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。

大型洞室群稳定性分析与智能动态优化设计的数值仿真研究

为实现数值仿真计算结果能准确反映大型洞室围岩实际力学行为,结合锦屏二级水电站地下厂房枢纽洞室群稳定性分析,在阐述大型地下洞室群数值仿真计算要点基础上,首先重点从岩体本构模型识别和力学参数识别2个方面详细介绍如何实现数值仿真计算的正确化。采用考虑空间分布协调的多元监测信息的6次岩体力学参数跟踪识别,获得锦屏二级地下厂房岩体的等效力学参数,从而通过参数反分析的方法在一定程度上证明岩体等效力学参数具有相对稳定性和可识别性。同时,结合数值模拟展现出的围岩应力、变形、塑性区等方面计算结果与工程岩体的具体地质条件和洞室群结构特点,论述锦屏二级水电站地下厂房上游高边墙变形较大、下游侧拱围岩与喷混凝土破坏、母线洞环状开裂、交叉洞口局部塌落等洞室围岩的变形与破坏机制。最后,结合锦屏二级地下厂房枢纽洞室群稳定性分析与实践的研究认识,对大型地下洞室修建中诸如结构面密集的高边墙支护问题、围岩应力集中区支护问题、工程区地下水对围岩稳定性影响等问题进行论述,并探讨如何通过数值仿真计算、现场监测与经验丰富的专业人员的有机结合来实现大型地下洞室群稳定性设计的科学化。

大型洞室群高边墙位移预测和围岩稳定性判别方法

以二滩地下厂房群的结构形式为主要背景,考虑4种基本因素,经过大量的数值分析算例,拟合出一个可预测地下厂房高边墙关键点位移的推算式。所考虑的基本因素为岩体变形模量、洞室埋深、主厂房高度和水平初始地应力测压系数。在岩体参数中已隐含着配套的岩体强度参数。首先,采用国际上通用的FLAC3D软件进行准三维大量围岩稳定性分析计算,通过拟合得到预测位移的推算式为二阶代数方程,可迅速推算出边墙关键点的弹塑性和弹性位移值。然后,对国内已建成或在建的8个地下工程运用该推算式对关键点的位移值进行推算,并将结果和这些工程的数值分析值进行对比。结果表明,二者相符较好,从而说明该推算式的有效性。之后,又提出3种用于判定围岩稳定性的方法。建议采用普适性较好的弹塑性位移和弹性位移的比值判别方法。运用该判别方法对上述8个地下工程的围岩稳定性状态进行判断。同时,在大量算例总结基础上,对不同埋深给出相对位移比θ的临界预警值θc,并拟合出临界预警值随埋深变化的线性方程式。在考虑一定的安全系数后,将上述8个地下工程边墙位移比kθ与相应的临界预警值θc进行对比。最后,认为该8个地下工程中有4个稳定性差,建议需考虑施加长锚索加固以保证工程的稳定性。从该4个地下工程的实际设计来看,这些地下工程都已采用长锚索加固高边墙的方案,说明所提出的判别方法是有效的。

大型洞室群稳定性与优化的并行进化神经网络有限元方法研究——第一部分:理论模型

提出并行进化神经网络有限元方法,通过有限元计算构造样本,用并行进化搜索到的神经网络学习并建立计算方案与地下洞室关键点最大位移和破损区体积之间的映射关系;随机产生一组初始方案,以关键点最大位移和破损区体积大小与参考值的差值比加权和作为评价指标,对该组方案进行遗传操作,产生下一代可行方案,由此进行下一步操作直至找到最优方案。利用自主开发的基于WINDOWS平台的并行计算环境(RsmVPC)来实现并行计算,该方法使得大规模优化问题在PC机群上实现了并行求解,提高了计算速度、规模与精度。

大型洞室群收敛位移分析的集成智能研究

针对地下大型洞室群施工的反馈分析速度慢、难以跟上施工进度的问题,研究了把数据库、知识库、模型库和推理机集成为一体的收敛位移的智能分析系统,并开发了系统原型。介绍了系统功能、总体结构、各子系统的结构、推理方法和数据组织方式。通过该系统对富尔江引水遂洞桩号1+205断面的位移数据的分析,证明本系统的开发是成功的。

复杂条件下大型洞室群施工反馈分析集成智能系统研究

地下工程具有复杂性和不确定性的特点,大型洞室群施工反馈分析需要综合经验知识、统计分析和数值模拟等多种手段。在介绍反馈分析流程和多种反馈分析方法基础上,提出的包括数据库、知识库、模型库和推理机的 IDSS 框架的反馈分析的集成智能系统,并基于 PB 和 VC++平台进行了程序的初步开发。通过在水布垭电站地下厂房的施工反馈分析中应用表明,该系统模式和开发策略是可行的。

基于三维数值模拟-SVM非线性模型的大型洞室群围岩参数进化识别

对于大型洞室群工程,基于三维数值模型进行力学参数识别具有重要意义,但三维数值模拟正算过程需消耗大量时间,且解容易限于局部最小,传统优化方法受到限制。为解决上述问题,本文在已有研究基础上,引入支持向量机和遗传算法,提出了一种新的力学参数识别方法———基于三维数值模拟-SVM非线性模型的洞室围岩参数进化识别方法。将该方法应用于清江水布垭电站地下厂房工程的围岩参数识别,获得了令人满意的效果。

面向对象的大型洞室群智能优化平台及可视化研究

利用面向对象编程，基于WINDOWS平台的集成化的岩土力学并行计算环境（Rsm VPC），开发了大型洞室群方案和参数的智能优化平台。该平台提供了可视化界面，并对底层的智能化软件（遗传算法、神经网络）进行了较好的封装，使得用户在不熟悉智能方法的内部机制的情况下，能够较方便地按照提供的输入数据格式进行大型洞室群的开挖顺序或支护设计的优化。该平台使得大型洞室群优化问题在PC机群上实现了并行求解，提高了计算效率与精度。

大型洞室群围岩破坏模式的动态识别与调控

在归纳地下工程围岩破坏模式分类、分析方法和控制措施等方面研究成果的基础上,建立大型地下洞室群围岩破坏模式的分类方法。该分类方法充分考虑大型洞室群大尺寸、大高宽比和多洞室相互作用等特点,依据控制因素、破坏机制、发生条件3个层次归纳出18种典型的围岩破坏模式,给出每种破坏模式的主要稳定性分析方法和针对性控制措施等方面的建议。并进一步根据大型洞室群分步开挖过程中不断更新的工程地质条件和围岩性状,提出围岩破坏模式的动态识别、复核与调控方法。该方法已成功应用于锦屏二级水电站地下厂房洞室群的开挖过程中围岩破坏模式识别和实时工程措施(开挖和支护)调控,实现施工过程中围岩局部不稳定性问题的识别、预测与动态调控。实践表明,该方法实用、科学和系统,可有效地指导大型地下洞室群施工过程中的开挖与支护设计动态优化,避免局部不稳定性问题的发生。

溪洛渡水电站左岸地下厂房大型洞室群通风规划

溪洛渡水电站地下厂房洞室群埋层深、直接对外的通道少、线路长、洞室群密集,通风散烟难度非常大。通过对溪洛渡水电站左岸地下厂房大型洞室群开挖通风量进行详细的计算,并结合现场实际选定了合理的通风方案,较好地解决了地下厂房大型洞室群施工通风难题,其通风方式可供同类工程借鉴。

构皮滩水电站大型洞室群开挖支护技术

本文结合贵州构皮滩水电站大型洞室群施工,总结强岩溶影响下大型洞室群开挖支护技术,仅供类似工程设计、施工参考。

“复杂大型洞室群稳定性快速动态反馈分析与闭环优化设计方法”科研成果通过鉴定

2012年4月25日，“复杂大型洞室群稳定性快速动态反馈分析与闭环优化设计方法”科研成果通过中国岩石力学与工程学会组织的鉴定。鉴定委员会认为：该研究成果在地下岩石工程信息化设计与施工领域总体上达到了国际领先水平．并建议继续加强该项目研究方法与成果在类似工程领域中的推广应用。中国水电顾问集团华东勘测设计研究院根据锦屏二级、泰安、

高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比关系研究

岩石强度应力比是表征围岩稳定性的重要指标之一。研究围岩变形破坏与强度应力比的关系,揭示二者间的规律性联系,对高地应力硬岩大型地下洞室群围岩稳定性控制具有重要意义。以具典型高地应力特点的锦屏一级水电站和猴子岩水电站2个硬岩大型洞室群为研究对象,首先系统梳理了2个工程的围岩岩性、岩石强度和初始地应力等工程地质条件,并详细统计了洞室群施工期围岩破坏类型和数量;通过对地下洞室群围岩的岩石强度应力比进行分区,并结合围岩140多个破坏现象和发生部位,建立了高地应力硬岩大型洞室群围岩变形破坏与岩石强度应力比之间的联系;采用不同的初始地应力分级标准,并结合洞室群围岩破坏特征,验证了基于强度应力比修正的地应力分级标准对高地应力硬岩洞室群的适用性,揭示了围岩应力诱导型破坏随岩石强度应力比的变化规律。研究成果有助于今后高地应力条件下硬岩大型地下洞室群施工期围岩破坏类型预测,并为提出具有针对性的施工期围岩稳定控制措施提供参考。

大型地下洞室群地震动力灾变研究综述

总结了大型地下洞室群地震动力灾变研究中的若干重要问题的研究进展,包括4个方面:大型地下洞室群地震动力灾变模式的分类、地震动力灾变诱发因素的辨识、现有地震响应的分析方法的简介、以及地震动力灾变过程模拟及控制方法的进展。在对现有研究成果进行评述的基础上指出了需要解决的问题和今后的发展方向,包括大型地下洞室群的地震监测、室内模型试验及现场原型动力特性观测、大型地下洞室群地震动输入机制、地震作用下的岩体动力本构模型,以及大型地下洞室群地震动力灾变准则、大型地下洞室群地震动灾变控制措施、研究成果的共识和规范化等。希望此文可为今后的相关工作提供一定的参考和依据。

龙游大型古洞室群变形破坏方式及加固方法研究

位于中国浙江省西部龙游县的龙游大型古地下洞室群由24个洞室组成,该发现引起了国内外有关专家的关注。对该洞室群进行了多次现场工程地质调查,发现该洞室群已产生了程度不一的破坏,其破坏方式主要表现为洞顶及岩柱的破坏。对完整洞室1#～5#洞而言,也存在着一定的安全隐患。调查发现,在这5个洞室内,洞顶、边墙上的裂缝较为发育,其中1#洞洞顶靠近柱子周围部分、1#,2#洞公共墙上、2#洞洞顶以及3#,4#洞西边墙上的裂缝均较为发育,对洞室群的整体稳定极为不利。为了更好地保护这一人类文化瑰宝,采用FLAC3D数值计算,对洞室变形破坏机理进行了研究。在此基础上,以1#,2#洞为例,本着安全第一,整旧如旧的原则,提出了以支顶为主的加固方法。

地震荷载作用下大型地下洞室群的动态响应模拟

利用FLAC3D软件模拟了地震荷载作用下某地下洞室群围岩的动态响应。对2种工况的地震荷载作用进行了动力计算。采用新的劈裂破坏判据对震后可能出现的劈裂损伤区范围进行了预测。详细分析了围岩内应力场、位移场分布以及能量变化的情况,并与震前进行对比。分析结果表明:FLAC3D软件用于地震荷载作用下地下洞室群动态响应的数值模拟是可行的,工程上应慎重考虑地震荷载的影响。

深度衰减效应对大型地下洞室群强震响应的影响分析

介绍了大型地下洞室群强震反应分析所需要输入地震波的选用原则,重点考虑了场地的深度衰减效应,同时提出了一种假设来确定地震危险性分析提供的峰值加速度的所在位置。选用了两组攀枝花实测地震记录,同时利用三角级数叠加法综合考虑了深度衰减效应,合成了一组人工地震动,使用ABAQUS软件对某水电站大型地下洞室群进行了二维非线性强震动力时程数值计算分析。结果表明:生成的地震波能较好地模拟地下洞室群的地震响应,深度衰减对地震响应结果有明显影响,不同频谱的地震波相对位移-时程差距较大,但频谱参数的影响还有待于深入研究。研究成果对大型地下洞室群地震动输入问题研究具有一定的指导意义。

大型地下洞室群施工交通运输仿真分析

大型地下厂房洞室群施工交通运输是一项庞大而复杂的系统工程。介绍了基于生产线平衡原理而研发的大型地下洞室群施工交通运输仿真系统(UPCTS),可通过开挖和衬砌施工全过程仿真,对地下洞室群施工交通运输方案的可行性和优化进行量化评判,具有较强的实践性和拓展性。该系统应用于锦屏二级水电站引水隧洞工程,论证了其施工交通运输方案可行,并对运输方式与车辆型号提出了优化建议。

地震作用下大型地下洞室群位移特征的若干影响因素分析

利用三角级数叠加法,考虑到基岩场地的深度衰减效应,生成了大型地下洞室群非平稳人工地震动加速度时程。然后利用动力时程分析法,对大渡河某水电站大型地下洞室群进行了非线性地震动力响应分析,研究在不同频谱人工地震波作用下地应力特征、峰值加速度和频谱对大型地下洞室群位移特征的影响。分析结果表明,地下洞室群相对位移随着侧压力系数和峰值加速度的增加而略有增加,不同频谱的地震波有着截然不同的位移特征。研究成果对高地震烈度区地下洞室群抗震稳定性分析具有一定的借鉴意义。

大型地下洞室群地震模拟振动台试验研究(Ⅱ):试验方案设计

为了解大型地下洞室群在地震过程中的动态响应特征,以大渡河流域的大岗山水电站大型地下洞室群为原型,开展地震模拟振动台物理模型试验研究。作为国内外首次进行此类振动台试验研究,系统介绍整个试验的方案设计。首先,根据本次试验的目的和特性,给出试验基本简化原则,并对模型体系进行相似设计,按照完全相似模型推导出各物理量的动力相似常数、确定模拟范围、模型尺寸和相似材料配比。然后,对试验边界条件进行设计,确定了作为柔性边界的聚苯乙烯泡沫板的材料和几何参数,制作了用于测量围岩内部应力的应变砖传感器,并介绍模型制作、洞室成型与开挖等工艺步骤;最后,确定试验输入波形,并按相似理论要求进行调整,给出模型试验的加载工况。经后期试验数据的分析,证明试验条件简化合理,模型设计与制作成功。一整套模型设计方法与制作工艺,可供今后类似试验作为参考。