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。

基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法

分析不同岩石强度应力比条件下典型水电站地下厂房洞室群围岩的破坏模式和变形特征,阐明岩石强度应力比与洞室围岩的承载能力、破坏模式、变形特征之间的关系,并根据洞室群效应及其对洞室群围岩稳定的影响、谷坡地应力场特征、地应力分级标准、大量已建水电站洞室群布置设计统计资料、数值分析成果、既有相关研究成果、工程经验,创建基于岩石强度应力比的大型地下洞室群布置设计方法,提出具体的量化指标和相关计算公式。该方法主要根据岩石强度应力比,结合场址地应力场特征、围岩结构面发育特征等进行地下洞室群的布置设计,较为全面地考虑了影响地下洞室群围岩稳定的主要因素,适用于各种地应力水平和复杂地质条件的地下洞室群布置设计。

地应力环境对深埋硐室岩爆特性影响的数值模拟研究

为了探究地应力环境对深部硐室岩爆特性的影响,通过FLAC3D数值模拟软件,建立了高地应力环境下圆形硐室的数值模型,结合硬岩在某个特定围压状态下的实验数据,拟合出了硬岩的极限储能值经验公式,基于岩石应力强度比、弹性变形能岩爆判别指标和相关判据,研究不同地应力环境对岩爆的影响。研究结果表明,岩爆产生的风险和对应的岩爆烈度等级均会受到地应力环境的影响。具体表现为当侧向压力系数λ<1.00时,岩爆会产生在硐室两侧,随着侧向压力系数的增加,岩爆判别指标数值减小,硐室发生岩爆的风险降低;当侧向压力系数λ>1.00时,岩爆发生在硐室的顶部和底部,随着侧向压力系数的增加,岩爆判别指标数值增大,硐室发生岩爆的风险增大。

考虑中间主应力效应的隧洞岩石抗力系数的计算

基于统一强度理论导出圆形水工隧洞岩石抗力系数的计算公式。从该公式中不仅可得到以往的一些结果,还可得到一系列新的结果。这些新结果可以定量考虑岩石的中间主应力效应,因而能灵活地应用于各类岩石。

山西中部引黄工程东干线隧洞岩爆预测

以山西中部引黄工程东干线为研究对象,利用工程勘察资料,利用工程地质方法对隧道中是否存在岩爆问题进行了评价,查明了不同埋深、不同岩性条件下,硬岩产生岩爆的可能性,经综合评价,该工程隧洞埋深较浅时不存在岩爆可能性,埋深较大时存在发生轻微岩爆(Ⅰ级)—中等岩爆(Ⅱ级)的可能性。建议在隧洞施工中加强地应力和岩爆监测,以保证隧洞施工安全。

论地震发生机制

地震发生的物理机制和过程是还没有认识清楚的问题.此前人们将浅源地震归因于弹性回跳,根据这一观点和岩石实验结果计算得到的地震能量与实际观测结果有很大矛盾,被称之为"热流佯谬".中源和深源地震发生在地幔区域,其成因也没有合理的解释.考虑到地壳和地幔是离散集合态物质体系及其慢动力学运动行为的基本特点,本文根据物理学原理,特别是近年凝聚态物理发展出来的相关新观念,并依据已有观测事实,从新的视角探究地震发生的物理机制.1)关于地壳岩石层中的应力分布:在不考虑构造力时,依据万物皆流的流变学原理,原始地壳岩石在自重压强长时间作用下,纵向和横向应力相同,没有差应力.大地构造力推动岩块滞滑移动挤压断层泥,施加于其他岩块,逐渐传递和积累.这种附加的横向构造力与原始岩石中应力叠加,形成地壳岩石层中的实时应力.由于断层泥属于颗粒物质体系,具有与岩石不同的力学特征,其弹性模量比岩石小得多,且随压强而增大,导致构造作用力随深度非线性增大.给出了地壳中构造应力分布及其变化规律.2)关于地壳岩石层强度:地壳岩石的自重会使岩石发生弹性—塑性转变.通过对弹性—塑性转变深度的计算,并根据实际情况分析,给出了地壳岩石弹性、部分塑性和完全塑性三个区域的典型深度范围.在部分塑性区,塑性体比例达到约10%以上时,发生塑性连通,这时岩石剪切强度由塑性特征决定.塑性滑移的等效摩擦系数比脆性破裂小一个数量级以上,致使塑性滑移时岩石剪切强度比脆性破裂小得多.同时,随深度增大,有多种因素使得岩石剪切屈服强度减小.另一方面,地震是大范围岩石破坏,破坏必然沿薄弱路径发生.因此,浅源地震岩石的实际破坏强度必定比通常观测到的岩石剪切强度值低.给出了地壳岩石平均强度和实际破坏强度典型值随深度的分布规律.3)关于地震发生的条件和机制:地震发生必定产生体积膨胀,只有突破阻挡才可膨胀.地震发生的条件是:大地构造力超过岩石破坏强度、断层边界摩擦力以及所受阻挡力之和.因此,浅源地震是岩石突破阻挡发生的塑性滑移.在此基础上提出了浅源地震发生的四种可能模式.深源地震是冲破阻挡发生的大范围岩块流.浅源地震和深源地震都是堵塞—解堵塞转变,是解堵塞后岩石层块滑移或流动造成的能量释放.4)关于地震能量和临震前兆信息:地震能量即为堵塞—解堵塞转变过程释放的动能.以实例估算表明,地震岩石滑移动能与使岩块剪切破坏和克服周围摩擦阻力所需做的功相一致,不会出现热流佯谬.同时指出,通过观测地震发生前构造力的积累过程、局域地区地质变迁以及岩石状态变化等所产生的效应,均可能获得有价值的地震前兆信息.