拉西瓦工程河谷区高地应力场反演与形成机理

拉西瓦水电工程坝址区为高山峡谷地貌,受地质构造应力、自重、地表剥蚀和河流侵蚀卸荷等多因素影响而赋存有高地应力,河谷区钻孔岩芯饼化与探洞片状剥落现象明显。由于该区地应力场及其空间分布特征与多期地质构造运动及河谷演化历史等因素密切相关,要合理确定其三维地应力分布状况与大小具有较大难度和复杂性。采用多元回归与逐步回归相结合的方法对工程区域初始地应力场进行了详细反演,在此基础上,深入研究了河谷区地应力场的空间分布特征与规律,并就其形成机理开展了多因素影响效应分析,为我国西部强烈地质作用区高地应力研究及水电工程建设提供了具有参考价值的成果和工程案例。

龙滩水电站左岸高边坡区初始地应力场反演回归分析

结合龙滩水电站左岸边坡区工程地质条件以及实测地应力资料,分析了研究区域初始地应力的影响因素。在各影响因素单独作用下,采用FLAC3D计算程序对建立的左岸高边坡三维地质概化模型进行计算;在实测点地应力值与计算得到的应力值之间建立多元回归模型,通过多元回归分析,求出最优回归系数。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,两者在量值上相当且方向上接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得左岸高边坡区初始地应力场较为合理的分布规律,为左岸高边坡开挖模拟及长期稳定性分析提供了合理的三维初始地应力场。

地应力对地下厂房岩锚吊车梁变形及应力影响分析

对岩锚吊车梁的设计一般基于刚体极限平衡法,该方法忽略岩壁的自身变形,也不考虑后续开挖变形的影响。而锦屏一级水电站地下厂房厂区地应力水平高,地应力最大值达35.7 MPa,地应力释放必然对岩锚吊车梁的变形及应力造成极大的影响。结合现场实测变形资料,采用三维非线性有限元法对地下厂房岩锚吊车梁进行研究,计算各开挖阶段吊车梁自身的变形及应力。结果表明,在锦屏一级地下厂房高地应力场中,会产生大范围失稳破坏和拉杆屈服现象。揭示了分级开挖所致洞壁变位对拉压杆内力的影响机制和内力变化规律。研究发现,适当推迟拉压杆注浆锁固时间,使得岩锚梁拉压杆在洞壁发生一定变位后再与围岩共同变形,可以有效降低后续开挖导致的拉压杆内力。

杨房沟水电站地下厂房围岩稳定分析

杨房沟水电站地下厂房是典型的大跨度、高边墙地下洞室群,工程区地质条件较复杂,高边墙及洞室间岩柱的稳定性是洞室设计的关键。根据地应力测试数据,采用边界位移条件回归方法,构造出厂区初始地应力场。采用FLAC3D软件对洞室群围岩稳定进行计算分析,获得洞周围岩变形与应力特征、塑性区分布及支护结构的受力状态,对地下厂房洞室群围岩稳定性做出评价,为洞室设计提供了科学依据与技术指导。

高拱坝坝址区初始地应力场的二次计算

建立小湾水电站坝址区大范围有限元模型,考虑工程附近较大区域内的地形、地势和河流大转弯等因素,采用遗传算法与有限单元法相结合的联合反演方法,对坝址区初始地应力场进行一次反演;然后,考虑坝址区附近主要地质构造,建立坝基开挖松弛效应分析的小范围有限元模型,基于子模型方法,通过在一次反演模型中插值获得小范围模型的位移边界条件,对初始地应力场进行二次计算。研究结果表明:软弱地质构造对初始地应力场的反演有一定影响,一次反演中不连续结构面附近应力计算值与实测值相差较大;考虑软弱地质构造后的二次计算改善了一次反演所得的初始地应力场精度,大部分测点应力计算值更接近实测值,相对误差也逐渐减小,可将其应用于后续坝基开挖松弛效应分析中;反演结果同时也表明所采用的研究方法是可行的,对类似工程具有参考意义。

圆形隧道应力-应变正交关系的力学行为研究

基于 Detournay导出的在非静水应力场条件下 (λ≠ 1)服从 Mohr- Coulomn屈服准则以及不相关塑性流动势时圆形洞道平面问题位移场基本解 ,揭示出软弱围岩隧道在高地应力条件下的变形规律 ,即 ,软岩隧道的最大变位方向与最大主应力方向存在相互垂直关系的变形规律 ,这一结论与人们已认同的通常情况下隧道围岩所表现出的相互平行关系变形规律 ,截然不同。需要指出的是 ,这种“相互垂直关系”的围岩变形规律 ,与一些工程实例的现场位移量测结果 ,却表现出完全的一致性 ,例如在高地应力条件下已发生大变形的家竹箐隧道工程 ,其围岩变形规律便是如此。

三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性分析

文章以兰新铁路大梁山高地应力隧道为工程背景,展开三台阶七步法施工高地应力隧道支护结构受力特性研究。通过现场监测及三维数值仿真模拟,对施工过程中的围岩-初期支护接触压力、拱架所受的拉压应力及变形规律进行系统研究。现场监测及数值分析结果表明:(1)支护结构变形均基本满足设计规定的沉降控制指标(350 mm)及《铁路隧道设计规范》对沉降、收敛的相关要求;(2)围岩-初期支护接触压力及支护结构变形值均随着工序开展而不断增加,最大值均出现于侧墙拱腰部位,其中接触压力最大值为845.8 k Pa,收敛最大值为365 mm;(3)初期支护的最小主应力σ3逐渐增大并全部表现为压应力,其绝对值大于最大主应力;最小主应力σ3在仰拱闭合后各点基本达到最大值,趋于稳定;(4)高地应力隧道开挖过程中围岩将产生较大塑性区,拱肩及拱底部位发展最快,仰拱封闭是变形控制的关键点。因此,施工时应加快初期支护封闭成环,以减小应力增加,增强初期支护安全性。

开挖工法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性影响的模型试验研究

不同开挖工法对隧道围岩稳定性通常会产生不同程度的影响。文章依托蓝家岩公路隧道工程开展三维地质力学模型试验,研究三台阶法、上下台阶法、上下台阶预留核心土法对高地应力场软岩隧道围岩稳定性的影响规律。结果表明:(1)三种开挖工法下隧道拱顶沉降及拱脚收敛随开挖步的变化规律均可以分为超前变形、开挖变形和变形收敛等三个阶段,但在量值上均表现为,三台阶法最小,上下台阶预留核心土法次之,上下台阶法最大;(2)各测点初期支护与围岩之间的径向力均为压力,且围岩压力的分布特征相似,围岩压力的最大、最小值分别出现在墙脚、仰拱处,在量值上同样表现为,三台阶法最小,上下台阶预留核心土法次之,上下台阶法最大;(3)三台阶法在高地应力场软岩隧道施工中最有利于围岩稳定,且在一定程度上能满足施工进度的要求。

片理化玄武岩隧道围岩大变形控制现场试验研究

丽香中义隧道片理化玄武岩段地质构造复杂,围岩软弱、破碎,地下水较发育,地应力极高,边墙大变形灾害突出,开展了3种围岩大变形施工控制技术措施的现场试验研究。现场试验结果表明,从支护加强角度出发的大变形Ⅰ型支护方案和大变形Ⅱ型支护方案,试验段边墙变形得到了较好的控制,换拱率由100%分别降至38.50%和22.22%;开挖断面支护成环时间对边墙收敛变形控制影响巨大,掌子面开挖后断面支护应尽快封闭成环;从支护和围岩双向加强角度出发的'大变形Ⅱ型支护+边墙施设6.5m长锚杆'施工方案,成功控制了试验段边墙的大变形灾害,换拱率降至0%。研究成果可为类似工程提供参考。

叶巴滩水电站高地应力现象及地应力场反演分析

为了研究叶巴滩水电站坝址区的地应力场特征,通过现场地质调查,对坝址区高地应力现象的发育形态特征和空间分布特征进行描述和分析,结果表明:坝址区岩芯饼化发育的强烈段多分布在河床以及两岸低高程;片帮现象以轻微片帮和中等片帮发育为主;岩芯饼化和片帮集中发育段可判定为应力集中带。同时,根据坝址区工程地质条件和实测地应力资料,通过数值反演分析方法,考虑地形地貌和断层对初始应力场影响,对坝址区的初始应力场进行反演分析。结果表明:反演应力值与实测应力值基本吻合,能够较合理、准确反映坝址区的初始应力场;坝址区的初始应力场是由自重应力场和构造应力场叠加而成,且以水平向构造应力为主;坝址区应力场可以大致划分为应力松弛带、谷底的应力集中带、岸坡应力过渡带和岸坡深部的应力平稳带;在模型边界断层上下盘附近会有一定的应力集中现象,形成高地应力区。

高地应力深埋隧道断裂破碎带段大变形控制现场试验研究

丽香铁路中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段围岩软弱、破碎,受高地应力及断裂破碎带影响严重,边墙大变形灾害突出,以此为研究背景,开展了4种围岩大变形控制措施的现场试验研究。试验结果表明:采用普通加强支护措施(工况1),无法控制该段围岩变形;采用"抗放结合"控制措施,下部围岩应力释放需缓释,采用工况3(双层支护+下台阶、仰拱分开施作)方案,试验段围岩应力得到较好控制,但其工序繁琐,施工进度缓慢;采用"强支"理念的工况4(单层支护+加强拱架+预留应急加固措施)方案,最大日变形速率、累计最大变形量均最小,分别为3.2 cm/d和62.2 cm,试验段全长围岩累计变形量在可控范围内,施工工序较为简单,施工月进尺可达90 m以上;考虑到平导需发挥超前作用,建议中义隧道出口平导玉龙雪山西麓断裂破碎带段采用工况4方案进行施工。研究结果可为类似工程提供参考。

高地应力地区围岩劈裂破坏现场监测和能量耗散模型及应用

在进行埋深较大的地下洞室施工时,由于岩体的脆性特征,在高地应力作用下洞室围岩容易出现劈裂破坏。因此,在深部岩体开挖过程中,对围岩劈裂破坏区域的预测格外重要。本文从能量耗散原理出发,结合横观各向同性模型,采用劈裂破坏准则对模型单元应力状态进行判断,得到新的自定义横观各向同性计算模型,在此基础上对大岗山水电站大型地下洞室群开挖过程中的稳定性进行计算。在大岗山水电站大型地下洞室群开挖工程现场开展洞周围岩劈裂破坏区的监测,测得主厂房在进行各个开挖步开挖时主厂房与主变室之间岩桥中围岩的位移及劈裂破坏的情况。将现场监测结果与不同本构模型的稳定性分析计算结果进行对比,结果表明:大岗山水电站地下洞室群在进行开挖时,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算所得的主厂房下游边墙劈裂区平均深度与现场监测结果最为接近。考虑能量耗散的横观各向同性模型可较好地反映主厂房与主变室之间岩桥内部围岩位移变化趋势,与现场监测情况吻合度较高;使用摩尔库伦模型及横观各向同性模型计算得到的曲线与监测值有较大区别。根据稳定性分析结果,主厂房下游边墙吊车梁位置关键点和主厂房洞中关键点开挖后洞壁出现的位移较大,其最大水平位移为29.46 mm;主厂房拱顶在开挖初期位移较大,拱顶竖直位移最大值为10.58 mm;主变室拱顶竖直位移为10.06 mm。对比其他现有的有限差分模型,考虑能量耗散的横观各向同性模型计算结果与实际监测值最接近,可以反映不同开挖步时围岩内部关键点位移的变化趋势。因此,在高地应力地区地下洞室开挖时,可使用该模型对洞周围岩的劈裂区进行预测与分析,并参考计算结果对关键区域加强监测与管理,从而减小围岩劈裂破坏对洞室稳定性的影响。

高地应力深切河谷形变应力场及线路问题初探

为研究高地应力作用下河谷深切卸荷、岩体强风化的地质环境对拟建川藏铁路的影响,利用ABAQUS对高地应力背景场由河流深切卸荷下的河谷形变—应力场特征进行数值模拟研究;考虑到岩体的宏观力学性能受到卸荷回弹变形的影响而急剧减小,利用场变量实现力学参数随卸荷动态变化,对比分析河谷形变—应力场特征;针对印度板块挤压欧亚大陆板块使河谷两岸地应力值存在差异的情况,模拟主、被动盘的差异卸荷。结果表明:自重应力与40 MPa构造应力同时作用下的卸荷回弹值可达仅计自重应力场的3～6倍,出现由陡、缓倾面构成的"X"状共轭结构面,工程开挖下边坡岩体容易沿陡倾面崩塌,沿缓倾面滑移。将卸荷前后岩体偏应力比值k作为评价岩体受到卸荷影响程度的标准,高地应力作用下谷坡水平深度方向的k值介于1.5～2.5,地应力的量值对岩体卸荷程度有很大影响;较之不考虑岩体力学性质劣化情况,岩体塑性区范围将扩展,裂隙向谷坡上部延伸,坡体稳定性进一步下降;高地应力作用的河谷主动岸,坡面塑性区明显存在"X"状潜在滑移面,而被动岸仅有单向缓倾滑移面,主动岸对开挖扰动的抵抗力更低。据此提出相应的灾害预防措施的建议,为拟建进藏道路的区域工程地质选线提供参考。

深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考

针对深切河谷高地应力区水电站厂址区域初始地应力张量空间分布特征及其与洞室群布置相对关系识别问题,结合河谷历史发展过程分析、应力张量空间解析法和多核并行计算技术等,将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合,提出考虑河谷演化规律的厂址区域地应力场量化精细数值模型的建立方法和分析思路,识别锦屏一级水电站厂址区初始应力场分布规律并进行现场验证,结果表明：锦屏一级地下厂房洞室群位于深切河谷附近应力变化较大且应力水平相对较高的应力过渡区,由此形成初始高地应力环境,且主应力比为1.9-2.5,岩石强度应力比为1.5-3.0;在这种高地应力–低强度应力比且高主应力比共同作用下,地下厂房洞室群施工期围岩出现的变形破坏规律及卸荷松弛深度超过同等规模的地下厂房工程,而现场围岩应力诱导型变形破坏的发生位置和分布规律,则佐证了所获得的厂址初始应力场的合理性,同时也验证了地应力场量化模型建立方法的科学性和可行性。在此基础上,建立一种考虑三维地应力、岩石强度应力比和岩体结构特征的高地应力区地下厂房洞室群结构布置设计方法,其本质上体现洞室荷载特征（三维地应力,包括最大主应力量值和方位,而且还考虑地应力场分布、主应力比等）、围岩结构特征及承载能力（岩石强度）等因素的协同耦合作用,并从定性角度建议确定主洞室位置、纵轴线、间距和洞型等一些原则和思路。

基于应力场干预的深立井围岩稳定性控制方法研究

随着浅部矿产资源的枯竭,我国矿山立井逐步进入1 500~2 000m深度范围,针对深立井围岩稳定性问题,以国内某高应力围岩深立井工程为背景,通过比较多种围岩应力场干预方案的井壁维护效果和围岩应力场分布特征,得出在围岩主应力方向环向开槽的方案井壁内外缘应力峰值分别降低23.16%和19.33%,井壁极值应力的不均衡系数Kσ由3.42降低至1.80,井壁各处应力、位移分布更均匀,并进一步探索了实现此围岩应力场干预方法的工程措施。相对于常规思路的加厚井壁、采用高标号混凝土等技术措施,合理的应力场干预方案为应对深立井的不均衡高地应力环境提供了另一种解决思路。

新疆某高放废物预选处置库区地应力测量研究

为了获得预选处置库区现今地应力的赋存特征,在该区花岗岩体内的4个深钻孔中采用水压致裂方法进行地应力测量。基于钻孔岩芯编录结果,在0~700 m深度范围内,成功取得地应力量值和最大水平主应力方向数据。依据获取的地应力实测资料,结合拜尔利定律和断层摩擦库伦准则,对预选区的地应力状态及断层活动性进行分析。结果表明:(1)3个主应力随深度呈现出较好的线性关系;(2)测试深度范围内,水平应力普遍高于垂向应力,预选区构造应力占主导地位,且随深度的增加逐渐减弱,岩体北部的水平力作用强于中部及南部,南部最弱;(3)最大水平应力优势方位为NEE,与区域构造应力场方向基本吻合,自青藏高原内部及边缘到东天山地区,现今最大主应力的作用方向表现为由NE^NEE的变化规律;(4)预选区地应力量值未达到断层摩擦滑动临界值,断层活动性较弱;(5)研究成果为处置库的开挖设计和稳定性评价提供科学的指导,实测资料填补了该区域地应力数据的空白,为我国西部地区地应力场分布规律研究提供重要参考资料。

高地温高地应力下岩体初始地应力场反演分析

目前,在高地温高地应力环境下,未见报道在反演过程中考虑地温,从而导致反演得到的初始地应力场与实际不符。为使反演得到的初始地应力场更加符合实际,首次提出考虑地温的岩体初始地应力场反演思路。在高地温高地应力环境下,岩体初始地应力场可近似由重力应力场、构造应力场及温度应力场组成。而岩体温度应力场可结合地温梯度法并依据岩体热应力公式近似得到,再通过叠加原理将温度应力场叠加到重力及构造应力场中即可得到与高地温相符的岩体初始地应力场。在水压致裂法测得的3个主应力中,垂直应力是通过上覆岩层的实测密度计算而来,即垂直应力不包含温度应力,故在高地温高地应力环境下,若不考虑地温,则采用水压致裂法测得的应力反演岩体初始地应力场将造成严重错误。例如在桑珠岭隧址区,岩体的温度应力大约为自重应力的8/13,即在反演过程中如果不考虑地温,则反演得到的岩体初始地应力场将缺失占重力应力场8/13的竖向温度应力场,且考虑地温的反演结果较不考虑地温更好。

高地应力强风化炭质板岩隧道大变形控制现场试验研究

针对高地应力强风化炭质板岩地层节理裂隙发育、围岩破碎,隧道施工过程中大变形灾害突出等问题,开展了围岩应力超前控制措施的现场试验研究。研究结果表明,常规支护措施无法有效解决高地应力强风化炭质板岩隧道的大变形问题,采用超前应力控制措施可以有效减小隧道的围岩变形,同时降低隧道钢架应力及围岩应力。相较于采用常规措施的对比段,进行超前钻孔和超前导洞试验段的水平收敛终值分别是152.93 mm和149.22 mm,降低了27.95%和29.70%;拱顶沉降终值分别是24 mm和15 mm,降低了61.29%和75.81%;钢架应力最大值分别是-143 MPa和-157 MPa,降低了23.12%和20.28%;围岩应力最大值分别是0.379 MPa和0.406 MPa,降低了77.44%和75.84%。