岩体稳定性分析与评判准则研究

在评价现有岩体稳定性分析方法的基础上，指出其中的不足之处。从摩擦理论和矢量几何出发，基于非线性有限元计算成果，导出了三维可能滑体的抗滑稳定安全系数计算公式，并根据工程稳定问题的力学机理，建立了岩体稳定性评判的干扰能量法。针对没有明显滑动面的岩体稳定性问题，基于可量化的干扰能量准则和静力准则，建立了确定潜在滑动面、最危险滑向和最小安全系数的失稳警戒指标的量化标准，完善了岩体稳定性评判体系，从而为解决没有明显滑动面的岩体稳定性评判量化指标这一难题奠定了力学基础。地下洞室群及高拱坝坝肩稳定性的工程实例计算表明，根据岩体的干扰能量值及等值线分布情况定出滑面，按静力法和干扰能量法量化评判岩体稳定性是合理可行的。     

岩体离散裂隙网络稳定性计算的节理有限元法

通过对广乐高速公路坪石至樟市段大量裂隙岩体边坡的稳定性研究认为：客观的地质模型、恰当的本构关系、正确的计算参数、有效的计算方法是裂隙岩体模拟计算的4个关键问题,抓住并解决好这4个方面的问题,是裂隙岩体数值分析取得可靠成果的关键。提出裂隙岩体稳定性模拟计算的节理有限元法(JFEM),视裂隙岩体为由岩块和离散裂隙网络组成的二元结构,同时考虑岩块和离散裂隙的属性,充分体现岩块和岩块接触作用的非线性关系。首先,基于Jaeger单结构面理论,应用JFEM计算裂隙岩体的抗压强度,以验证JFEM的可靠性;其次,引入离散裂隙网络模型(DFN),重点探讨基于Voronoi模型、Baecher模型和Veneziano模型的裂隙岩体稳定性计算问题,岩块和节理的本构关系分别采用广义的Hoek-Brown准则和Barton-Bandis剪切强度准则,应用强度折减法计算裂隙岩体的稳定系数,并对裂隙岩体网络模型中关键参数取值对岩体的稳定性影响进行探讨。研究结果可为裂隙岩体的稳定性评价提供一个新的思路,为工程决策提供理论依据。     

基于三剪能量屈服准则的地下水平盐岩储库腔壁稳定性分析

为解决地下水平盐岩储库的稳定性问题,在三剪能量屈服准则和试验研究的基础上,建立一个新的基于洛德角和应力的全应力状态的扩容准则.以建立的准则为判据,在不同轴比、不同侧压系数条件下,对常见的水平椭圆柱形的盐岩储库腔壁稳定性进行评价,最终确定储库的最佳轴比及其运营的极限气压范围.将计算结果与Kerry DeVries准则的计算结果进行对比,结果表明:该准则为确定地下水平盐岩储库运营时的极限气压提供了行之有效的理论方法.     

软岩及土质隧洞围岩稳定性评价新方法

首先提出对于软岩(土质)隧洞及时支护下的围岩变形稳定性可转化为支护结构的安全性这一评判理念,在此基础上进一步将初期支护(喷层)不出现拉压破坏时围岩与支护结构的对应变形作为评判标准,提出软质隧洞围岩稳定性评判新思路;考虑到支护结构内力的监测不便、不准,而支护结构的收敛变形监测较为方便与可靠这一工程现实,再次通过数值试验的方法,将支护结构的极限应力科学地转化为对应的支护结构的允许变形,进而建立能够考虑初期支护安全性的围岩稳定性评价新方法。该评判方法在新疆库尉输水隧洞工程的成功应用表明其具有较好的可靠性和适用性。     

三轴压缩下层状盐岩体细观损伤本构模型

基于层状盐岩体的结构特征,引入已有细观损伤本构模型描述盐岩相的响应特性,运用混合物理论推导得到适合于描述层状盐岩体在三轴压缩过程中损伤演化特性的层状盐岩体细观损伤本构模型,对云应层状盐岩三轴压缩进行计算,分析围压对盐岩所受等效附加侧向应力的影响。计算结果表明,该模型能较好地描述试验现象,其结果对深部盐岩油地下储存和层状盐岩体内的油(气)储库的稳定性分析具有重要意义。     

盐岩中能源（石油和天然气）地下储存力学问题研究现状及其发展

盐岩作为石油和天然气等战略与商业地下储存介质在欧洲、美国和加拿大等国家获得了广泛的应用。首先将盐岩中能源储存的相关力学问题的研究，划分成4个发展阶段：（1）20世纪60年初——简单应用阶段。此阶段利用采矿工程方面的力学知识和经验，对能源地下储存的力学方面进行了简单研究和应用；（2）20世纪60年代中期到70年初——模型研究与应用阶段。此阶段利用大型盐岩试样在实验室进行模拟石油或天然气储存，研究盐岩在储存方面的力学特性；（3）20世纪70年代末到90年代中期——数值模拟计算阶段。此阶段利用有限元技术，结合盐岩的试验结果，模拟能源储存过程，进行储存力学方面模拟计算与分析研究；（4）20世纪90年代中期直到现在——损伤模型设计阶段。结合盐岩的损伤与损伤恢复特性及其试验研究，提出了盐岩的几个损伤与损伤恢复本构模型。利用这些模型，使储存库的力学特性得到了更充分的发挥：同时对每个阶段的研究情况进行了分析，重点指出了每一个阶段的主要代表人物及其主要研究成果；其次，对盐岩的本构方程进行了系统总结与评价，指出了各类本构方程的建立依据与工程应用特点，重点介绍了Norton材料模型和Hou／Lux盐岩损伤与损伤恢复本构模型，并指出了这两种计算模型的优缺点；最后提出了今后盐岩研究的主要发展趋势。     

中国盐岩能源地下储存可行性研究

选定我国江苏金坛盐矿为示范工程，通过深部盐岩的力学及蠕变试验，研究了深部盐岩的变形规律，建立了深部盐岩溶腔的腔体变形三维计算模型。结合示范工程的具体地质条件，对深部地下盐岩溶腔的洞形、稳定性及长期稳定性进行了数值模拟，研究了不同压力下溶腔容积的变化规律。通过现场储气库压腔试验，验证了计算分析采用的参数合理性。研究结果表明，从地下工程稳定性方面来看，利用我国盐岩实施能源储备是可行的。     

盐岩地下储气库群间距数值计算分析

 为确保储气库群的安全性及使用功能，各储存库之间应该保证有足够的距离。盐岩储库群地质条件及运行工况复杂，材料参数变异性强，随机特性对结构安全性影响较大。从稳定性和密闭性两方面出发，以莫尔–库仑准则和损伤扩容准则作为主要失效准则，建立两腔储库群数值计算模型，计算不同储库间距和运行内压下塑性区及损伤扩容区分布。采用响应面法，结合蒙特卡罗方法计算储库群腔周矿柱单元失效概率。结果表明，正常运行状态下，随储库间距减小，损伤扩容区范围明显增大，塑性区范围及腔周矿柱单元失效概率计算结果均明显增大，尤其在低压时更可能产生损伤连通区。对于运行过程中存在的注、采气不同步情况，随着储库间距的增大，压力差对腔周矿柱单元失效概率的影响逐渐减弱。根据稳定性和密闭性分析结果，建议储气库最小间距为2D。     

层状盐岩体非线性蠕变本构模型

 针对由不同岩层交替而组成的层状盐岩体,建立泥岩夹层和盐岩复合体代表单元,根据应变协调原理,从细观力学分析角度通过考虑泥岩夹层弹性性质、盐岩弹性及蠕变力学特性以及两相体积含量建立层状盐岩体宏观各向异性非线性蠕变增量型本构模型,分析层状盐岩在蠕变过程中因保持细观应变协调而产生的应力重分布问题,给出新本构模型ABAQUS有限元二次开发增量迭代算法实现方法,对一层状盐岩体简单试样算例进行初步计算分析验证,分析计算与试验结果吻合较好,表明该本构模型能反映细观应变协调时层状盐岩体宏观蠕变力学特性,该模型将为层状盐岩体内硐室长期稳定性分析提供理论计算基础。     

基于界面黏结–滑移模型的等间距破裂层状岩体裂隙间距分析

等间距破裂是层状岩体中常见的一种地质现象，如何合理预测裂隙间距，对岩体的稳定性分析具有重要的理论及工程意义。考虑层状岩体界面剪应力在滑移过程中的应力软化现象，基于界面的三线式黏结–滑移本构关系，推导岩层界面处于不同黏结状态下破裂岩层内拉应力和的岩层界面剪应力解析表达式；建立考虑覆岩压力的岩体拉伸破坏准则并给出等间距破裂岩体的裂隙间距计算公式；通过有限元数值计算和现场实测数据验证所提出理论计算公式的可行性；并进一步分析影响层状岩体中裂隙间距的主要因素。结果表明建立的黏结–软化–滑移解析模型可用于分析岩体界面处于黏结、部分滑移、应力软化及完全滑移等不同状态下的裂隙间距计算。     

废弃盐穴地下储气库稳定性研究

国际上公认盐岩体是地下能源（石油、天然气）储存最理想的介质，作为储气库的盐岩溶腔，一般都是根据设计要求通过水溶开采形成。目前，国内外鲜见利用地下废弃盐岩溶腔作为天然气储气库的先例。通过对ABAQUS有限元的二次开发，对某废弃盐岩溶腔的储气库围岩和岩柱的蠕变变形规律及腔顶蠕变损伤区的范围进行数值模拟，并对废弃溶腔作为储气库时的工作压力和储库套管鞋高度设计作了有益的探讨，这对指导工程实践具有一定的指导意义。     

Influence of cavern spacing on the stability of large cavern groups in a hydraulic power station

Many factors influence the static and dynamic stabilities of the rocks surrounding large cavern groups, such as in a hydropower station. In order to study the influence of cavern spacing on the stability of adjacent caverns, two kinds of dynamic-history simulation models for large cavern groups were set up by considering three different strengths of rock masses (soft rock, medium hard rock, and hard rock). One model included two caverns and the other included three caverns. The numerical simulations of these models were conducted under the loading of gravity and the combined loadings of gravity and earthquake motion, separately. To fully consider the dynamic features of rock masses, a damaged plasticity model with a non-associated potential flow was adopted for the surrounding rocks. Due to the stress redistribution and the scattering effect, simulated results indicate that, taking the caverns located in soft rocks, for example, if the spacing is less than one cavern characteristic length (taken to the biggest width of a cavern in the group), the static and dynamic responses of adjacent caverns are significantly affected by their spacing. The damage and the distribution of tensile stress surrounding the caverns are extremely extensive. Once the spacing approaches or exceeds twice the cavern characteristic length, the damage and the distribution of tensile stress of caverns keep unchanged, and the effect of nearby caverns disappears. In some situations, as the rock strength decreases, the damage becomes more severe and the area of tensile stress becomes more extensive. The critical distance of cavern spacing decreases as the strength of the surrounding rocks increases. The conclusions of this work could be used as a primary guidance to the anti-earthquake design for practical engineering.     

盐岩地下储库群运营期多失效模式下系统时变可靠性分析方法研究

 盐岩地下储库以其优良的密闭性及安全性得到日益广泛的应用,但对其体系可靠性及风险的研究尚属探索阶段。运用系统可靠性理论,对储库群在设计运营期内的失效进行定义。考虑运营期内盐岩蠕变引起的腔体体积收缩和矿柱塑性区发展对储库群系统可靠性的影响,给出储库群系统的多种失效模式,建立储库群系统可靠性分析模型。在考虑相关性的基础上,应用“最弱失效模式假设”对储库群系统进行时变可靠性分析评价。以金坛盐岩地下储库为工程背景,建立储库群数值模型,进行时变可靠性分析,得到一些有价值的结论。提出盐岩地下储库群系统时变可靠性分析方法,为盐岩地下储库群的安全运营和稳定性评价提供科学的依据。     

盐岩非线性蠕变损伤本构模型及其工程应用

盐岩以其良好的流变、低渗透率及损伤自我恢复等特性,是目前国内外公认的能源、废弃物贮存和高放射废物地质处置的首选介质。结合金坛储气库盐岩三轴蠕变的研究成果,建立盐岩三维蠕变损伤的本构方程和损伤演化方程,并将建立的本构方程编制成有限元计算程序,模拟金坛储气库在注采过程中的蠕变和损伤演化的影响范围。研究成果对金坛储气库的运行压力设计具有一定的参考意义。     

层状盐岩溶腔储气库长期运行稳定性研究

针对我国盐岩矿床地质结构的典型特征:单层厚度薄、软弱夹层多,盐岩夹层对储气库的建造及稳定性具有很大影响,提出了层状盐岩溶腔储气库稳定性研究内容,并运用块裂介质固流耦合数值模拟方法对其影响作了进一步分析.主要结论如下:(1)层状盐岩矿床储气库建造中必然会受到高盐份泥岩夹层的影响.夹层的存在使腔体的稳定性减弱,延缓了腔体内流体的输运、对流扩散过程,增加了建腔的时间,盐岩与盐岩夹层由于蠕变率不同而造成损伤,形成裂隙气体渗漏.(2)高盐份泥岩夹层对储气库的稳定性影响很大,由弹塑性数值模拟可知,运行气压为8-24MPa,形状为椭球腔,且长短轴为7/4时结构最稳定.(3)盐岩夹层对储气库的渗透性具有一定影响.蠕变损伤在盐岩与夹层交接面处产生的裂隙是气体渗透的主通道,具有较强的导气能力,但渗透速度随着时间的延长而减小,最后达到稳定状态,且最外缘气体压力始终低于0.2MPa,从考虑气体渗透的角度,在层状盐岩矿床内建造储气库是可行的.所得结论可为我国薄盐岩矿床内建造储气库提供一定的参考依据.     

天然气盐岩洞室群长期存储能力

对某天然气存储场盐岩洞室群的长期变形进行了三维有限元法流变分析。盐岩洞室周边附近区域内围岩的应力较低,其分布呈现出抽水井附近的水压力特征。当达到设计使用年限(80a)时,该天然气存储场内单一洞室的剩余存储能力保有初始存储能力的29.1%。进一步研究表明,当洞室间距较大时,单一洞室的剩余存储能力较大。间距400m的洞室群中单一洞室的剩余存储能力比间距280m的大5%～10%。     

利用Mogi模型预测盐岩储气库地表沉降

 盐岩储气库运营期间腔体体积的蠕变收缩是库区地表持续沉降的主要原因。假设盐腔体积收缩的等效弹性变形引发的地表沉降是实际蠕变沉降的一阶近似量,将盐腔转化为相同埋深、相同体积的球形腔体,并受到均匀向内收缩的弹性等效面力作用,将盐岩储气库地表沉降近似为弹性半无限空间内球型空洞受力收缩导致的边界位移问题。在上述弹性模型的基础上,引入火山地震学中用于预测火山喷发区地表变形的Mogi模型,得到库区地面垂直位移和水平位移的弹性解析解。Mogi模型的优势在于可以直接通过盐腔体积收缩量求得储气库地表位移,并与相同条件下的数值模拟沉降结果有着良好的近似效果,表明Mogi模型在储气库地表沉降预测研究中具有一定的可行性,并给出利用Mogi模型研究盐岩储气库地表沉降的研究方向及建议方法。     

海岛地下水封洞库围岩稳定性及水封可靠性研究

为提高我国的石油储备量及海岛资源利用率,在海岛环境建造地下水封油库成为了一种新的思路。海岛环境相比于内陆具有更好的水力条件,且可作为港口,便于油品运输。以某海岛地下水封油库为依托,基于流固耦合理论,采用有限元数值模拟方法对海岛环境建造地下水封洞库的围岩稳定性和水封可靠性进行研究。结果表明:在海岛环境建造地下水封洞库围岩的应力和位移均较小,可以满足围岩稳定性要求;在不设置水幕系统情况下,开挖地下洞库会在洞库上方形成明显的降落漏斗,部分洞库顶部甚至发生疏干现象,无法满足水封可靠性要求;在设置水幕系统后,地下洞库上方可形成较大厚度的地下水覆盖层,可以满足水封可靠性要求。该成果对在海岛环境下建造地下水封洞库的研究具有借鉴意义。     

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性研究

含高盐份泥岩夹层的盐岩蠕变特性是油气储库稳定性的关键问题所在.通过对湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩160天的单轴压缩蠕变实验研究,可知湖北应城含高盐份泥岩夹层的盐岩具有良好的蠕变特性,且纯盐岩蠕变应变高于泥岩夹层,横向应变大于泥岩夹层.根据试验结果,分析了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变曲线特征,建立了含高盐份泥岩夹层的盐岩的蠕变理论模型,获得了含高盐份泥岩夹层的盐岩的粘弹塑性本构方程,并拟合了参数,为我国含高盐份泥岩夹层的盐岩矿床油气储库的稳定性分析提供了依据.     

基于可靠度方法的盐岩地下储气库腔体收缩风险分析

由于腔体收缩导致的储气库可用体积减少是盐岩地下储气库在运营阶段的常见风险类型之一,严重时会造成腔体围岩破损甚至坍塌破坏,引发重大事故灾害。针对盐岩地下储气库在运营过程中可能发生的腔体收缩事故,通过力学分析推导出无限、理想盐岩体中恒定内压下球形腔体在盐岩稳态蠕变阶段的体积收缩率公式,并结合腔体收缩风险的分级标准建立盐岩介质中球形腔体的体积收缩的极限状态方程;然后通过可靠度分析法计算各参数为正态随机分布时腔体收缩各级风险的发生概率,分析地应力与腔体内压差值与各级风险发生概率之间的变化规律;最后讨论若将围岩的弹性变形、初始蠕变变形以及加速蠕变变形考虑在内时对计算结果的影响,为我国盐岩储气库的运营管理提供理论参考。