复杂边坡三维地质可视化和数值模型构建

复杂边坡三维地质可视化和数值模型的构建是岩土工程和水利水电工程中常常遇到的关键问题。三维地质可视化可以展示边坡结构面的空间组合,揭示边坡的宏观破坏模式;可视化模型与数值模型的结合和转换可以反映地质信息的仿真性和动态可修改性。基于AutoCAD平台,借助AutoLisp语言,采用滑动最小二乘法插值拟合,构建三维可视化模型,同时讨论可视化模型与数值模型的转入。优点在于结合了AutoCAD优越的图形编辑功能和ITASCA公司数值软件(FLAC3D和3DEC)的计算功能,并可根据地质信息的变化更新可视化模型和数值模型。该技术与三维可变形离散元法相结合,在白鹤滩水电站进水口高边坡三维可视化和应力变形分析中进行了应用。同时针对3DEC软件前后处理的不足,结合3DEC内嵌的FISH语言和AutoCAD的AutoLISP语言进行编程,探讨3DEC加锚方法、三维合位移等值线云图和塑性区可视化实现。

柱状节理开挖模拟洞数值原位试验

在西南水电大开发中,柱状节理岩体的工程力学性质逐渐受到水利工程的重视。白鹤滩水电站坝基揭露的柱状节理玄武岩体,RQD值普遍较低,完整性较差,其变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性特征,对拱坝变形、坝肩稳定、边坡稳定、地下洞室群围岩稳定有重要影响,已成为该水电工程的关键技术问题之一。针对国内外对柱状节理岩体的研究及相关工程的经验甚少,白鹤滩水电站拟开展的大尺度柱状节理玄武岩试验洞,目的是获得反映柱状节理玄武岩力学特性的第一手观测资料。介绍了白鹤滩柱状节理的地质成因和工程特性及柱状节理试验洞的设计布置,探讨了原位试验和数值试验结合的分析方法,并采用各向异性本构模拟了试验洞开挖和原位试验,对不同位置试验点的代表性进行了评价。

核电厂边坡地震动力响应研究

将大型、复杂条件核电厂边坡简化为含结构面的单自由面柱体模型和多自由面斜坡模型,研究地震波前处理和输入、人工透射边界设置,模拟简谐波和地震波的传播、反射、振荡和衰减规律,比较理论解和数值解的吻合性,采用强震记录分析边坡地震时程响应规律。研究表明:地震波在柱体模型的单自由面上产生放大效应和反射,在软弱夹层处产生反射和透射。约束边界反射地震波,设置黏滞吸收边界和自由场透射边界则有效消除反射现象。地震波在斜坡模型的斜面上产生多次自由面放大效应,且放大效应随着高程增大而增大。地震作用下各向异性斜坡的自由面放大效应较之各向同性斜坡强烈,软弱夹层处产生较大的相对滑移和永久变形,各向异性条件下更不利于边坡的抗震稳定。

节理玄武岩体变形模量的尺寸效应和各向异性

目前系统研究柱状节理玄武岩工程力学特性的成果仅见于美国汉佛德玄武岩核废料埋藏工程和中国西南白鹤滩水电工程。列举了国内外相似工程柱状节理玄武岩的原位试验成果,分析了我国不规则柱状节理玄武岩体的柱体偏转特性和多级结构面发育特征,采用可变形离散元法建立了柱状节理玄武岩体的三维离散元数值模型,通过数值模拟不同尺寸的承压板试验,探讨了尺寸效应和各向异性对试验成果的影响。数值分析表明：承压板的尺寸效应是产生柱状节理岩体水平和铅直原位试验各向异性的主要原因,随着承压板直径的增大,各向异性效应减小,当承压板直径大于6m后,柱状节理玄武岩体可视为各向同性体,研究成果对利用和改造柱状节理岩体具有较好的工程意义。

复杂楔形体组合下的岩质高边坡稳定分析

金沙江白鹤滩水电站左坝肩下游岩质高边坡受多组楔形体组合,其在拱端推力下的稳定性及工程施工下对左坝肩岩体的影响,对该工程意义重大。探讨了基于三维可变形离散元和大变形拉格朗日有限差分法相结合的方法,从定性和定量分析的角度,分析了白鹤滩水电站左坝肩下游楔形体的破坏运动模式、先后解体顺序、拱端推力下及工程施工下的稳定性及对左坝肩岩体的影响。根据上述两方法相结合的数值分析结果(安全系数小于1.1),并结合现场工程地质评价,认为在自然边坡及蓄水条件下,左坝肩下游高边坡属于潜在不稳定边坡,需进一步研究。

基于三维可视化模型的高边坡演化过程分析

以金沙江两家人滑石板高边坡为例,通过由AutoLisp语言编程提取的AutoCAD地形图元,给出了栅格网格地形和任意网格地形的可视化模型,并利用该模型分析了滑石板高边坡演化过程,同时根据该模型中的滑塌岩体体积及未滑塌地形特征还原了滑塌边坡原地形.仿真结果表明,三维AutoCAD可视化模型可为滑石板边坡的数值分析提供地质和力学模型,在水利水电工程的边坡工程中可取得较好的应用效果.

基于地质强度指标法的柱状节理玄武岩体力学强度估计

节理岩体的强度是岩体工程设计的重要参数,柱状节理岩体作为一种具有柱状镶嵌结构的特殊节理岩体,缺乏相似的工程案例,其岩体强度的确定是目前水电工程中的热点问题。本文综述了国内外相似工程中柱状节理岩体强度的研究进展,以白鹤滩水电工程为例,结合Hoek和Brown最新提出的地质强度指标法和强度准则估算了不同爆破损伤下的柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构柱状节理岩体的强度参数,并得到白鹤滩水电站的原位试验成果的验证,计算表明基于地质强度指标法的Hoek和Brown强度准则能较好的反映柱状节理岩体的强度参数。

某核电厂边坡岩体结构面直剪试验研究

综述了边坡工程结构面抗剪强度参数的获取方法,探讨了基于钻孔取芯的室内直剪试验设计方案。采用YDS携带式岩、土力学性质多功能试验仪,设计了某核电厂边坡结构面抗剪断直剪试验和摩擦直剪试验,比较了结构面抗剪强度参数的试验值和经验值,采用三维可变形离散元法数值还原了结构面抗剪断直剪试验全过程。试验表明:室内试验测得的某核电厂边坡结构面摩擦角为31.3～40.5°,粘聚力为285～365kPa。基于3DEC的数值直剪试验较好地模拟了抗剪断直剪试验的线弹性阶段、峰值阶段、峰后软化阶段和残余阶段,与室内直剪试验规律一致。两种方法可较好地应用于类似核电厂边坡工程中。

核电厂高边坡抗震验算和加固设计

分析当前核安全规范和导则对核电厂高边坡抗震稳定验算方法和适用性,综述国内核电厂高边坡案例的研究进展。以某三代核电厂级高边坡为例,探讨应用多种定性和定量方法综合分析核电厂高边坡稳定性和破坏模式的分析思路。首先,采用赤平投影法和CSMR分类法半定量地评价边坡的稳定性,给出边坡设计坡比建议;然后,基于典型二维计算剖面,采用刚体极限平衡法、强度折减法和基于应力场的极限平衡有限元法分别对边坡进行抗震稳定验算;最后建立岩体三维裂隙网络模型,应用离散元数值方法模拟节理岩体非线性大变形和破坏物质运移过程,定量分析边坡的破坏模式和破坏区域,计算地震动作用下边坡崩塌物质的最大运移距离,同时介绍核电工程中的边坡治理理念和常见的加固手段。研究成果可丰富核安全级高边坡研究理论与方法,并为核安全级高边坡稳定性分析、评价和工程设计提供技术支持。

核电厂边坡地震影响系数研究

比较了不同行业抗震设计规范计算地震影响系数的方法,基于真时程动力分析法,通过设置人工透射边界,研究了典型核电厂边坡三量(位移、速度和加速度)动态放大系数取值,对比了各向同性和各向异性本构情形下的三量动态放大系数分布规律。研究表明:边坡三量增幅随坡高呈先增大后减小再增大的规律,各向异性边坡增幅大于各向同性边坡。当边坡高度超过100m后,边坡出现了三量动态放大系数瘿点,且各向异性边坡的瘿点多于各向同性边坡。计算获得的各向同性边坡动态放大系数取值区间为1.05～1.6,各向异性边坡的动态放大系数取值区间为1.6～2.7。研究成果可指导核电厂边坡的抗震设计,具有较好的应用价值。

基于FLAC3D的强度折减法和点安全系数法对比

编制了强度折减fish命令流,推导了基于快速拉格朗日有限差分法的三种点安全系数计算公式,采用安全系数为1.0的ACADS边坡考题比较了强度折减法和点安全系数法在边坡失稳破坏判识及安全系数计算中的精度和可靠性,计算表明：Flac3D的solve fos强度折减模块计算的安全系数为0.99,编制的强度折减法fish命令流得到的安全系数精确到0.994,对应边坡表层控制监测点合位移增量与强度折减系数增量之比的急剧变化点、边坡剪应变增量贯通区、塑性区连通状态及迭代求解的不收敛性。强度储备法、最小距离法和线弹性公式计算的点安全系数分布规律一致,不仅能较好地揭示出边坡的失稳状态及滑面位置,同时可以反映边坡不同位置的安全系数。强度储备法公式和线弹性公式计算的连通性滑面安全系数为1.002,最小距离法公式计算的连通性滑面安全系数为1.0018。最小距离法公式更接近边坡考题的安全系数裁判值1.0。

白鹤滩水电站拱坝及坝肩加固效果分析及整体安全度评价

白鹤滩水电站拱坝左侧坝肩断层及层间、层内错动带发育,拱推力作用下易发生剪切变形。坝基柱状节理层发育,变形模量等力学指标相对较低,表现出显著的各向异性力学特性。由于以上地质缺陷的影响,设计采取沿拱推力方向设置抗剪洞及扩挖坝基处柱状节理层岩体设置垫座的工程处理措施,以期对坝肩、坝基岩体的抗剪、传力等进行改善。采用三维非线性数值分析方法,根据实际地质信息建立三维数值模型,模拟白鹤滩中坝址主要地质现象及相关工程措施,通过坝肩、坝基岩体及坝体的应力、位移对比,定量分析主要地质缺陷的影响以及工程处理措施的效果。采用超载法、强度折减法及点安全系数法评价下坝线拱坝的安全度,为该水电站坝线比选提供技术依据和科研成果支撑。

柱状节理岩体随机模拟及其表征单元体尺度研究

柱状节理岩体地质成因特殊,地质结构特点与常见岩体有很大不同,成规则或不规则柱状排列,其裂隙统计及节理的随机模拟方法也与常见岩体采用的方法不尽相同。根据白鹤滩水电站柱状节理岩体的地质构造特点及现场统计资料,以其中最为常见的一类柱状节理为例,引入Voronoi方法对其进行随机模拟,并将随机模型导入3DEC,生成三维随机柱状节理模型进行数值试验,得出其表征单元体(REV)尺度约为典型节理迹长的3～4倍。同时数值试验结果表明,平行于柱轴向(y方向)与垂直于柱轴向(x-z方向)的弹性模量及泊松比值相差较大,柱状节理显示有强烈的各向异性。x-z方向弹性模量及泊松比值相差较小,在REV尺度下可近似认为x-z方向材料性质相同,将柱状节理视为横观各向同性体进行计算和分析。

柱状节理坝基岩体三维各向异性数值分析

在分析柱状节理不连续性和各向异性的工程特性基础上,对某拱坝及坝基的柱状节理岩体进行三维数值模拟分析。考虑河谷初始地应力场和岩体各向异性力学性质,采用各向同性本构和各向异性弹塑性本构进行对比分析。计算表明,坝基柱状节理岩体各向异性特性对工程整体应力、变形的影响比较明显,采用各向异性弹塑性模型计算更能反映柱状节理的特殊性。其结果为该坝区岩体工程各向异性力学分析提供了示例。

汉佛德核废料处置场岩体原位试验和数值仿真

随着核电厂硬质基岩厂址资源的减少,风化岩、半成岩、沉积岩地基和滨海平原大面积第四系覆盖层内的隐伏浅层玄武岩地基也被论证作为核电厂核安全相关物项所需的稳定地基,其中柱状节理发育的玄武岩地基作为核电地基的适宜性鲜有研究。文章分析了美国汉佛德核废料处置场的柱状节理玄武岩的大型岩体原位试验成果、数值分析成果,采用三维离散元软件3DEC和Voronoi图形研究了不规则柱状节理玄武岩的岩体变形模量,计算表明:BWIP柱状节理玄武岩的数值试验计算值与原位试验成果相吻合,平行柱轴方向的变形模量数值解为20.19 GPa,原位试验值为20 GPa。文章给出了柱状节理玄武岩工程力学性质和地基适宜性的数值分析方法,可应用于核电厂和核废料处置场的选址中。

某核岛地基沉降分析与计算

以某核岛地基沉降为例,介绍了核岛沉降计算所依据的核电标准、数值模型、参数取值、计算方法和评价标准,计算表明:地基在卸载和再加载条件下的非线性、地基岩土力学特性的空间变异性、地基地下水位变化的影响以及地基岩土力学参数因开挖、排水和回填而受扰动的几何尺寸和蠕变效应是核岛区地基沉降的影响因素,采用三维有限元法预测的地基沉降值与实际监测资料规律一致,可供类似工程参考。

反倾层状岩质边坡倾倒变形破坏机理综述

倾倒变形破坏常见于层状岩质边坡工程,其机理研究对边坡稳定性分析具有重大意义。在国内外相关研究基础上对弯曲倾倒、块状倾倒及块状-弯曲倾倒3种不同破坏模式进行了分析,就边坡几何形状、岩层强度和长细比、层面力学参数、地下水、开挖作用等因素对倾倒变形的影响进行了阐述,介绍了倾倒变形破坏机理在物理模型试验、极限平衡、数值模拟3种方法中的研究进展,指出了不同方法的适用性和优缺点,说明了研究中需要改进和深化的内容。

应用离散元强度折减对复杂边坡进行稳定性分析

介绍了离散元(DEM)及强度折减法基本原理,利用3DEC软件结合强度折减法对某水电站高边坡进行稳定性分析。对岩体强度参数进行折减,以关键点位移与时间关系曲线发散时的折减系数作为边坡安全系数,根据位移矢量图确定滑面和破坏形态。通过与Dijkstra极限平衡有限元法及Sarma法的计算结果对比,验证该方法的可靠性。在二维计算基础上建立并简化三维模型,模拟边坡三维应力场。结合工程关注区域的应力及位移趋势,采用3DEC中的辅助节理截取典型坡段单宽模型,在已有的三维应力场的基础上对其进行强度折减,弥补了二维强度折减未考虑三维应力场对边坡稳定性影响的不足,把握了工程重点及力学特性,为类似工程提供了一种合理高效的稳定性分析手段。

极限平衡分析中加固力对岩质边坡稳定性的影响

分别对考虑加固力作用边坡稳定性分析的Morgenstern-Price法、严格Janbu法和Sarma法,推导了安全系数的计算过程。在不考虑力矩平衡的情况下,分析加固力对条块抗滑力和安全系数的影响,然后在考虑力矩平衡的情况下,分析Morgenstern-Price法中加固力对条块安全系数的影响。结果表明,边坡的安全系数随着加固力和内摩擦角的增大而增大。当滑裂面与水平面的夹角小于某一角度时,条块的安全系数随着加固力与水平面的夹角的增大首先呈现先增大的趋势,在达到极大值后呈现减小的趋势。当滑裂面与水平面的夹角大于某一角度时,条块的安全系数随着加固力与水平面的夹角的增大而减小。最后通过一个边坡稳定性分析的简单算例,说明本文理论分析是正确合理。且在同等条件下,加固力作用在边坡下部比作用在上部的效果要好。

水利工程中的柱状节理岩体分类及质量评价

在总结国内外水利水电工程涉及柱状节理岩体工程问题的基础上,根据我国拟建的白鹤滩水电站工程不规则柱状节理岩体现场勘测和测试结果,对柱状节理岩体的分类方法进行了探讨,提出了柱状镶嵌块状结构和柱状镶嵌碎裂结构的分类方法。应用岩体质量评价的RMR法和GSI法对白鹤滩水电站两类柱状节理岩体进行了分析,并与美国汉佛德玄武岩核废料埋藏工程柱状节理岩体分类实例进行了对比。研究表明,RMR法和GSI法能较好地反映白鹤滩柱状节理岩体的工程力学特性。