压缩空气储能人工硐库热力耦合解析方法研究

压缩空气储能人工硐库在充气和抽气循环过程中,空气温度、压力,以及硐壁密封层、混凝土衬砌和围岩的温度、应力和应变一直处于变化之中。联合求解这些变量是工程设计中的关键技术,也是理论分析的难点。在一维热传导基本解和人工硐库空气温度基本解的基础上,基于硐壁对流换热和热传导能量守恒,提出人工硐库内空气热力学计算与硐壁热传导的耦合解析方法。与数值模拟结果进行了对比,验证了所提方法的正确性。对一个钢质密封层人工硐库实例进行了分析。结果表明,充抽气过程引起硐库内空气温度的剧烈变化,空气压力变幅明显大于基于恒温假定得到的压力变化结果。硐壁温度周期波动影响深度有限,当混凝土衬砌厚度大于周期波动影响范围后,围岩温度以持续升高直至稳定为特征,围岩强度和稳定性分析可以不考虑周期循环温度的影响。密封层受温度和空气内压双重作用明显,密封层设计需考虑材料的热机械疲劳问题。混凝土衬砌内外表面环向应力和法向应变特征差异巨大,不同工况下内外表面环向应力可能接近混凝土材料的抗压和抗拉强度,混凝土材料的抗压和抗拉强度同为设计的控制因素。混凝土衬砌可以减小围岩压力,但作用有限。在适当的埋深条件下,选择适当的充气压力,可以保证围岩处于弹性状态。

延庆西拨子洞体应变速率变化异常识别

1西拨子洞体应变观测概述。地壳形变与地震孕育发生有着紧密的联系,洞体应变观测仪(伸缩仪)是精密测量地壳岩体两点间水平距离相对变化的仪器,适用于观测地壳应变和固体潮水平分量的连续变化,定点应变潮汐连续观测数据可反映该区域地壳应力—应变状态的长期变化,为研究地震孕育过程中水平应变的变化规律提供数据。

云南洞体应变仪M_(2)波月潮汐因子精度浅析

通过对2016年1月~2020年12月云南洞体应变M_(2)波月潮汐因子精度进行统计分析,对云南洞体应变观测资料内在质量及其干扰因素进行研究。研究结果表明仪器故障、气象、人为因素、施工等为影响洞体应变观测资料内在质量的主要干扰因素。

基于光纤光栅技术的围岩大应变连续监测研究

围岩应变是地下洞室开挖监测的重要内容之一,采用传统应变监测仪器无法测得连续的围岩大应变。本文结合工程实践,基于光纤光栅位移传感器设计出一种连续测量围岩大应变的改进型大量程光纤光栅应变监测装置。该装置将多支改进型大量程光纤光栅应变传感器组装成串,可连续测得仪器埋设沿线任一测点的应变量。监测成果表明,洞室扩挖时光纤光栅仪器测得围岩应变变化明显,与埋设部位围岩地质结构和施工开挖实际较为吻合,与附近多点变位计监测结果变化规律基本一致。由于光纤光栅仪器具有灵敏度高、精度高等优点,因此能够监测到安装孔内轴向任意间距围岩应变情况。

喷锚支护洞室抗爆现场试验锚杆应变研究

如何提高地下洞室的抗爆能力对国防和民用地下结构设施有着重要的工程意义,而锚杆锚固支护是常见的洞室加固方法。结合现场爆炸试验,介绍了三种锚杆锚固洞室,分析在不同形式锚杆锚固体系的作用下,位于洞室各个位置的锚杆内部应变情况,对比分析了第五炮次作用下锚杆的应变时程曲线,以及到达最大应变的时刻和最大应变所在锚杆位置,其中,短密锚杆锚固作用下锚杆应变数值较小,长密锚杆次之,常规锚杆应变较大;另外,本次试验还对比分析了两种锚杆垫板锚固效果,从抗爆效果上看,碗形垫板具有更好的锚固效果。本文总结出较好的锚杆锚固形式,为工程实践提供一定的借鉴。

坚硬脆性岩体中圆形洞室岩爆破坏的平面应变模型试验研究

为了探讨圆形地下洞室围岩岩爆破坏过程与机制,以单轴抗压强度(σc)、脆性系数(K)与冲击能量指数(WB)为概化指标,通过物理模型材料的正交试验,选取合适的具有岩爆倾向性的坚硬脆性岩体物理模型材料,制作了尺寸为800mm×800mm×200mm(长×宽×厚)、中心为φ160mm的圆形洞室物理模型试件,并在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行平面应变物理模型试验。试验结果表明:在保持物理模型试件水平荷载与垂直荷载相等并同步提高过程中,围岩由弹性状态进入塑性状态,σθ-(r/r0)曲线表现峰值后移,σr-(r/r0)曲线形状变化不明显。当对物理模型试件同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为600kN时,洞壁出现葱皮状剥落。同步施加水平荷载Ph与垂直荷载Pv均为630kN时,围岩在极短的时间与极窄的加载区间内围绕洞壁出现大规模突发性破坏,继续同步施加Ph与Pv,在相对较长时间与荷载区间内,围岩应力调整,出现相对稳定期。

坚硬岩体中马蹄形洞室岩爆破坏平面应变模型试验

为了探讨马蹄形地下洞室围岩岩爆破坏过程与机理,以单轴抗压强度(σc)、脆性系数(K)与冲击能量指数(WB)为概化指标,通过物理模型材料的正交试验,选取了合适的具有岩爆倾向性的坚硬脆性岩体物理模型材料,制作了长800 mm×宽800 mm×厚200 mm的马蹄形洞室物理模型试件,并在岩土工程大型真三轴物理模型试验机上进行高应力条件下平面应变物理模型试验。试验结果表明:在高地应力条件下,马蹄形洞室坚硬脆性围岩岩爆破坏主要在洞壁围岩初始破坏裂纹产生后,在极短的时间与极窄的加载区间产生的破坏,破坏具有突发性;洞室围岩在发生岩爆破坏后,围岩应力要进行重新调整,在相对较长时间与加荷区间内围岩表现相对稳定。岩爆破坏过程的物理模拟结果与工程实际基本一致。

抚顺地震台洞体应变异常变化综合分析

抚顺地震台SS-Y洞体应变观测NE分量自2016年8月出现压性转张性变化,在2017年1月开始出现明显的张性转压性变化且变化速率较快,至今已持续15个月时间。在排除仪器工作状态、仪器主机、数据采集器、放大器、降雨量、周边环境变化等方面干扰后,利用仪器对比、数字滤波及周期分析等方法深入研究异常变化的可靠性及真实性。经分析认为该异常的压性变化真实可靠,但对比其他仪器认为其速率变化可靠性低,故认为该仪器变化异常信度不高。

基于改进的非连续变形方法的洞室围岩稳定性分析

为了更符合实际工程,拓展非连续变形分析(DDA)的应用范围,将DDA中自带的平面应力问题转换为平面应变问题,对平面应变模型进行算法分析,并在VC++平台下程序实现;将岩体DDA方法平面应变模型应用于大型地下洞室开挖,并将模拟结果与已有大型洞室的物理实验结果进行对比。研究结果表明:DDA方法中平面应力模型的改进可行,与物理试验结果吻合度较好;洞室围岩的破坏与开挖的关系密切;DDA方法平面应变模型应用于大型地下工程,可以更好地分析洞室围岩的稳定性。

大规模压气储能洞室稳定性和洞周应变分析

地下储气构造物是压气储能(CAES)电站选址的决定因素,其中人工开挖的硬岩洞室因其受地质构造限制小、适应范围广而备受关注。针对压气储能地下洞室方案选型和密闭性要求,选择了典型的洞室埋深(200、300、500 m),考虑不同的洞室形式(隧道式和大罐式)和洞室尺寸,采用Abaqus有限元软件计算出高内气压下压气储能洞室围岩的塑性区和洞周应变。通过分析开挖后和充气后两个工况下围岩的受力和变形特征,获得合适的洞室形式。当围岩级别为Ⅱ级、内压为10 MPa的情况下,埋深为300 m的圆形洞室和大罐式洞室稳定性较好,该埋深下6 m直径圆形洞室最大洞周应变为7.55410??,容积为5 310 m大罐式洞室最大洞周应变为5.54410??,以上值都在一般橡胶类高分子密封材料的正常工作范围内,这为密封材料在不同温度下的延伸率和耐久性研究提供了基础数据。

数种情形下土钉的瞬态应变累积效应分析

概述了洞室土钉支护抗动载试验的基本情况,并给出了洞室拱顶土钉的测试数据.依照实验现象,考察对比了毛洞与土钉支护段与土钉支护构措段的瞬态应变和炸药药量的关系,及其三者的瞬态应变和加载次数的关系;指出了药量、加载次数、不同的支护参数是影响瞬态应变的重要因素,构措段具有最好的降低应变的能力,有最好的抗变形能力.综合考虑前两方面的情况,提出了累次应变综合值的概念.

3B坝段坝身孔洞洞周应力应变分析

百色水利枢纽 3B坝段孔洞密集 ,且在空间位置上相互交错。为此 ,采用三维有限元数学模型对 3B坝段坝身孔、洞进行应力应变分析 ,定量分析了各工况下坝体孔、洞周边的应力应变量值及分布特征 ,评价了坝体应力的安全性 ,为孔。

高应力强卸荷下双江口花岗岩岩爆中间主应力效应宏细观试验研究

高应力强卸荷下的地下洞室围岩岩爆机制是当前亟待研究和解决的前沿课题。针对双江口水电站地下洞室群的花岗岩,利用新型真三轴加卸载试验系统开展不同中主应力下的三向五面真三轴岩爆模拟试验,并采用扫描电镜、能谱仪等综合分析岩爆破裂面的细观结构特征,分析了不同中主应力下试样的强度和变形特征、宏观破坏形态、岩爆破坏过程和破裂面及主要矿物细观破裂模式。试验结果表明:(1)随着中间主应力的增加,岩爆后的试样宏观破坏由拉伸破坏向剪切破坏转变;(2)随着中间主应力的增加,岩爆类型由迟滞应变型向即时应变型岩爆转变,岩爆剧烈程度先增大后减弱;(3)各中间主应力下试样爆坑断口为剪切断口,岩爆弹射碎屑上的断口为张拉断口;(4)主要矿物细观破裂模式与中间主应力无关:石英和钾长石发生沿晶和穿晶断裂的几率几乎相同,斜长石和云母则更易发生穿晶断裂。研究成果可为后续开挖阶段的岩爆防治提供技术支撑。

超大跨度扁平地下洞室变形控制标准研究

为解决目前超大跨度扁平地下洞室(跨度大于50 m)变形控制尚无明确规范的问题,基于某工程实例,采用理论解析与数值模拟相结合的方法,对大跨洞室变形控制标准进行研究。以围岩应变作为岩体强度指标评判大跨洞室稳定性,建立洞室拱顶沉降量S与围岩极限应变ε的关系,并提出以"沉降跨度比"作为大跨洞室沉降变形控制指标,给出适用于各施工阶段的变形控制标准,并建立变形控制标准分级管理办法。研究结果表明:1)大跨洞室沉降变形允许值与洞室几何形状、围岩强度特性相关;2)结合本工程大跨洞室"分部开挖-预留岩柱"的开挖方案,洞室变形主要发生在大跨洞室阶段。

考虑损伤与结构面影响的高应力地下洞群开挖反馈分析

针对猴子岩水电站地下厂房区高地应力环境和围岩岩性及其结构特点,将考虑损伤与结构面影响的弹塑性应变软化模型应用于厂房洞群的开挖反馈分析中。分析结果表明,由于岩体内层理不发育,Ⅲ、Ⅳ级结构面仅局部发育且无明显的优势方位,围岩损伤特征主要与地应力场有关,拱肩和边墙是损伤重点发生部位;结构面显著地影响了围岩变形量值,相比于不考虑结构面的情况,两者围岩位移相对差最大可达34.43%;考虑损伤与结构面的双重影响后,除主厂房顶拱浅表层个别测点外,多数测点的位移计算值与监测值吻合较好。

60 m大跨度洞室最小矢跨比研究

大跨度洞室的最小矢跨比是大跨度洞室尺寸设计的重要参考依据,基于能够考虑岩体软化、剪胀、体胀、密度变化等开挖响应特征的Cavehoek本构模型和能够反映不同岩体质量、岩石单轴抗压强度条件下的极限应变标准,对不同地质强度指标GSI、埋深、侧压力系数、结构面等条件下的60 m大跨度洞室的最小矢跨比进行了研究。结果表明,GSI、侧压力系数、埋深3个因素中,GSI对大跨度洞室的最小矢跨比影响最大,侧压力系数和埋深次之;岩体质量越好,最小矢跨比越小,最小矢跨比与侧压力系数和埋深之间并非线性关系。结构面和岩石单轴抗压强度对大跨度洞室最小矢跨比有较大的影响,尤其是缓倾结构面非常不利于大跨度洞室成拱。

考虑围岩峰后强度脆性跌落的洞室黏弹塑性解

岩石全应力-应变曲线常被简化成3阶段模型,该模型的软化阶段应力与应变呈线性相关而忽略了岩石峰后强度下降由快而慢的过程,得到的洞室围岩理论解答与实测相比有一定误差。针对传统的3阶段模型忽视岩石峰后实际路径特征,将岩石的全应力-应变曲线简化成体现峰后强度脆性跌落特性的4阶段模型,考虑围岩的扩容、流变特性,推导了4阶段模型各分区应力、位移解析解,并引入围岩峰后强度跌落公式,获得了各分区半径解答。通过工程实例将本文方法求解的分区半径与其他方法对比分析获得围岩峰后强度跌落公式的适用范围,并将本文求解的洞壁位移与实测进行对比,验证了本文方法的可行性;并分析了软化模量、流变特性等因素对围岩应力、位移和分区半径的影响。研究表明:考虑岩石的流变特性和峰后强度跌落阶段对围岩分区半径有一定影响,且分区半径随着岩石峰后强度跌落系数λ的增大而增大,当λ的取值范围为0.6≤λ<1时,洞壁计算位移与工程实测较为接近;软化模量对洞壁位移和分区半径影响较大且对黏塑性软化区的影响大于黏塑性强度跌落区,流变特性对围岩的影响主要体现在洞壁位移与切向应力上。研究成果为深埋洞室黏塑性范围、洞壁位移等关键数据的预测提供借鉴。

江汉超深超大型盐穴洞形优化研究

针对盐穴储气库建设过程中面临的技术挑战,通过对不同尺寸溶腔围岩变形量、塑性区、体积收缩率和套管鞋高度等进行计算,模拟出不用内压条件下溶腔的安全性变化规律,并优化了腔体设计,保障了储气库经济效益和安全生产,也为超深超大型盐穴洞形优化以及储气库长期稳定运营提供参考。

光纤光栅传感技术在洞室围岩变形监测中的应用

光纤光栅传感器利用波长调制传递信号,具有测量精度高、抗干扰强、传输距离远、可连续测量等特点,在桥梁结构健康监测、火灾报警等领域已得到广泛应用,但在洞室围岩变形(应变)监测中应用较少。通过对光纤光栅传感器和多点变位计在围岩变形(应变)监测中的应用对比,发现光纤光栅传感器易受施工爆破振动影响,且随着运行时间的增长,有效测点数逐渐减少。为此针对性地提出了有效测点判别和异常测值内插处理的新方法,经处理,光纤光栅传感器能较好地反映洞室围岩变形(应变)变化规律,且与多点变位计测值在空间分布和时间序列上一致性较好,为洞室围岩变形(应变)监测提供了新方法。

地震作用下三维接触面单元弹塑性模拟方法

为了模拟非连续结构面、接触面等在地震荷载作用下的动力响应,在弹塑性框架内建立了一种新的三维接触面弹塑性模型,该模型能够综合考虑应变率和塑性损伤对接触面强度的影响。在弹性阶段,采用双曲线函数来描述接触面的非线性应变过程。在塑性阶段,考虑了应变率和损伤对接触面强度的影响,对带拉伸截止限的莫尔库伦准则进行了修正,并且基于塑性一致性条件,推导了塑性应变增量的求解过程。通过与试验数据对比,验证了模型的合理性。将该模型写入到有限元计算程序中,并应用于典型地下工程数值计算,结果表明:与等效连续模型相比,该模型计算的梁体主应力减小了约7.6%,长锚杆承担了更多的荷载;梁体变形量增加了1~2 mm,说明接触面的存在减小了围岩对岩锚梁的约束作用,降低了其在地震荷载作用下的稳定性。