彭水电站尾水洞施工开挖过程数值分析

通过弹塑性有限元计算,对乌江彭水水电站尾水洞开挖过程进行了数值模拟.分析了施工开挖中洞周围岩位移的变化规律和开挖完成后围岩的应力和变形;探讨了由于开挖卸荷引起的岩体力学参数降低对围岩变形、应力的影响.在此基础上,对设计采用的锚固支护措施的加固效果及围岩稳定性作出了评价.计算分析表明:尾水洞群由于洞室开挖洞径大,洞室岩柱相对单薄,围岩开挖变形量较大,各洞最大位移在40～70 mm之间,相邻洞室间岩柱塑性区基本贯通,洞室高边墙的稳定问题将显得较为突出;设计喷锚支护措施处于正常承载状态,能够满足围岩稳定性要求.     

第三系泥岩隧洞围岩大变形成因及应对措施

围岩大变形是软岩隧洞建设中危及隧洞施工及长期安全的重大工程灾害之一。结合第三系泥岩隧洞出现的显著围岩大变形及支护结构破坏等现象的工程现场调查,通过开展围岩监测、室内试验及数值模拟等工作,获得了第三系泥岩隧洞围岩大变形的主要成因和发生机理。研究表明:触发该隧洞围岩大变形的主要因素是低岩石强度条件下隧洞开挖卸荷引起的塑性变形以及地下水对围岩的软化作用,围岩挤压膨胀变形和不同岩层间的非一致变形共同主导了支护结构的破坏;围岩大变形的发生机理主要体现在第三系泥岩洞段横穿一条常年流水的冲沟,加之隧洞中部透水性良好的砂砾岩层,使得隧洞开挖后围岩含水率显著增加,第三系泥岩遇水泥化、软化,强度显著降低并呈现出一定的膨胀性,最终促使围岩产生显著的大变形。在此认识的基础上,提出了提高钢拱架型号、增强钢拱架之间的纵向连接、增设底拱外八字锁脚锚管、施加初期支护与二次衬砌之间的聚乙烯缓释消能层等应对措施,实施后的现场监测结果表明,所提出的控制措施有效解决了第三系泥岩洞段开挖过程中的软岩大变形难题。     

大型抽水蓄能电站地下厂房围岩变形时效特征和反馈分析

丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群的施工期围岩变形具有量值大、时效特征明显、不同深度围岩均可能发生变形的特点。为研究该地下厂房围岩变形时效特征,基于工程地质条件和监测数据,开展围岩变形机制研究。分析结果表明:地下厂房围岩变形的分布特征和时效特性,既与围岩在开挖卸荷后所出现的岩体质量下降、围岩强度减小、岩体蚀变现象有关,也与围岩内存在节理裂隙或断层等不连续地质结构在开挖卸荷作用下易发生张开或错动有关。采用由伯格斯流变模型与带拉伸截止限的摩尔-库伦塑性屈服准则组合而成的复合黏弹塑性模型,进行围岩流变力学参数反演,获得了与监测值吻合较好的围岩变形和变形时程曲线计算结果。根据洞室群围岩开挖支护稳定性分析结果,可知截至主厂房第V层开挖支护完毕,洞周围岩局部变形和塑性区深度均较大,且塑性区贯穿主厂房和主变室洞间岩柱,围岩稳定性总体较差。因此,主厂房在第V层开挖完毕后暂停继续下挖,专门进行洞室群的系统性加强支护是必要的。     

陡倾角层状岩层大型地下厂房施工期围岩变形开裂机理研究

针对乌东德水电站右岸地下主厂房在引水洞下平段L3支洞顶拱开挖过程中,7#、8#机组段上游边墙出现的围岩变形快速增长和沿层面开裂等变形破坏现象,结合地质、监测、物探及施工资料,分析了主厂房围岩变形与破坏特征。在此基础上,从岩体结构、地应力状态、施工过程等角度出发,并结合三维离散元数值仿真手段,对围岩变形开裂机制进行了综合论证和深入探讨。结果表明：（1）小夹角顺倾下游的陡倾层状岩体结构是造成7#、8#组段上游边墙变形快速增长并呈现一定时效特征的地质基础;（2）L3支洞顶拱施工速度过快,从而产生了强烈的围岩卸荷扰动效应,导致上游边墙围岩一定深度范围内岩体沿层面张开和滑移,引起围岩变形的突然性快速增长;（3）陡倾角层状岩体的围岩变形开裂特征对L3支洞顶拱开挖规模及扰动较为敏感,合理控制岩体开挖规模及卸荷扰动效应能够有效地减小围岩变形、结构面错动和张开现象。研究成果可为类似陡倾角大跨度地下工程开挖的稳定性分析及支护设计提供借鉴。     

速凝浆液岩体倾斜裂隙注浆扩散模型研究

针对以往渗透注浆扩散模型常以水平平板裂隙面为前提,未考虑岩体裂隙面产状对注浆扩散机制的影响问题,选取工程地质灾害处理中常用的水泥-水玻璃双浆液(C-S浆液)为速凝类注浆材料,将C-S浆液流型看成是具有黏度时变性的宾汉流体进行分析。基于流体力学理论及粗糙裂隙等效水力开度的确定方法,同时考虑了浆液自重作用的影响,建立了恒速率注浆条件下反映浆液黏度时空变化的倾斜裂隙注浆扩散模型。在此基础上,推导了浆液扩散区内的黏度及压力时空分布方程,定量确定了注浆压力与注浆时间及浆液扩散距离的关系。最后,借助于室内试验和有限元分析程序,研究了恒速率注浆时不同裂隙面产状下的浆液扩散规律,并将数值模拟结果与理论计算值进行对比,进一步验证了所建立的注浆扩散模型的有效性和合理性。研究成果可为注浆工程速凝类浆液注浆参数的确定提供借鉴。     

基于数值分析的岩石块体稳定性评价一般性方法

 为解决岩石块体在各种复杂条件下的稳定性评价问题,在已有的岩石块体识别的单元重构–聚合方法基础上,进一步提出基于数值分析的块体稳定性评价一般性方法。该方法以含有块体信息的网格模型为出发点,首先引入界面单元,实现块体–围岩结构面滑移和脱开的模拟。其次,提出可动块体的定义和基于数值分析的块体运动形式判别方法。然后,基于结构面强度折减思路,提出块体安全系数定义和加固分析方法,从而实现基于数值分析的块体稳定性评价。该方法相比于刚体极限平衡法,能够考虑初始地应力、围岩变形和非滑面抗剪性能对块体稳定性影响,且在一定条件下,分析结果可与刚体极限平衡法结果基本等同。最后,通过算例验证了该方法的可靠性、有效性,并论证了其与刚体极限平衡法分析结果的关系。算例结果同时表明：该方法可综合考虑块体几何形态、块体埋深和块体出露高度对其稳定性的影响,能够适应复杂条件下工程岩体开挖过程的块体稳定性评价。该方法与已提出的块体识别方法,构成一套有关岩石块体的“识别–可动性判别–运动形式确定–稳定性评价–加固分析”的完整方法体系,总体平行于当前块体力学分析的常用方法(如块体理论),为研究块体在各种复杂条件下的稳定性演化提供了新的实现思路。     

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。     

锦屏一级地下厂房蜗壳施工期受力特征实测分析

蜗壳是水电站厂房的重要结构,其应力状态是施工过程中的重点关注内容。通过对锦屏一级水电站6#机组蜗壳结构的原型观测,研究蜗壳在水压试验阶段、充水保压阶段和卸压阶段的受力特征,蜗壳和外围混凝土的联合受力情况。结果表明,监测仪器部位钢蜗壳应力均匀,未出现明显的应力集中现象,钢板应力未超过钢材强度,蜗壳和外包混凝土联合受力良好,间隙开合度与钢板应力呈负相关关系,外包混凝土应变和钢筋应力均在正常受力范围。     

复杂岩石块体识别的单元重构–聚合方法

 为解决工程岩体开挖中含有复杂开挖边界时的块体识别问题,提出岩石块体识别的单元重构–聚合方法。首先,引入成熟的网格划分技术,通过建立网格模型(如有限元模型),实现对复杂开挖边界的精确模拟;其次,采用基于单元重构技术的结构面建模方法,将分布于岩体内的结构面建入网格模型;然后,提出基于单元聚合技术的块体构建方法和考虑有限性结构面时的单元组处理方法;最终可实现基于网格模型的复杂岩石块体识别。该方法识别所得的块体系统基于网格模型,块体的所有特征信息均可通过模型的单元和节点提取,块体的可视化也可在既有网格模型图形显示平台上实现。算例验证表明,当将结构面分别考虑为无限延伸和有限延展时,该方法的块体识别和稳定分析成果均与通用块体分析软件的结果一致。进一步将该方法应用于水电站大型地下洞室群的块体识别,可证明其应用于复杂岩石块体识别的有效性和优越性。因此,该方法是一种能够考虑复杂工程岩体开挖边界的岩石块体识别的新方法,其实现过程独立于基于拓扑原理的传统块体识别思路,为块体稳定分析提供了新的实现途径。     

大型水电工程导流洞封堵体稳定性分析

水电工程导流洞封堵体稳定性对于电站蓄水发电和安全运行至关重要。研究总结对比了国内外导流洞封堵体稳定性设计和计算方法;在此基础上,采用三维弹塑性数值分析方法对构皮滩水电站封堵体在设计水位下各种工况的应力、变形和稳定性进行了计算分析;进而引入超载方法,研究堵头及堵头与围岩接触面从局部到整体破坏的渐进失稳过程,对其稳定性进行分析和综合评价。研究结果表明：设计挡水水位条件下,各种工况堵头结构变形不大,最大变形在1.1～1.4 mm ;接触面剪切应变较小,接触面塑性区延伸范围和破坏比例不大;超载法计算表明,堵头结构可承受的安全荷载在3.5～5.5倍设计水头,大于规范要求的安全系数,堵头结构的设计长度和结构形式在安全稳定方面可以满足规范要求;采用超载安全系数法研究类似导流洞封堵体结构的极限承载能力更加合理有效。