超大型地下洞室高边墙围岩变形影响特性研究

高边墙围岩稳定是超大型地下洞室施工期关注的重点。基于工程监测资料,探究了白鹤滩水电站左岸地下厂房高边墙围岩变形演化分布规律及破坏机制。研究表明：在垂直方向上,开挖面距离在10 m范围内边墙卸荷响应强烈,该阶段围岩变形约占总变形量的50%～55%;在洞轴方向上,开挖影响集中在2倍洞跨范围内,该区域内变形约占总变形量的97%;在结构面发育部位前后围岩变形的分异量较大,且由于软弱夹层的柔塑性,围压解除后错动带应变能释放是一个缓慢的过程,时效剪切特征明显;发掘并总结逐层下挖过程中高边墙围岩应力状态的演化规律,并划分为应变能积聚、释放、应力调整及趋稳4个阶段。该研究成果可为工程支护设计提供一定支撑,并供同类工程参考。     

大型地下厂房区域水害防治对策研究

位于四川省凉山州的锦屏二级水电站是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。作为整个工程的核心构成部分的尾部地下发电厂房位于雅砻江右岸“V”型河谷岸坡山体内,地下水渗流场相对复杂。为确保地下厂房开挖施工方便和洞室群稳定,基于“先阻后排、以排为主、高水自流、低水抽排、外不入内、安全可靠、留有余地”的新设计理念,提出了一个完整的锦屏二级水电站厂区防渗排水的水害防治方案。综合渗控条件下的厂区三维渗流场计算结果,并考虑了一定的安全储备,确定了厂区防渗排水系统的参数。洞室群开挖实践表明目前采用的设计方案是安全可靠的。     

基于Hoek-Brown准则的岩石应变软化模型研究

基于Hoek-Brown(H-B)准则,根据大量试验数据,研究提出一种具有广泛适用性的岩石应变软化模型。利用40种硬岩和软岩三轴试验数据,验证了3参数幂函数型围压函数广泛适用于硬岩和软岩峰后临界塑性应变与围压的关系描述,并将其引入塑性内变量中;其次,比较分析当前基于H-B准则的岩石应变软化模型中软化参数的合理性,明确以GSI作为软化参数的方法最优,拟合结果正确且参数最少。然后,分析岩石峰后GSI随塑性内变量的演化规律,并建立一种普适的非线性演化模型。与其他演化模型相比,所建模型可更准确地描述不同种类岩石峰后H-B强度参数的非线性演化规律,同时参数较少。接着,采用非关联流动法则,将所建GSI演化模型嵌入有限元软件ABAQUS中,实现软化模型的数值求解。最后,对多种岩石的室内试验模拟结果表明,所建模型可正确描述不同围压下硬岩和软岩的峰后应变软化变形及剪胀变形,具备良好的适用性。与定临界塑性应变或定剪胀角的应变软化模型模拟结果相比,所建模型模拟曲线可一致性地与试验曲线接近。     

地下厂房洞室围岩的稳定性研究

响水涧抽水蓄能电站地下厂房洞室围岩的稳定性按平面应变问题进行了弹塑性有限元计算，讨论了地下沿室坚硬围岩的破坏机理，提出了相应的破坏判据，据以对围岩稳定性进行分析。锚杆的加固效果也作了考虑。     

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。     

地下洞室边墙爆破振动传播衰减规律研究

基于桃花嘴矿区地下洞室爆破振动现场试验的实测数据,发现了地下洞室爆破开挖诱发边墙质点峰值振动速度传播衰减的特点,即爆源近区和边墙中心区域具有更大的放大效应。建立了四边简支板的动力学模型,进一步结合量纲分析法,推导出考虑边墙四边约束的地下洞室爆破边墙质点峰值振动速度预测公式。将实测数据分别代入萨道夫斯基公式和推导公式进行线性回归运算,得到萨道夫斯基公式预测值和推导公式预测值的平均误差分别为30.7%和5.1%。结果表明,该公式能较准确地反映地下洞室爆破边墙质点峰值振动速度存在的放大效应,特别可以精确预测放大效应显著区域的爆破振动峰值速度,为更好地控制边墙爆破振动损伤提供了参考价值。     

洞室结构对龙游大型古地下洞室群长期稳定性影响的研究

龙游大型古地下洞室群开挖于白垩系衢县组泥质粉砂岩中,具有大跨度、超浅埋、支撑小和稳定时间长等特点。根据现代岩石力学观点,该洞室群是不足以保持上千年稳定的。这一看似违背现代岩石力学观点的客观现象引起了诸多学者的关注和深入研究。本文即是基于上述考虑,致力于揭示该洞室群得以保持上千年稳定的机理。通过现场调查发现,该洞室群具有斜顶、斜墙、鱼尾形岩柱及柱托等特殊结构,该结构是古人偶然为之还是精心设计？其是不是使洞室群得以保持长期稳定的决定性因素？本文通过数值计算对其进行回答。计算结果表明,斜顶设计能较好地解决浅埋问题,鱼尾形岩柱和柱托有利于洞室稳定,斜墙设计有利于改善洞室围岩的应力状态,从而得出了洞室群的特殊结构是使洞室保持长期稳定的决定性因素的结论。     

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。     

自然地应力场对含断层地下洞室围岩稳定性影响规律

自然地应力场及结构面分布特征是地下岩体工程围岩稳定性的主要内在控制因素。本文基于数值计算和实际工程的变形监测分析表明:①随侧压系数的增大,含断层围岩的稳定性变差;②不同应力状态下断层分布位置对围岩稳定性的控制作用差异明显;③当围岩附近断层与洞室开挖面不相交且水平构造应力场较大时,围岩可能产生更大的变形或更大范围的失稳。     

高应变率作用下岩石的微损伤特征

为研究岩石在高应变率作用下微观损伤特征，用三轴ＳＨＰＢ装置对混合花岗岩和磁铁矿矿石进行高速冲击，用光学显微镜和扫描电镜观察矿物颗粒的受损状态，得出岩石的微观损伤特征。     

大型硬岩地下硐室围岩二次应力场特征弹脆塑性分析

结合某水电站硬岩地下厂房开挖,运用FLAC3D软件,对不同地应力环境中大型地下硐室开挖围岩的二次应力场的大小变化、分布特征及其对围岩稳定性的影响进行了三维弹脆塑性数值模拟分析.分析结果表明:①在低地应力环境中,顶拱浅部围岩σ1随开挖逐渐增大,σ2基本不变,σ3在顶拱开挖时迅速降低.而在较高地应力环境中,在顶拱开挖时,应力处于三向迅速卸荷状态;②无论在较高还是低应力环境中,边墙和底板浅部围岩的应力变化路径基本一致,开挖出露时,均处于三向卸荷应力状态;③较高地应力环境中的应力松弛区、集中区及围岩塑性区的分布范围和深度均比较低地应力环境中开挖要大(深);④开挖结束后,围岩的σ1平行于硐室轮廓线,而σ3指向开挖面;⑤硬岩大型地下硐室开挖,由于围岩浅部应力差迅速增大,岩体可能出现脆性破坏,甚至出现岩爆现象.     

棒式光纤传感器在地下洞群模型试验中的应用

地质力学模型试验是在复杂条件下进行大型地下洞室围岩稳定性分析的重要研究手段,能够真实地反映地质构造和工程结构的空间关系,准确模拟施工过程对厂房稳定性的影响以及岩体的破坏特征。双江口水电站地下洞群模型试验中采用预留孔径灌胶方式进行高精度的棒式光纤光栅（FBG）位移传感器的埋设,以便对洞室周边的位移进行量测,同时应用FLAC3D进行数值模拟比较。结果表明：棒式光纤光栅传感器量测方法解决了模型试验中内部变形小、量测精度要求高的问题,与数值模拟结果相吻合;试验中传感器埋设的方法是成功的,无论是开挖阶段还是超载阶段传感器均能有效地监测模型内部变形,揭示地下洞室群模型在开挖阶段和超载阶段的变形机制和破坏特征。     

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.     

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。     

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     

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。