龙游石窟23号古地下洞室无损测量及3D建模

用GPS、全站仪、自动安平水准仪等先进设备对浙江省龙游县龙游石窟古洞室群的23号洞室开展无损测量研究。针对古洞室特点,对平面控制测量采用闭合导线控制测量方法、高程控制测量采用闭合水准路线测量方法。通过对23号古洞室的平面尺寸、洞口和岩柱的立面尺寸和洞身的剖面尺寸进行详细测绘,利用AUTOCAD、Cyclone、ANSYS等软件构建古洞室的三维模型,为后续的数值模拟计算、古洞室的无损保护及修复还原工作提供思路。     

龙游石窟3号洞第3-2号岩柱的监测与开裂机理分析

龙游石窟1-5号洞室群几百年来一直处于水下,1992年首次被抽干水用于开发旅游。由于抽水前后环境的强烈改变,以及洞内干湿交替明显,所以洞室围岩风化和破坏都十分严重。其中,本文所讨论的3号洞第3－2号岩柱就是已发生严重开裂,并亟待加固。为对该岩柱的加固提供科学依据,需准确把握变形破坏发展情况和据此研究它的变形破坏机理。为此,作者采用JSYCB-73系列电感式测缝仪和钢尺等手段对岩柱开裂的宽度和长度进行监测。根据监测所取得的大量数据和地质条件,对该岩柱的开裂机理进行了分析,得出了以下结论:（1）用来加固邻区的混凝土喷层的重力部分转移到该岩柱上,从而增加了荷载;（2）由于洞内渗水严重、干湿交替、温差变化较大等使风化作用加大。结果,导致该岩柱的强度降低。（3）该岩柱强度的降低和所施加荷载的增加等两个因素最终导致了岩柱被压裂。根据上述研究结论,并考虑文物保护和旅游的需要,提出了治水、地表卸荷、岩柱加锚、加箍等加固措施。加固后的监测数据表明,开裂已不再发展,岩柱已处于稳定     

龙游石窟1号洞破坏成因及加固对策研究

龙游石窟1号洞和其他4个洞体,开发16a来,在取得了丰硕的社会经济效益和学术成果的同时,洞体在自然力的作用下,出现了严重的破坏。构成石窟的柱、墙和顶板陆续出现裂缝。其原因是构成洞体的泥质砂岩易于风化、易于流变,在干湿交替和温度变化的情况下极易破坏。同时处于浅埋状态的洞室顶板、柱子、墙体强度不足,在自重作用下发生以冲切、剪切、弯曲为主要特征的破坏形式。开发时施加的外部荷载加剧了这种破坏。针对这些破坏形式,加固方案宜采用整体设计分步实施的方案。先柱墙,后顶板。柱墙加固以柱支撑为主要手段,顶板以梁支撑为主要手段。两者相互联系形成一个美观的加固体系。     

龙游石窟结构的力学思想

龙游大型地下石窟群埋藏浅、跨度大,且位于软岩中。千年以来保持稳定的重要原因,除了岩体的完整性较好和洞体内所充满的水对洞顶的支撑作用以外,就是采用了比较特殊的结构形式。石窟在纵向分别利用了斜顶结构,在横向采用了拱状结构,加大柱纵向支撑长度的鱼尾形柱结构和扩大柱端头的柱帽结构。将这些结构形式与现代结构力学原理相比较发现,它们完全符合现代结构力学的原理,是科学的。它们体现了古人的结构力学思想,折射出了我国古人的智慧和创造力。通过发掘和研究石窟蕴涵的结构力学思想,可以做到古为今用,指导目前越来越多的地下工程建设。     

龙游石窟环境温度的监测数据分析

龙游石窟是我国古代修建的一处全部由人工开凿完成的超大型地下建筑工程群,具有较高的文物价值。作者通过对洞室内外温度进行监测,探讨龙游石窟的温度环境分布特点,为围岩的风化研究提供科学的依据。     

龙游石窟洞室围岩长达8a的风化速度及风化时限研究

本文以龙游石窟围岩表面凿痕为研究对象,采用压模法,自2004年开始,每4a一次对凿痕进行了3次测量,提取了凿痕的几何特征曲线,并量化了其几何特征。通过不同时间的测量结果对比,对洞室围岩的风化速度进行了研究,并对洞室围岩凿痕的风化趋势给出了预测。研究结果表明,在2004~2012年8a内的平均风化速度0.28~0.5mma-1,最大风化速率为0.46~0.89mma-1。且后4a内的平均风化速率要小于前4a的风化速率。洞室内凿痕在目前环境条件下的风化时限为30a左右,即其可保持的时间尺度在百年范围内。换句话说,在近百年后,洞室内的精美凿痕将消失殆尽。基于此,本文提出了减缓风化的初步建议。该成果可为更好地保护龙游石窟、科学开发国家古文物、减少管理风险提供科学依据。     

龙游石窟3-2号岩柱变形破坏对3号洞应力变化的影响

作为具有大跨度、超浅埋等特点的千年古地下洞室群,龙游石窟吸引着众多前来研究的岩石力学家和工程地质学家。近些年来,龙游石窟的3号洞顶板多处出现了开裂和离层。安装在3-1号岩柱周围起支撑洞室作用钢柱上的应变片数值也发生了变化。据分析,这些现象出现的一个重要原因是3-2号岩柱强度降低引起洞室围岩受力条件的改变。利用FLAC3D数值软件,借鉴强度折减法,对3-2号岩柱强度降低引起上述变化的情况进行了模拟。数值模拟的结果可以较好地解释上述现象。在此基础上,进一步对3号洞顶板和其他岩柱的应力变化等进行了数值分析。结果表明:①3-2号岩柱的强度已有所下降,并有继续降低的趋势;②随着3-2号岩柱强度的降低,顶板的裂缝将不断增长、增多。其结果可为3-2号岩柱强度降低过程中洞室围岩力学行为的科学分析、预测及石窟的保护等提供依据。     

龙游石窟砂岩的泥质胶结物研究

本文通过对浙江龙游石窟砂岩的岩矿鉴定,砂岩泥质胶结物质的X-衍射定性及定量分析、扫描电镜观察、差热分析,以了解砂岩的泥质胶结特征,为石窟风化研究和保护加固研究提供科学依据。     

关于龙游石窟4号洞4-2号岩柱长期抗剪强度反分析问题的讨论

对于地下工程来说,围岩的长期抗剪强度从来是工程设计者和研究者所关心的课题。但历来仅根据持续时间十分 有限的试验来确定。因此从某种意义上说,由这类试验所得到的,并非真正意义上的长期抗剪强度。所以,本文提出的根据 龙游大型古地下工程即龙游石窟岩柱(包括柱础)的剪坏现象反算岩柱的长期抗剪强度的成果,是很有理论价值的。本文将 以龙游石窟4号洞的4-2号岩柱为对象作古地下工程岩柱长期抗剪强度的反演研究。为了在反演中能进一步考虑剪切面上 各部位的应力变化,作者还借助于FLAC-3D分析结果对不同部分分别进行研究,从而取得了较好的反演结果。     

充水对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

对龙游大型古地下洞室群的现场调查表明:完整地下洞室群均充满水,而非完整地下洞室群均未充满水或未充水,直观结论即充水是使洞室群保持上千年完整的重要因素之一。本文对充水洞室与非充水洞室内凿痕进行了定性和定量对比,结果发现洞内充满水可以减缓洞室围岩的风化速度。通过对围岩的受力情况以及洞室顶板的垂向的对比分析表明,洞室充满水,一方面可以有效地改变洞室围岩的受力:减少拉应力单元以及减小最大拉、压应力值; 另一方面可以减小顶板的下沉量,对洞室的稳定极为有利。而洞室内部分充水或未充水,对洞室顶板围岩的应力改善作用不明显,反而加大洞室顶板的Z向位移,不利于洞室稳定。从而肯定了洞内充满水是使龙游大型古地下洞室群保持千年稳定的重要因素。     

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。     

断裂损伤耦合模型在围岩稳定性分析中的应用

岩体的非线性变形是速率相关的时间过程。岩体开挖后，其内部应力场的调整与其内部的节理裂隙的扩展密不可分。基于损伤力学中等效应变和有效应力的概念，建立考虑节理裂隙断裂损伤耦合的力学模型，并将其应用于山西万家寨引黄中总干线一，二级泵站地下厂房围岩稳定性分析中，计算结果表明，应用所建模可以较好地反映工程岩体的特性。     

地下洞室地震动力响应的岩体结构控制效应

为了评价在层间错动带C2影响下白鹤滩地下洞室群尾调室在地震作用下的稳定性,针对其在试验中表现出来的明显的延性及法向荷载依赖性等特征,一种非线性的连续屈服（CY）模型被采用,用来描述层间错动带在静力以及地震动力作用下的复杂力学特性。在CY模型中,非连续面的变形特性采用幂函数形式表述,并且考虑了剪切破坏过程中强度的渐进性破坏。CY模型预测的C2错动带的力学行为与试验获取的结果相比较差异非常小,证明了CY模型在静力作用下的适用性。基于位移非连续假设的应力波透射理论被用来论证CY模型在动态作用下的适用性,同时将结果与线性结构面本构模型的结果进行了对比。比较结果表明,CY模型预测的规律与已有文献利用其他非线性模型得到的结论基本相同,并优于线性本构模型,理论结果在数值软件中得到了验证。3条地震波在经过特殊的反应谱匹配处理后,对白鹤滩地下洞室左岸1#尾调室进行了地震动力响应分析。分析结果表明,C2错动带在地震作用下对尾调室的变形及稳定性有明显的控制作用。地震作用下洞室整体运动趋势以刚体位移为主,岩体间相对变形为辅。相对变形中,错动带C2的相对变形占据了较大的成分。C2的相对变形以接触面上下盘的切向错动变形为主,主要发生部位为洞室顺C2走向的部位;结构面上、下盘法向变形为辅,主要发生在洞室顺C2倾向部位。通过超载法,获取了洞室的地震动力安全裕度。当超载系数从2增加到3时,C2的剪切变形、洞室的塑性区指标均剧烈增加,显示洞室的安全裕度大约在2～3之间,即洞室最大可抗拒峰值加速度为438g～657g的地震动作用。研究结论可供地下洞室的抗震设计与分析参考。     

大型地下洞室施工过程中的可靠性分析

通过对Monte-Carlo随机有限元和系统可靠度计算的? 分支法的研究分析,考虑把二者联合起来分析洞室施工过程安全性,提出了一种大型地下洞室开挖过程中可靠度评价的方法。以海南工程为例,对地下洞室开挖过程中的每一步进行可靠性评价,分析比较了多层耦合法与分层逆作法之间洞室施工过程中的稳定性,比较了二者的优缺点。从而对多层耦合法施工有一个全面的了解和比较,为今后的大型洞室快速施工提供科学依据。     

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.     

软硬相间岩层中地下厂房稳定性分析

对软硬相间岩层中地下厂房进行稳定性分析，既要考虑岩石的软弱性质，又要考虑岩石的脆性。本文分别采用弹塑脆性理论和弹塑性理论对某地下厂房进行进行稳定性分析，结果表明对于软硬相间岩层中地下厂房的稳定性分析,如果仅考虑其弹塑性性质，其结果是偏危险的。     

大型地下洞室群围岩应力-损伤-渗流耦合分析

以渗透体力来考虑渗流场的力学效应,建立了应力-损伤-渗透系数关系方程来考虑应力和损伤对渗流场的影响,结合岩体结构的三维弹塑性损伤有限元分析,建立了大型地下洞室开挖围岩应力-损伤-渗流耦合的计算模型。该计算模型求解的难度主要体现在岩体材料弹塑性、损伤、渗流自由面边界、渗流溢出边界、应力-损伤-渗流相互影响关系等。提出分步迭代法对以上因素进行归纳后按一定顺序分别进行迭代求解,取得了良好的计算效果。将该方法应用于某水电站大型地下洞室群分析,得出了一系列有意义的结论。     

层状盐岩中储备库油气渗漏风险的故障树分析

油气渗漏是盐岩地下储备库事故的重要类型之一,具有突发性强、损失难以估计的特点。针对国内层状盐岩中储备库运营过程中的油气渗漏风险进行分析,揭示了油气渗漏事故的发生机制并建立了相应的故障树模型。通过对该模型的分析,找出了事故发生的各基本致因事件和故障模式,并得出适用于典型层状盐岩储备库油气渗漏事故的发生概率公式。分析结果表明,国内层状盐岩中储备库发生油气渗漏事故的可能故障模式有28种,且发生条件易于满足而难于防范,因此事故发生的可能性较大;按照各基本事件结构重要度的计算结果,盐岩强度低、盐岩蠕变过量、附近有断层、地震、造腔参数控制不当、非均匀地应力、人为操作失误等是层状盐岩中储备库油气渗漏事故的主要致因事件,并据此提出有效措施防止事故发生;通过专家调查法和故障树法的综合分析得出,金坛盐矿5口老腔储库在近10年的运营期内发生油气渗漏事故的概率为0.703%,属于偶发性事故。     

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。     

盐岩地下储备库引发地表沉陷事故的风险分析

在盐岩储备库的建设和运营过程中,由于腔体不断收缩而导致上覆岩层发生变形,从而引起储库上部地表发生碟状沉降变形,甚至造成地表塌陷事故是盐岩地下储备库的重要事故类型之一。针对盐岩地下储备库引发的地表沉陷事故进行分析,找出了该类事故的发生机制并建立相应的故障树模型,计算得到地表沉陷事故的14种发生模式和10个基本致因事件,并提出了相应的控制措施。并从风险分析的角度对盐岩储备库引发的地表沉降事故的后果严重性进行预测分析研究,并以湖北云应盐矿为例,假设该地区在储气库的建设或运营过程中发生地表沉降事故,采用模糊综合评价法对该类事故后果的严重性进行风险预测,得出后果为可忽略、需考虑、严重、非常严重、灾难性的概率分别为0.24、0.28、0.29、0.15、0.04。为有效预防盐岩储备库运营引发地表沉陷事故以及在事故发生前进行损失严重性预测提供了依据和方法