Measures for controlling large deformations of underground caverns under high in-situ stress condition--A case study of JinpingⅠhydropower station

The Jinping I hydropower station is a huge water conservancy project consisting of the highest concrete arch dam to date in the world and a highly complex and large underground powerhouse cavern. It is located on the right bank with extremely high in-situ stress and a few discontinuities observed in surrounding rock masses. The problems of rock mass deformation and failure result in considerable challenges related to project design and construction and have raised a wide range of concerns in the fields of rock mechanics and engineering. During the excavation of underground caverns, high in-situ stress and relatively low rock mass strength in combination with large excavation dimensions lead to large deformation of the surrounding rock mass and support. Existing experiences in excavation and support cannot deal with the large deformation of rock mass effectively, and further studies are needed. In this paper, the geological conditions, layout of caverns, and design of excavation and support are first introduced, and then detailed analyses of deformation and failure characteristics of rocks are presented. Based on this, the mechanisms of deformation and failure are discussed, and the support adjustments for controlling rock large deformation and subsequent excavation procedures are proposed. Finally, the effectiveness of support and excavation adjustments to maintain the stability of the rock mass is verified. The measures for controlling the large deformation of surrounding rocks enrich the practical experiences related to the design and construction of large underground openings, and the construction of caverns in the Jinping I hydropower station provides a good case study of large-scale excavation in highly stressed ground with complex geological structures, as well as a reference case for research on rock mechanics.

考虑碳排放的地下洞室群施工资源动态均衡优化

在中国“双碳”目标的背景下,持续推进地下洞室群等大型工程施工快速向低碳、绿色方向转型是当前面临的焦点问题。为了保证地下洞室群施工资源合理配置,实现绿色低碳施工,提出了一种衡量施工期碳排放均匀程度的指标“碳熵”,结合“资源熵”作为资源均衡的度量,建立了考虑碳排放和资源配套施工的资源均衡优化模型,并设计了一种内点算法进行求解;在此基础上构建了考虑施工进度延误条件下的资源动态优化流程,以确保发生风险事件后施工资源配置能得到及时优化与调整。乌东德水电站工程实例应用表明:该模型准确有效,可以提高资源总体均衡程度,降低施工期的资源投入峰值和碳排放峰值,从而提高资源配置效率。

陡倾柱状节理岩体洞室松弛特征与破坏机制

白鹤滩水电站柱状节理岩体具有特殊的柱体结构特征,洞室开挖后卸荷松弛破坏严重。通过对白鹤滩水电站4#导流洞柱状节理岩体现场破坏调查、位移和松弛深度监测,发现柱状节理洞室呈现典型的非对称破坏特征,不同部位松弛深度差异较大,左右侧边墙破坏模式受倾角影响,分别呈现倾倒破坏和滑移破坏。离散元数值模拟结果显示洞室表层围岩主要以柱间节理张拉破坏为主,内部围岩以剪切破坏为主,左右侧边墙不同的变形破坏特征是柱体倾角和地应力综合作用的结果。最后分析了不同柱体倾角对洞室变形破坏特征的影响,不同倾角下洞室各部位松弛深度差异显著,应根据洞室不同部位塑性区深度和柱体角度进行预应力锚杆设计。

全断面开挖技术在特大断面洞室开挖中的应用

某水电站工程的泄洪放空与生态放水洞无压段属于特大断面地下洞室,共分3层进行开挖支护施工。该泄洪放空与生态放水洞无压段第一层开挖支护施工时,前期采用中导洞先行两侧扩挖技术,后期采用全断面开挖技术,经比选上述2种开挖技术可知,特大断面地下洞室第一层施工时采用全断面施工技术是可行的,有利于提高效率、节约成本、保证安全,同时质量也能满足要求。

卡拉水电站地下洞室群稳定性分析及洞室间距优化研究

不利地质构造及软弱地层是卡拉水电站地下洞室群围岩稳定控制的关键性因素,鉴于此,采用离散元方法建立了包含不同级别结构面及软弱地层的节理岩体模型。在节理岩体模型的基础上,对处于优化设计阶段的卡拉水电站进行洞室群稳定性分析以及主副厂房洞和主变洞间距优化研究。数值计算结果表明:地下厂房洞室群整体稳定性较好,地下厂房区围岩具备成洞条件;但存在软弱地层T 3 z 2-5区域围岩变形较大,局部区域节理相互切割易造成块体滑落等工程地质问题,需要对其重点关注;结合洞群开挖后围岩内场量的分布情况以及经济指标和力学指标,从定性和定量角度对洞室间距进行了优选,最终确定主副厂房洞和主变洞间距50 m为最优方案。相关研究成果对于卡拉水电站洞室优化、安全施工具有一定指导意义。

白鹤滩水电站施工期玄武岩骨料碱活性长期跟踪分析

白鹤滩水电站地下洞室混凝土浇筑方量巨大,骨料采用玄武岩细骨料+玄武岩粗骨料的组合方案。为保证白鹤滩水电站地下洞室混凝土的耐久性,2017年11月至2021年8月的白鹤滩水电站主体工程施工期间,按季度连续对玄武岩骨料进行取样、跟踪分析,采用多种试验方法综合评价了其潜在碱活性。试验结果表明:白鹤滩水电站施工期玄武岩骨料中含有杏仁玄武岩、角砾熔岩等多种岩石,部分岩石中存有少量微晶-隐晶石英等活性矿物成分;SEM及EDS微观分析表明,含活性成分玄武岩骨料仅在高温和高碱的条件下才会产生危害性膨胀的碱-骨料反应;使用碱含量<0.60%的低热42.5硅酸盐水泥且掺入≥20%粉煤灰作掺合料的条件下,玄武岩骨料用于地下洞室混凝土工程不会产生危害性的碱-骨料反应。

基于FLAC3D的层间错动带对大型地下洞室地震响应影响分析--以白鹤滩水电站为例

为揭示大型地下洞室群地震响应机制,以西南地区白鹤滩水电站大型地下厂房洞室群为研究对象,运用有限差分数值模拟软件FLAC3D,建立了13号机组剖面数值分析模型,基于弹塑性本构关系,采用动力时程分析方法,研究了地下厂房洞室群在有、无层间错动带条件下围岩地震响应的加速度、变形、应力、塑性区等特征。结果表明:①有层间错动带条件相比无层间错动带条件,洞室群围岩的响应加速度峰值和围岩变形值分别增加了2%~34%和18%~63%;②层间错动带对震后围岩应力状态有一定影响,与无层间错动带条件相比,有层间错动带条件下的围岩拉应力区范围明显增大;③在有层间错动条件下,由开挖和地震产生的塑性区面积分别为8684m^(2)和975m^(2),均大于无层间错动带条件的7103m^(2)和888m^(2)。在地下洞室的抗震设计中,层间错动带对大型地下洞室地震响应的影响不可忽视。

水电洞室压缩空气储能地下储气库可行性分析

随着“双碳”政策的推进,储能系统已经受到越来越多社会及学者的关注。笔者从压缩空气储能的技术现状及其系统原理着手,介绍了压缩空气储能系统应用环境。结合水电站自身特点,分析水电站地下洞室作为压缩空气储能系统储气室的可能性以及关键点并提出相关建议。基于水风光蓄储一体化新能源开发模式,从水电站地下洞室资源储量、洞室地质条件、洞型与储气库的断面设计类型及其特点等方面,深入分析利用水电站地下洞室建设压缩空气储能电站的优劣势,总结了水电洞室初步利用的评估原则,并展望了利用水电站地下洞室建设压缩空气储能项目的发展与技术突破方向。

大型水电站调压井围岩力学参数反演及稳定性预测

大型水电站地下洞室群施工受复杂地质条件的影响,围岩稳定性问题突出。以某水电站调压井开挖为例,结合施工现场进度及新出露的地质信息,基于实测增量位移,通过均匀设计-神经网络开展围岩力学参数反演,获得围岩等效力学参数,并以此对后期开挖围岩力学响应进行预测分析。结果表明,调压井第4层开挖完成后,围岩变形及塑性区较大区域主要集中在1号调压井靠近断层F 230-2边墙处,后期施工应加强支护。

锦屏Ⅰ级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征及地质力学机制研究

锦屏Ⅰ级水电站是雅砻江流域最为重要的控制性梯级电站。地下电站的规模巨大并且赋存的地质环境条件十分复杂,特别是岩石的相对低强度和高地应力特征,地下电站在施工过程中遇到前所未有的有关围岩稳定及支护设计方面的难题。结合地质、监测、物探、施工及试验资料,分析地下厂房洞室群围岩及支护结构的变形开裂及破坏失效的特征。探讨地下电站区的地应力状态、岩体结构、岩石的加卸载力学特性等对围岩变形开裂的影响规律,解释围岩变形破坏的地质力学机制。高地应力及其方向使得主厂房和主变室下游侧围岩(特别是拱腰)的切向应力加载效应明显,易于压致劈裂,而上游侧边墙等法向应力卸荷强度较大,易于卸荷拉裂松弛。高应力条件下破裂围岩具有一定的流变特性,表现出由表及深的渐进性特征,反映随围岩松弛而发生的破裂岩体的时效变形。主厂房和主变室上游侧为缓倾角顺向坡而下游侧为反向坡,在二次应力场作用下下游侧易弯曲折断而上游侧很难剪切滑移。厂房区大理岩具有相对低强度高脆性力学特性且具有较低的应变强度特征,卸荷条件下易于压致拉裂。

大型洞室群智能动态设计方法及其实践

针对复杂地质条件下高边墙、多洞交叉的大型洞室群多步开挖过程中的强卸荷特点,采用经验类比、数值分析、智能分析等方法的综合集成,提出复杂条件下大型洞室群稳定性分析、开挖过程与支护设计的智能动态设计方法。该方法以解决大型地下洞室群不同设计阶段稳定性需要解决的关键问题为目标,从地质条件的认识、地应力分布特征的把握、高边墙多洞室交叉的围岩变形破坏机制的理解到围岩稳定性评价、破坏模式识别、调控措施(开挖过程和支护方案)全局优化以及施工过程中的反馈分析与动态调整的系统全过程进行研究,论述地下洞室群修建前的初步设计方法和洞群修建过程中的动态最终设计方法。在锦屏二级水电站地下厂房设计与施工全过程的应用实践表明,该方法可以实现大型洞室群设计与施工的信息化、智能化和科学化。

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。

基于层状岩体卸荷演化的锦屏Ⅰ级地下厂房洞室群稳定性与调控

锦屏I级水电站地下厂房洞室群开挖支护设计与施工控制以及整体稳定性等问题十分突出,施工期已经明显呈现出高应力、低强度应力比条件下围岩的卸荷变形与破坏特征。根据锦屏I级地下厂房层状岩体力学特性,采用考虑卸荷演化的层状岩体本构模型及其数值模拟方法,反演获得初始地应力场以及层状岩体力学参数。在此基础上,对锦屏Ⅰ级地下厂房洞室群进行三维数值模拟分析,获得一些对高应力下锦屏Ⅰ级水电站大型地下洞室群施工期围岩稳定与支护安全等方面的认识,提出洞室群围岩应力释放调控、松弛区承载力调控以及变形开裂调控等适时工程调控措施与建议。研究结果表明,洞室群整体开挖完成后的现场监测结果和围岩稳定现状等证实了所提出的认识和调控措施的合理性,表明层状岩体本构模型及其数值模拟分析方法能够较好地反映高应力下层状岩体中大型地下洞室群施工期的工作性状。

高地应力条件下大型地下洞室群稳定性综合研究

从认识论的角度提出数值仿真技术服务于地下工程实践的PFP分析方法,并随拉西瓦水电站地下厂房工程开挖进度分3个阶段对洞群围岩稳定性进行系统地分析和预测。研究成果表明:在高地应力硬岩洞室群开挖过程中,不同部位围岩位移具有明显的空间差异性和时间渐变性;岩体中应力表现出一定的波动性、转移性;多洞室交叉使得围岩松弛区域具有一定的特殊性;围岩破损模式和深度也具有区域差异性等。其成果为洞室开挖与围岩支护改进提供了科学依据,也被实际洞室开挖过程揭示的变形规律和围岩开裂、掉块等破坏模式所证实。这些高地应力下硬岩力学行为规律对其他类似地下工程围岩稳定性研究也具有较好的借鉴意义。

锦屏一级水电站地下厂房围岩变形与破坏特征分析

结合地质、监测、物探及施工资料,对地下厂房施工期围岩的变形与破坏特征进行分析。分析结果表明,高地应力和低强度应力比条件下,围岩的变形不再主要由地质结构面的张开变形构成,由岩块破坏产生的变形所占比重增加。围岩的变形量级和松弛深度相对较大,边墙的主要松弛深度为12～15m,部分大于15m。围岩变形量级与松弛深度成正比,而松弛深度呈现出渐进扩展的趋势,因此变形的时效性应理解为围岩破坏的渐进扩展过程,与常规的流变概念存在差别。主厂房及主变室下游拱腰部位混凝土喷层鼓胀性裂缝是层状岩体在高应力条件下的卸荷劈裂和向临空面的屈曲破坏的结果,这种破坏导致下游拱脚部位位移测值的增大。主变室上游边墙混凝土喷层裂缝表现为张性开裂,主要原因是母线洞开挖后岩体应力集中导致的岩体压裂破坏。在高地应力条件下,地下洞室群开挖是否可采用"先墙后洞"的施工方案是一个值得探讨的问题。

考虑地震动空间非一致性的岩体地下洞室群地震反应分析

阐述人工合成考虑空间非一致性的多点地震动加速度时程步骤,提供合理的空间非一致地震动输入。在此基础上,建立一大型地下洞室群的三维数值计算模型,分析一致与非一致两种地震动输入情况下该地下洞室群的地震响应特征。研究结果表明,洞室群地震响应与激振源的位移时程曲线形式接近,表明围岩的惯性效应可以忽略;地震波幅值对于地下洞室地震响应具有决定性作用,而地震动的空间非一致特性对于讨论的轴向长度水平(轴线长度尺寸为300～400 m)的地下洞室的破坏未产生不利影响。因此,在进行类似的岩体地下洞室地震动安全评价时可以不考虑地震动空间非一致性的影响。

拉西瓦水电站地下厂房洞室群分层开挖过程仿真反演分析

拉西瓦水电站厂房规模巨大,围岩主要为脆硬花岗岩,爆破后围岩分区明显;同时厂房区域山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,且分布较复杂,对洞室稳定性不利。为了评判开挖后地下厂房围岩的稳定性及支护的长期安全性,以地下厂房分层开挖现场实测位移为基础,根据多点位移计实测的离洞壁不同深度位移的变化规律将厂房洞壁周边围岩分为松动区、过渡区和稳定区;然后采用每层开挖引起的增量实测位移与相应的反分析位移均方差作为目标函数,分层进行围岩力学参数反演分析,得到上、下游厂房不同的地应力参数及地下厂房在开挖每层时围岩的岩体力学参数。结合反演得到的这些地应力场与围岩力学参数,对后续开挖时厂房围岩稳定性进行评价与预测,提出拉西瓦地下厂房围岩稳定性判定标准。该标准为后续地下厂房监测变形控制提供依据,有效地指导厂房支护设计与开挖施工。

锦屏二级水电站地下厂房围岩局部不稳定问题的实时动态反馈分析与工程调控研究

针对大型地下洞室开挖中频繁出现的局部失稳问题,提出围岩局部不稳定问题的实时动态反馈分析方法,满足了洞室不稳定区域防治的快速化和科学性要求。以具有代表性的锦屏二级水电站地下厂房第二层开挖过程中厂右0+263安装间部位上游边墙围岩单层变形增量达20 mm、变形速率达3.4 mm/d这一潜在不稳定问题为例,通过该部位围岩稳定性的实时动态反馈分析与工程调控的全过程分析,阐述如何走一条理论跟踪分析与工程调控相结合的新途径,以消除围岩的安全隐患。实践表明:将现场多元信息、反演分析和工程调控有机结合的实时动态反馈分析是解决地下工程局部稳定性问题的有效途径。另外,基于加固后的围岩等效力学参数的对比,通过现场工程实例方式证实锚杆提高围岩力学强度这一物理效应。

高地应力区大型洞室锚索时效受力特征及长期承载风险分析

深层预应力锚索支护是大型地下洞室围岩稳定控制的主要工程措施。针对高应力区岩体开挖卸荷稳定与锚固支护系统长期承载安全问题,通过对系统锚索安全长期监测成果的深入分析,研究锦屏一级水电站地下厂房系统锚索开挖期和开挖完成后5 a时间的受力特征、时空变化规律,分析锚索预应力随时间演化的时效特征,探讨锚索结构受力影响因素和高应力下长期承载风险,同时辅以数值模拟等手段对锚固系统长期安全性进行综合评价。研究结果表明,与常规洞室表现不同,该地下洞室大部分深层锚索超过设计锁定值,锚索系统负载高,持续增长时间长,时效性十分显著,开挖全部完成后2 a内才逐步趋于收敛,2～5 a基本稳定;锚索长期承载能力影响因素主要有岩体蠕变、锚索初始张拉应力、锚索施工与应力不均匀等;锚索系统长期承载安全是有保障的。

大型地下洞室顶板稳定性的岩体结构控制效应

采用结构力学方法和块体稳定性分析程序UNWFDGE分析了溪洛渡水电站大型地下洞室中错动带单条发育、结构面成组发育和结构面集中发育呈碎裂岩体三种情况下的围岩稳定性,得出了错动带出露的临界稳定厚度和潜在不稳定块体的特征,为支护处理提供了重要的理论依据。