基于3DGIS和3DEC的地下洞室围岩稳定性研究

三维地理信息系统(3DGIS)在可视化和建模方面具有独特的优势,而三维离散元程序(3DEC)是基于离散单元方法在处理结构控制型的工程围岩破坏问题中最成熟的技术之一。借助于3DEC内嵌语言FISH,将两者的优势结合起来,为水利水电工程中的地下洞室围岩稳定问题的咨询提供了有力的工具。

模型参数对3DEC动态建模的影响

与其他数值软件一样，用三维离散元程序（3DEC）模拟虑力波在节理岩体中的传播和衰减时，模型参数对模拟结果有很重要的影响。用3DEC对2个例子进行模拟分析：（1）一维正弦波在无节理的有限长岩杆中的传播；（2）一维正弦波在含一节理的有限长岩杆中的传播。探讨了单元网格尺寸、边界条件、节理刚度、节理本构模型和节理有无抗拉强度等对3DEC动态模拟结果的影响。研究结果表明：（1）单元尺寸对计算精度和计算耗时有很太影响；（2）粘性边界条件基本上可消除应力波在自由边界上的反射；（3）节理法向刚度和节理有无抗拉强度对应力波的传播有重要影响，透射系数随法向刚度的增大而增大，而反射系数则因压缩波和拉伸波而不同，压缩波的反射系数随法向刚度的增大而减小，当节理无抗拉强度时，拉伸波的反射系数与法向刚度无关；（4）连续屈服模型对透（反）射系数的影响与无抗拉强度的常刚度模型相似。

地裂缝错动对地铁区间隧道影响的三维离散元分析

拟建西安地铁2号线穿越10条地裂缝,地裂缝活动将影响地铁2号线的安全运营。应用三维离散元程序3DEC建立三维计算模型,分析了裂缝带错动对地铁区间隧道盾构管线的影响,得出了不同错距工况下隧道衬砌的变形和应力。通过计算得知,当土体上下盘底部竖向错距由10 cm增大到93 cm时,引起的衬砌竖向变形量由0.712 cm增大到13.99 cm,且最大变形均发生在沿纵向约35~36m处,距裂缝带距离约为9.5~8.5m;引起的管道纵向最大拉应力则由0.65MPa增大到18.43MPa,最大压应力由0.611MPa增大到16.9MPa,且最大应力区与最大变形区一致。这一结论的获得可为地铁设计、施工及其安全运营提供科学的理论指导及设计依据。

基于3DEC的急倾斜薄煤层俯伪斜开采矿压模拟研究

以逢春煤矿急倾斜薄煤层俯伪斜综合机械化开采为工程背景,采用3DEC离散元数值模拟方法,对不同煤层厚度、煤层倾角、顶板岩性条件下的覆岩垮落和支架受力变形规律进行模拟研究。数值分析结果表明,当煤层厚度较小、顶板较破碎或倾角较小时,采场顶板沿工作面倾斜方向的垂直应力、垂直位移和卸压拱高度较大,反之较小;支架工作阻力是工作面中部最大,上部次之,下部最小。根据数值模拟结果,研制出相应的液压支架并进行了工程应用,测试结果表明,支架工作阻力数值模拟结果与实测结果的误差在5.0%以内,该液压支架对急倾斜薄煤层俯伪斜工作面的适应性较好。

基于离散元技术的陡倾顺层岩质斜坡动力响应FFT特征研究

以汶川地震中失稳的干磨房滑坡为例,经充分分析工点的地质情况,结合FFT变换和3DEC离散元技术,提出一种新的陡倾斜坡动力失稳响应和失稳模式的识别方法。结果表明:在相同地震荷载作用下,陡倾顺层硬岩斜坡坡体中上部出现显著破坏面,坡脚无明显破坏;陡倾顺层软硬互层斜坡坡体中上部及坡脚均出现显著破坏面,破坏程度更严重;两类斜坡在同一水平高度处,由坡表向坡内一定范围内均出现显著破坏。研究成果有利于西南地区岩质斜坡失稳评价及机理分析。

基于3DEC矿体开采罐笼井的稳定性分析

当开采65°岩石移动角范围内的矿体时会影响矿区罐笼井的安全。为了探究65°移动角范围内矿体开采对矿区罐笼井稳定性的影响,该文以阿勒泰市阿巴宫矿区为例,采用3DEC软件建立三维数值计算模型,计算分析现状及当下阶段开采时罐笼井的稳定性。结果表明,矿区现阶段罐笼井侧水平位移最大值为4.44mm,且主要集中在罐笼井中部区域;拟开采区域开采后罐笼井底部区域的平均水平位移为5.22mm,局部位移值较大容易导致岩体破碎,对罐笼井结构的稳定性产生影响。该文采用离散元数值模拟技术评价了罐笼井的安全稳定性,可以为类似工程提供参考。

基于精细三维地质建模的防渗帷幕优化设计研究

裂隙岩体渗流问题广泛存在于采矿、水利、边坡和地下工程之中,严重影响工程稳定性,给大坝防渗帷幕的设计带来了困扰。结合深汕水底山水库工程,针对重力坝绕坝裂隙岩体渗流问题,利用3DEC离散元数值模拟的方式,构建含裂隙网络的精细三维地质模型,对基于地勘信息的防渗帷幕初步设计方案进行岩体裂隙渗流分析,提出了右岸处防渗端界沿水平方向延伸以及左岸整体防渗墙深度向下延伸的建议。

拱坝-坝肩整体动力稳定分析方法研究

三维变形体离散元是模拟不连续介质力学行为的有效数值分析方法,在拱坝-坝肩整体耦合系统静、动力力抗滑稳定分析方面有突出的优点。本文利用三维变形体离散元(3DEC)考虑坝体与坝肩的相互作用,采用坝肩滑裂体动态安全系数时程、坝体应力、坝肩推力、坝肩滑裂体位移曲线联合对拱坝-坝肩系统的稳定进行安全评估。算例分析结果表明:某拱坝-坝肩系统在峰值强度为0.321g的三向地震荷载作用下,该拱坝坝肩最危险滑裂体最小瞬时抗滑稳定安全系数为2.14,同时拱坝坝体压应力没有超过容许应力,坝肩滑裂体顺河向位移收敛,因而拱坝-坝肩整体系统满足抗滑稳定安全要求。

不同形貌节理对应力波传播影响的数值模拟

用3DEC离散元软件对一维正弦纵波在无节理有限长及有一节理有限长岩杆中的传播进行标定,确定建模的单元网格尺寸、边界条件等参数。然后对一维正弦纵波在含量化的不同粗糙度节理面的岩杆中传播进行数值模拟,探究应力波穿过不同形貌特征的节理时的透反射规律。分析模拟结果发现:节理面粗糙度JRC值相同,相对节理初始法向刚度不同时,随着刚度系数的增加,透射过节理面的应力波越多,在α<0.5时,透射系数值增加较快;在α>0.5时,透射系数值增加较慢,逐渐趋近于1。同一刚度系数α值下,随着节理粗糙度JRC值的增加,透射系数增大,当α>1.5时,透射系数趋于稳定。