地下厂房岩锚梁纵向裂缝成因分析及发展趋势

 地下厂房第六层开挖结束后,岩锚梁混凝土上表面出现纵向裂缝,测缝计监测结果显示岩锚梁裂缝部位两处的下部开合度数据大于上部值,不符合一般规律。结合现场地质条件、监测数据、施工因素和数值计算,对岩锚梁纵向裂缝的成因进行详细的分析。研究结果表明,岩锚梁距离母线洞洞顶距离只有5.2 m,3条夹层斜穿岩锚梁部位围岩和母线洞,施工开挖造成围岩应力调整,局部应力集中现象明显,导致岩锚梁部位岩体产生不均匀变形。数值计算结果表明,夹层JC2–2及下部小夹层形成的锥形块体随地下厂房的开挖有向外“挤出”的趋势,当变形体位于岩锚梁下部时,即形成下部的开合度值大于上部的开合度值这样一种看似不合理的现象,且CZ0+87断面开度值大于CZ0+127断面的,计算结论与监测结果吻合良好。最后,预测不同部位的岩锚梁现有裂缝发展趋势及可能出现裂缝的部位,并给出几点支护处理措施的建议。     

复杂地质条件下岩锚吊车梁结构三维数值分析

根据岩锚吊车梁与围岩联合工作原理,提出了岩锚吊车梁与围岩联合受力的分析方法;通过对复杂地质条件下拉西瓦水电站地下厂房岩锚吊车梁的分析计算,给出了岩锚吊车梁的受力特性,说明了所选择的吊车梁结构参数和锚杆支护参数是基本可行的,论证了吊车梁结构的合理性,为复杂地质条件下地下厂房岩锚吊车梁的结构受力分析提供了一种有效的分析方法.     

水布垭枢纽地下厂房施工开挖与加固的数值模拟

通过非线性有限元计算,对水布垭电站地下洞室开挖围岩的应力与变形进行了分析,探讨了主厂房洞室局部软岩置换、喷锚支护等措施对围岩开挖位移与应力的影响;在此基础上,对设计采用的各种支护处理措施的加固效果以及地下厂房洞室围岩的整体稳定性作出了评价.     

地下厂房岩锚梁裂缝成因分析及处理

针对官地水电站厂房下卧开挖过程中出现的岩锚梁裂缝,结合现场地质条件、监测数据,对岩锚梁裂缝的成因进行详细的分析研究后提出了对其裂缝进行化学灌浆处理措施,并作了具体阐述,以保证岩锚梁的稳定性和安全性。     

猴子岩水电站深埋地下厂房开挖损伤区特征分析

 以猴子岩水电站地下厂房为研究对象,利用常规测试和微震监测技术,对开挖过程厂房高边墙围岩损伤区进行现场原位试验。基于一系列常规测试和微震监测结果分析,揭示了围岩变形破坏特征,得到厂房开挖卸荷过程围岩裂隙的萌生、发育和扩展的演化过程,分析了围岩开挖损伤区范围、裂隙演化与施工动态之间的相互关系,探讨了开挖损伤区的形成和演化机制。研究结果为猴子岩水电站地下厂房开挖、支护设计、围岩变形特性和地质资料分析提供了参考依据。相关研究工作作为地下厂房开挖、支护参数设计的重要依据,取得了较好的经济效益,对类似地下工程的设计施工有一定的参考价值和借鉴意义。     

岩锚吊车梁破坏机制的计算模拟分析

采用非线性有限元方法研究了钢筋混凝土岩锚吊车梁和围岩的力学特性。结合某水电站三期扩建工程实践，假定地下厂房围岩和混凝土材料满足Drucke-Prager弹塑性本构关系，采用三维有限元方法计算模拟了岩锚吊车梁的破坏机制，并进行了相应的稳定性分析。数值模拟结果表明，地下厂房围岩与岩锚吊车梁交界面的粘聚力和摩擦系数大小对岩锚吊车梁的稳定性有着重要的影响。随着围岩与混凝土岩锚吊车梁粘聚力的降低，岩锚吊车梁的抗滑安全系数减小。而当围岩与岩锚梁交界面出现破坏时，岩锚吊车梁的安全系数为3．7。地下厂房的继续开挖对于吊车梁系统锚杆和周围岩体的应力分布有较大影响。有效控制地下厂房爆破开挖对围岩的损伤，对于改善岩锚吊车梁的受力状态和提高吊车梁的稳定性具有实际意义。     

地下厂房顶拱围岩变形机制分析

针对水电站地下厂房开挖过程中顶拱出现局部坍塌和变形持续发展的现象,结合地质资料、监测成果和施工过程,对变形产生的原因从表面宏观变形表现和深部位移特征2个角度作定性和定量的分析。分析结果表明,在地下洞室开挖过程中产生的坍塌和垮塌现象,主要是受开挖后应力重分布,以及爆破作业的影响,形成的小型不稳定块体,断层及裂隙结构面的存在是主要地质因素,支护滞后是造成局部坍塌的主要施工因素。因此,考虑岩体的非连续性,施工期采取有力的支护措施对确保顶拱围岩稳定十分重要。平行施工在一定程度上可以加快施工进度,但对围岩位移会造成一定影响。对于顶拱围岩而言虽然施工作业面已远离,但由于施工强度大、爆破频繁,对顶拱部位围岩位移发展仍具有一定的控制作用,因此在复杂地质条件下施工过程中应尽量避免平行施工。     

地下厂房母线洞环向裂缝成因分析 及处理措施

黄河上游拉西瓦水电站大型地下厂房洞群,主体工程开挖完工后,位于主厂房与主变室之间的母线洞围岩产生环向裂缝,类似现象在龙滩、二滩、广蓄、大朝山等水电站地下厂房工程中也已出现多次.对其成因进行分析研究对后续处理措施与加固方案的设计具有根本性指导意义.以拉西瓦水电站大型地下厂房为例,结合工程类比,分析裂缝宏观特征;以数值试验为手段,对裂缝的成因进行详细分析探讨.研究结果表明,母线洞围岩在地下厂房结构中特殊的位置,导致其在施工过程中逐渐形成特殊的应力状态,致使其出现环向裂缝;地应力分布是裂缝出现的重要客观因素.最后,对类似的地下厂房工程,提出支护措施设计的几点建议.     

地下厂房洞室群施工期围岩变形及破坏特征分析

简要介绍了锦屏一级水电站地下厂房洞室群的工程地质条件、施工期安全监测方法。对围岩变形监测成果进行了统计分析,对围岩变形规律及特点进行了研究。结合施工开挖及地质条件,对围岩变形过程、时效行进行了探讨。经过分析认为厂房地下洞室群围岩变形破坏机理复杂,与岩体强度、应力场分布、岩体工程地质特性、洞室群规模和形状、开挖方式、支护时机和强度等多种因素有关,其中地应力高的大理岩岩体强度相对较低是施工期围岩变形破坏的主要原因。提出了增加开挖层数、减少开挖层高、相邻洞室错层开挖、增加对穿锚索及降低锚索锁定初值等建议措施。     

母线洞开挖时序对围岩位移的影响效应

以瀑布沟水电站地下厂房和溪洛渡水电站地下厂房为背景,以主厂房为研究对象,基于施工期围岩位移监测资料,借助数值模拟,分析母线洞采取不同开挖时序对围岩位移的影响。首先,借助监测成果,分工程部位(顶拱、岩锚梁、上游边墙、下游边墙)对比分析母线洞开挖采取先墙后洞和先洞后墙2种施工时序下围岩位移情况;然后借助数值计算,对II,III类围岩在高、中、低3种不同地应力条件下母线洞开挖分别采用先洞后墙和先墙后洞2种开挖过程进行模拟。综合分析现场监测成果及数值模拟结果,得出的结论为：母线洞施工时序对围岩位移的影响,主要体现在岩锚梁层及以上部位,其中以下游岩锚梁部位影响最大;从控制围岩位移的角度讲,当低地应力时,施工时序不同造成的影响差异不大,在中、高等地应力状态下适合采用先洞后墙的施工时序。作为与地下厂房相贯的洞群,施工时机的合理性具有工期控制及围岩稳定双重意义,不同地质条件下母线洞开挖时序的影响效应值得深入探讨。     

复合单元法在地下厂房岩壁吊车梁中的 应用与验证

 针对某水电站地下厂房岩壁吊车梁,进行复合单元法和普通有限单元法的比较计算。研究的重点是岩壁吊车梁与围岩的接触面、锚杆与围岩的接触面以及锚杆穿越岩壁吊车梁与围岩接触面等部位,并且考虑地下厂房开挖施工、吊车梁安装和运行的过程。比较复合单元法和普通有限单元法的计算特点与计算效率,研究结果表明：在离散模拟加锚节理岩体方面,复合单元法和普通有限单元法的结果非常接近;复合单元法能给出更多应力–应变的细节,且前处理更加简便。研究结果还表明：由于复合单元法以大量的计算代替前处理工作,因此计算时间大为增加。     

锦屏一级水电站地下厂房围岩开裂变形机制研究

针对锦屏一级水电站地下厂房高应力、低强度应力比条件下开挖施工引起的围岩变形开裂及相关力学问题,从全空间赤平投影解析、平面投影应力特征等多角度全方位研究地下厂房区地应力场分布特征及规律;并结合力学定性分析和三维数值模拟等手段对地下洞室群围岩变形开裂机制进行深入分析,研究洞室群围岩开挖损伤演化规律。研究表明,锦屏一级地下厂房区域出现的围岩、喷层较大变形乃至破坏现象本质上是由高地应力和相对较低的岩体强度形成的不利组合所造成的,在主厂房、主变室的拱腰、拱座和边墙以及母线洞侧墙等部位出现的开裂破坏,属于典型的高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏。提出锦屏地下厂房围岩变形开裂概化模型,为地应力场反演和施工过程的数值仿真分析提供重要参考和定性依据;最后针对开挖维护围岩稳定性问题提出相应的建议,为锦屏一级地下厂房的开挖施工及动态支护设计提供技术支持。     

地下厂房岩壁吊车梁施工与运行期全过程数值仿真分析

以佛子岭抽水蓄能电站地下主厂房为背景,采用数值仿真分析软件Phase2对地下厂房岩壁吊车梁建造与运行期全过程进行数值仿真分析,探讨轮压荷载施加时机、地应力场、围岩力学特性对地下厂房与岩壁吊车梁受力特征的影响。分析结果表明:(1)吊车梁结构合理,支护参数可行,只要围岩自身的稳定性得到保证,则岩壁吊车梁是稳定的;(2)厂房开挖过程中,施加轮压荷载可以使岩壁吊车梁提前进入运行期,加快施工进度;(3)构造应力对吊车梁内锚杆应力影响显著,使锚杆应力大大增加,但是考虑构造应力可以适当减小吊车梁内最大拉应力量值;(4)吊车梁变形及其锚杆应力主要受围岩性质的影响。     

统一强度理论应用于岩石的讨论

具有多种形式的双剪理论已得到广泛的研究和应用,但没有基于试验数据的拟合与其他真三轴强度准则进行直接比较。以主应力形式直接构建线性和非线性统一强度理论,利用岩石的真三轴压缩、常规三轴压缩和伸长的试验结果,确定多个强度准则中的材料参数。统一强度理论对试验数据的拟合偏差较大,不能描述岩石常规三轴压缩和伸长强度随最小主应力的非线性增加,难以描述强度随中间主应力的变化趋势;而非线性理论使用2个隐式函数分段表示,实际计算时需进行多次比较判断。在最小主应力较低时,统一强度理论给出的岩石强度显著偏高,似乎不宜应用于孔壁崩落确定地应力、钻孔稳定性分析等。     

Composite element method for the bolted discontinuous rock masses and its application

This paper presents a composite element method (CEM) for discontinuous rock masses reinforced by fully grouted bolts. This element allows one to generate mesh without considering exactly the existence of bolts and joints, which further allows for an important simplification in the pre-process work. The sub-elements of rock, grout, bolt, joint, rock/grout interface and bolt/grout interface are defined using corresponding mapped nodal displacements at the composite element. The mapped nodal displacements can be determined using the governing equations established by means of the virtual work principle. Based on the mapped nodal displacements deformation and stress in each sub-element can be further obtained. The comparative study of the CEM and the conventional finite element method (FEM) has been carried out for the preliminary verification example. The numerical study for the rock bolt crane girder of an underground powerhouse by FEM and CEM is presented as the engineering application example, in which the attention has been paid to the portion of the contact face between the girder and surrounding rock masses, the contact faces between the bolts and surrounding rock masses, as well as to the portion where the rock bolt penetrates the contact face. The comparative and application studies show the validation and advantages of the CEM.     

猴子岩地下厂房上部开挖监测反馈及预测分析

猴子岩地下厂房洞室群规模巨大,其中主厂房、主变室、尾调室跨度分别达到29.2 m、18.8 m和23.5 m,厂区挤压破碎带及裂隙密集带发育,实测地应力量级为21.53 MPa～36.43 MPa,为高地应力区。笔者采用三维非线性有限元法,根据6个剖面的监测资料,进行了包含岩锚梁岩台的上部第2级开挖跟踪反馈,并对后续第3、4级开挖进行了预测分析。结果表明,猴子岩地下厂房在第2级开挖后洞周变位较大,岩锚梁处最大变位为38.05 mm,塑性区发育深度6.02 m,该计算结果与现场监测结果吻合。预测第3、4级开挖后,边墙处变位分别增至47.26 mm和71.65 mm,塑性区进一步加深达8.4 m,但各洞室间未连通。本次计算为后续施工提供了重要的参考依据,并认为现有条件下地下厂房围岩整体稳定性良好,加固处理措施有效。     

高地应力条件下地下厂房洞室群围岩的变形破坏特征及对策研究

 依据官地水电站大型地下厂房洞室群地应力高、围岩坚硬、结构面发育等特点,在地应力特征、围岩结构特征分析的基础上,结合围岩变形监测成果和三维数值仿真分析成果,对洞室围岩变形破坏特征进行归纳总结,并系统提出高地应力条件下地下厂房洞室群的布置设计、开挖支护设计和施工对策。建议高地应力条件下,洞室纵轴线的选择应兼顾最大主应力方位和围岩主要结构面、采用较大的洞室间距和较大的顶拱矢跨比、采用合理的开挖方式和开挖顺序、适当提高喷混凝土强度等级、延时浇筑岩壁吊车梁和母线洞衬砌、合理确定锚索张拉力锁定值,对具备岩爆条件的洞室围岩先初喷50～60 mm厚的钢纤维混凝土后再实施系统锚杆和挂网喷混凝土层到设计厚度等。上述建议对于高地应力条件下类似地下厂房洞室群的设计与施工具有重要的指导意义和应用价值。     

高应力硬岩地区岩体结构对地下洞室围岩稳定的控制效应研究

官地水电站地下厂房属典型的硬岩地区深埋大型地下洞室群,其重要特点是同时面临高地应力和结构面发育这2个不利条件,实测最大主应力为25～35 MPa,厂区无大的断层和软弱结构面,但错动带和裂隙十分发育。通过对地下洞室群施工过程中出现的围岩局部失稳破坏现象进行全面的分析整理,对三大洞室的岩体结构特征和围岩变形破坏模式进行系统的分析、比较和总结,从而对影响围岩稳定的两大控制因素——地应力和岩体结构对官地地下厂房洞室群围岩稳定的影响程度和方式进行分析和对比。研究表明,由于三大洞室围岩类别以II类为主,岩体结构以块状～次块状结构为主,围岩具有较高的力学强度和强度应力比,从而具有较强的抵抗应力破坏的能力;岩体结构对地下厂房围岩变形与稳定的控制作用较地应力则更为明显,地下洞室群开挖过程中出现的局部失稳或较大变形多与不利方位的结构面直接相关。三大洞室围岩岩体结构特征总体上的相似性非常明确,反映在三大洞室围岩的变形特征和破坏模式上具有很好的统一性。然而,三大洞室的岩体结构特征也存在一定的差异,导致岩体结构影响围岩稳定的方式和程度有所不同。结构面发育造成的另一个不利影响是为坚硬岩体在高地应力条件下产生卸荷时效变形提供了内部条件。因此,在强度应力比较高的硬岩地区,应充分重视岩体结构及其演化对围岩变形和稳定的控制效应。