆一般尺寸较小,应变监测较为困难,可将光纤Bragg传感技术（FBG）应用于隧道模型试验中解决该问题。基于西安地铁二号线4个典型断面实际工况进行隧道模型试验,将自行设计封装的光纤Bragg光栅传感器粘贴在锚杆模型表面,监测其在不同应力状态下的应变。根据隧道开挖前、隧道开挖后、衬砌支护后、抗裂极限状态和极限破坏状态5个应力状态的实测数据,得到锚杆轴力在隧道受力过程中的变化规律。试验结果表明,锚杆受力大小在隧道开挖前后有一定变化。衬砌支护后,随围岩压力增加,锚杆轴力基本呈增加趋势,拱顶附近锚杆承受压力,支护后压力变化不大;拱肩到墙角的锚杆承受拉力,衬砌支护后受力开始增加;锚杆在含水率大的黄土隧道中受力较大,更能发挥其作用。文中方法在模型试验中的应变监测方面提出新的可靠途径。     

大型地下水封石油洞库渗流场时空演化特征研究

地下水封石油洞库是利用饱水岩体密封性进行石油储存的方式。在地下水封石油洞库的建设中,由于工程体的出现,改变了区域地下水的补给、径流和排泄条件,干扰了原来平衡的地下水渗流场,为保证地下石油洞库的水封效果,需进行裂隙岩体渗透特性及地下水渗流场时空演化研究。以国内首个在建的大型地下水封石油储库为工程背景,结合现场试验数据分析,运用等效连续介质的方法,采用裂隙岩体各向异性渗透张量,建立三维地下水数值模拟模型,预测不同施工进程时地下水位的变化。分析预测结果表明：在地下洞室开挖过程中,无水幕条件下地下水位逐渐降低,主洞室部分区域出现零水头压力区,无法保证水封性;模拟运营期水幕巷道施加定水压力,地下水位上升至设计高度35 m且趋于稳定,可以满足水封效果要求。研究结果对地下石油洞库的水封性评价具有一定的工程意义和理论价值。     

地下洞室群随机地震响应研究中传递函数的应用探讨

在证明随机响应的统计参数可以用传递函数进行直接表达的前提下,将传递函数引入地下洞室群随机地震响应研究中,对白鹤滩水电工程13#机组剖面地下洞群进行了随机地震响应分析,并对之进行了地震动力可靠度的探讨。结果表明：较之常规方法,基于传递函数的方法除可得到洞室群的随机地震响应以外,还可同时得到洞室群的地震响应频谱特性,并可以直接利用传递函数得到确定性地震动输入下洞室群的响应值进行验证,显示对问题的研究具有更加深刻的优势;将所得到的随机地震响应结果与基于传递函数的确定性估算结果,与实际时程计算得到的确定性结果比较,吻合良好;首次采用超越破坏理论对地下洞室群进行地震动力可靠度分析的可行性,为地下工程抗震可靠度计算中如何以动力方式考虑地震荷载的随机性提供了一些新思路。     

大型地下洞室高边墙的拉应变准则研究

高地应力等复杂环境下大跨度地下洞室群开挖容易诱发高边墙的脆性拉裂破坏,在Mohr-Coulomb准则基础之上,基于拉应变准则,提出大型地下厂房高边墙破坏的复合拉剪屈服准则。根据弹塑性理论,张拉和剪切屈服分别采用相关联和非相关联的塑性流动法则,详细推导了该准则在有限差分法中的计算格式,并对张拉和剪切屈服面的应力空间进行了分界。利用C语言程序编写的动态链接库文件,实现了该准则在通用软件的科学仿真计算。以高应力地区的拉西瓦水电站地下厂房为工程实例,与FLAC3D自带的拉剪屈服准则相比,基于拉应变准则的计算结果表明,大跨度高边墙拉破坏明显,塑性区以及应力松弛区的面积更小,能合理描述硬岩高边墙的脆性拉裂破坏特征。大型硬岩地下洞室群的计算分析验证了该准则的合理性和实用性     

Upscaling of elastic properties for large scale geomechanical simulations

Large scale geomechanical simulations are being increasingly used to model the compaction of stress dependent reservoirs, predict the long term integrity of under‐ground radioactive waste disposals, and analyse the viability of hot‐dry rock geothermal sites. These large scale simulations require the definition of homogenous mechanical properties for each geomechanical cell whereas the rock properties are expected to vary at a smaller scale. Therefore, this paper proposes a new methodology that makes possible to define the equivalent mechanical properties of the geomechanical cells using the fine scale information given in the geological model. This methodology is implemented on a synthetic reservoir case and two upscaling procedures providing the effective elastic properties of the Hooke's law are tested. The first upscaling procedure is an analytical method for perfectly stratified rock mass, whereas the second procedure computes lower and upper bounds of the equivalent properties with no assumption on the small scale heterogeneity distribution. Both procedures are applied to one geomechanical cell extracted from the reservoir structure. The results show that the analytical and numerical upscaling procedures provide accurate estimations of the effective parameters. Furthermore, a large scale simulation using the homogenized properties of each geomechanical cell calculated with the analytical method demonstrates that the overall behaviour of the reservoir structure is well reproduced for two different loading cases. Copyright © 2004 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。     

低温影响下FBG永久变形计算方法研究

温度对光纤布拉格光栅(简称FBG)变形监测有着重要的影响,导致FBG技术在季冻土路基监测中存在很大的局限性。研究针对FBG传感器交叉敏感问题,提出了温度补偿计算方法,分析了不同荷载及负温下FBG监测梁变形规律;设计室内路基模型,验证了FBG在季冻土永久变形测试中的适用性。结果表明:FBG波长数值与温度呈线性相关,温度越低,波长越小,对变形监测结果影响越大;利用温度补偿计算对FBG监测梁波长数据进行修正,可消除低温引起的波长误差;基于室内模拟土箱变形测试,消除温度影响后FBG与拉线位移计实际测量的变形结果吻合度较好,体现出FBG监测梁基本可随土协同变形,可实现低温土中变形监测;冻融循环影响下,FBG测试结果与实际变形结果接近,误差在5%内,经历4、5次冻融循环后路基土箱永久变形基本趋于稳定。