Rock Mass Characterization and Support Design for Underground Additional Surge Pool Cavern—A Case Study, India

For better rock mass characterization and support design, 3D engineering geological mapping was carried for the heading portion of the under construction 200.00 m long, 68.75 m high and 20.20 m wide underground additional surge pool cavern of a Pranahitha-Chevella Sujala Sravanthi lift irrigation scheme package 8, India. To study cavern behavior, 3D geologic mapping of heading portion is very important for large cavern for predicting geologic conditions in benching down up to invert level, planning support system, selecting inclination for best location of supplemental rock bolt and choosing strategic locations for various types of instrumentation. The assessment of Tunnel Quality Index “Q” and Geomechanics classification for the granitic rock mass was done based on the information available of the rock joints and their nature and 3D geological logging. Hoek-Brown parameters were also determined by the statistical analysis of the results of a set of triaxial tests on core samples. On basis of geological characteristics and NMT Q-system chart, support system is recommended which includes rock bolt, steel fibre reinforced shotcrete and grouting. To evaluate the efficacy of the proposed support system, the capacity of support system is determined.

乌东德水电站地下洞室群创新施工方法与技术

大型水电工程中巨型地下洞室群的开挖、支护施工是技术难点,根据现场实际地质条件和工作环境对地下厂房的开挖及支护工法进行改进、对施工机械进行改良,是保证地下洞室群安全、优质、高效、绿色施工的重要保障。本文针对乌东德水电站大型地下洞室群施工过程中关键工法和技术难题,开展创新研发和攻关,包括:大跨度高边墙开挖施工、超大断面调压室开挖施工、小直径溜渣井式竖井开挖、不良地质段超大断面洞室支护、拔管法接触灌浆施工、洞内压力钢管拼装、多孔深竖井混凝土滑模施工、大型出线竖井施工等。从工艺类型、精细开挖、支护和装备革新技术等方面进行关键创新施工方法和技术总结,研究成果可供同类工程建设参考。

陡倾柱状节理岩体洞室松弛特征与破坏机制

白鹤滩水电站柱状节理岩体具有特殊的柱体结构特征,洞室开挖后卸荷松弛破坏严重。通过对白鹤滩水电站4#导流洞柱状节理岩体现场破坏调查、位移和松弛深度监测,发现柱状节理洞室呈现典型的非对称破坏特征,不同部位松弛深度差异较大,左右侧边墙破坏模式受倾角影响,分别呈现倾倒破坏和滑移破坏。离散元数值模拟结果显示洞室表层围岩主要以柱间节理张拉破坏为主,内部围岩以剪切破坏为主,左右侧边墙不同的变形破坏特征是柱体倾角和地应力综合作用的结果。最后分析了不同柱体倾角对洞室变形破坏特征的影响,不同倾角下洞室各部位松弛深度差异显著,应根据洞室不同部位塑性区深度和柱体角度进行预应力锚杆设计。

某抽水蓄能电站地下厂房洞室群三维有限元稳定性分析

为了了解抽水蓄能电站地下厂房洞室群开挖支护后围岩的稳定性,以某抽水蓄能电站地下厂房洞室群为例,采用隐式弹粘塑性本构关系,建立三维有限元模型,对比分析地下洞室群毛洞工况、锚杆+锚索+衬砌联合支护工况及支护参数优化后围岩的变形、应力场分布及D-P点安全系数。结果表明:采用锚杆+锚索+衬砌联合支护的方式可以有效减小地下洞室群围岩的位移量,提高D-P点安全系数,使应力分布更为均匀,围岩的稳定性更好。锚杆长度在6m~8m范围变化及锚索预应力变化对围岩的变形、应力以及D-P点安全系数的影响不显著,但是对围岩局部有一定的影响,施工过程中应动态优化调整。

基于粒子群优化支持向量机的地下洞室支护设计

水电站地下洞室支护设计因其环境复杂性而面临重大挑战,现有方案受限于主观经验和低精度等问题,难以满足设计需求。为提高地下洞室设计效率和可靠性,通过引入粒子群优化(PSO)优化支持向量机(SVM)参数,开发地下洞室支护智能设计模型。模型将洞室跨度、洞室高度、洞室高跨比、洞室埋深、围岩类别、岩石饱和单轴抗压强度、最大主应力值、岩石强度应力比作为输入指标。通过对100个国内外水电站地下洞室支护案例的训练测试。结果表明:该模型在各项输出指标上显示了高度准确性,其中喷混厚度、锚杆直径、锚杆间排距的定类准确率分别达到90%、85%、90%,锚杆长度的定量预测拟合优度为0.843。研究成果可为地下洞室支护设计提供一种新方法。

某抽水蓄能电站地下厂房洞室群在锚杆锚固工况下围岩稳定性研究

针对某抽蓄电站的地下厂房洞室群具有规模大,洞室密集,施工条件复杂,主要洞室边墙高、跨度大的特点,对洞室群在锚杆锚固条件下的围岩稳定性进行分析,采用基于快速拉格朗日差分分析方法的FLAC3D的数值分析方法,对某抽水蓄能电站地下厂房洞室群在无支护条件和有支护条件下的围岩稳定性进行计算,并对比分析该电站地下厂房洞室群在毛洞开挖和锚杆锚固条件下开挖前后的应力场以及围岩变形的分布特征和变化规律。结果表明:开挖后,洞周围岩变形总体上表现为向临空面发展,洞室的拱顶逐步下沉,底板回弹。支护措施能有效减小围岩变形,围岩塑性区明显减小,塑性屈服程度显著降低。对比支护前后,应力松弛范围明显减小,支护可以明显改善围岩最小主应力分布,并为围岩提拱有效的支护围压,提高围岩稳定性。

青海某抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩稳定性及支护效果研究

青海某抽水蓄能电站地下厂房属典型深埋大型地下厂房洞室群,具有埋深大、跨度大、边墙高的特点,且受厂区内小断层发育等地质条件限制,其围岩稳定性问题复杂且重要。通过现场实测结合数值模拟计算的方法,对地下厂房洞室群围岩稳定性及支护效果进行了研究。研究表明,地下洞室以降低围岩受开挖扰动的程度和维持围压水平的方式进行支护,支护后围岩塑性区深度、变形均改善,支护结构受力情况较好,说明洞室间距合理,围岩整体稳定,具备成洞条件。本研究对类似地下洞室群的设计和施工具有参考意义。

重庆某抽水蓄能电站地下洞室群施工组织设计

本文针对重庆某抽水蓄能电站地下洞室群施工,通过对施工涉及的供风、供水、供电进行研究计算,确定供风、供水、供电高峰强度,提出了地下洞室群施工通道布置、施工排水、开挖支护、混凝土浇筑、机电设备及金属结构安装等措施方案,可为其他抽蓄工程地下洞室群施工组织设计提供借鉴。

龙滩地下洞室群围岩稳定性分析

大型地下洞室群的开挖和支护结构与围岩的稳定性密切相关,龙滩地下洞室群是布置在陡倾角层状结构岩体的巨型地下结构。应用FLAC3D方法,研究龙滩地下洞室群在开挖和支护过程中围岩的变形特征以及支护结构的受力特点,并将位移计算结果和现场监测结果进行比较,结果表明:数值计算的结果与监测结果规律基本一致,但数值计算位移的量值比监测结果略大。由此可知,采用本计算方法模拟急倾斜岩体内开挖大型地下洞室群具有较强的可靠性。

节理岩体大型地下洞室群稳定性分析

深入研究了加锚节理面的变形特点和节理面附近锚杆的变形特点;把断裂力学与损伤力学相结合,采用应变能等效的方法,建立了加锚断续节理岩体在压剪应力作用下的本构关系;按自洽理论的方法,得到了加锚断续节理岩体在拉剪应力状态下的本构关系,并将其理论模型应用于某大型地下厂房的三维稳定性分析中。应用加锚断续节理岩体断裂损伤模型模拟锚杆的支护效应,锚杆通过与围岩的联合作用,有效地限制了围岩变形,改善了围岩的应力状态,阻止了围岩破损区的发展演化,从而提高了围岩的稳定性。将断裂损伤计算结果与一般弹塑性(FLAC3D)计算结果进行了对比分析。相比于普通的弹塑性模型,加锚断续节理岩体断裂损伤模型考虑了岩体中节理裂隙对洞室围岩稳定性的影响,以及锚杆针对节理裂隙的加固作用,能更好地反映裂隙岩体洞室围岩稳定性特征,从而验证了该模型的有效性和优越性。

大型地下洞室锚索系统支护工程实践

锚索支护系统是地下洞室围岩支护的主要类型之一,对于确保围岩稳定有着十分重要的意义。基于锦屏一级水电站地下厂房锚索支护工程实例,介绍洞室群的锚索支护设计和锚索负荷超限现象及统计成果,分析锚索超限的成因和降载措施。同时,给出锚索锁定吨位优化和变形控制复核的计算公式,推导出多锚头无黏结压力分散型锚索的应力计算公式。利用该计算方法,复核地下厂房锚索设计方案,并对超限锚索的安全性进行评价。

Q值与围岩力学参数的相关性分析与工程应用

为了验证Q系统围岩分级及支护设计方法在大型地下洞室的适用性,文章依托锦州大型地下储油洞库工程,基于现场Q值统计数据与地质素描成果,并结合Q值相关的经验公式,建立了Q值与RMR值、BQ值的数学函数关系,得到了Q值与围岩主要力学参数的相关性,并提出了现场Q值快速获取的方法。研究结果表明,Q值与RMR值成对数函数关系,相关系数高达0.99,两种方法得到的围岩分级基本相同;Q值与BQ值成线性函数关系,相关系数高达0.92;在Q值及RMR值较小时,由BQ法得到的围岩分级与上述两者基本相同,但当Q值及RMR值较大,由此得到的围岩级别较高时,由BQ值得到的围岩级别大约相差一个级别。文章建立了Q值相关常用数据定量表,在无法取得现场实测值的情况下,可通过查表得到相对较为准确的参数值。

复杂地质条件下大型地下洞室群围岩稳定性研究

断层等软弱地质结构面是控制地下洞室群围岩稳定的主要因素。以某水电站大型地下厂房为例,采用三维非线性有限元法分析了地下洞室群的围岩稳定,建立了考虑优势断层结构面的地下洞室群三维有限元模型,对比分析了有、无支护方案下洞周围岩位移场、应力场及塑性区分布。结果表明,洞周围岩变形受断层影响显著,断层贯穿部位多发生应力突变,断层出露部位塑性区分布范围较大;施加支护方案后,围岩变形得到了有效控制,应力集中和围岩塑性区分布范围均有所减小。

高地应力条件下锦屏一级主厂房围岩松弛深度形成规律和支护时机研究

近年来我国西部已建成发电或正在建设的一批大型、特大型水电工程，其地下洞室群多处于高山峡谷地区，地质条件复杂、地应力较高。受高地应力影响，施工期洞室群围岩易出现不同程度的变形破坏，并常常导致超常规深度的围岩松弛。本文结合锦屏一级水电站主厂房围岩松弛长期物探检测成果，系统分析了围岩松弛深度的形成、发展和演化趋势，再采用数值分析手段，通过围岩位移、塑性区发展趋势来研究最佳支护时机，研究表明：高地应力地区厂房轴线宜尽量与最大主应力σ1方向平行，能有效减小时效变形导致的不同部位不同程度的围岩松弛；洞室分层开挖时，围岩松弛深度的80%在本层开挖后间隔2～3层时形成；相比开挖后滞后支护，及时支护围岩位移量、塑性区明显较小，因此及时支护为最佳支护时机。研究成果对高地应力条件下大型地下洞室轴线选择、支护设计、支护时机选择具有参考意义。

基于进化—支持向量机的地下洞室可靠性分析

将地下洞室围岩测线的相对位移值及相对位移极限值分别作为施与结构的应力和结构自身强度,从而构造地下洞室可靠性分析的功能函数显式表达式。使用数值方法计算符合概型分布的不同岩体物理力学参数条件下的相对位移值并将其作为训练样本,采用遗传算法优化支持向量机的惩罚因子及核参数,用优化得到的支持向量机进行相对位移值的预测,最后利用系统可靠度理论及网络概率估算技术(PNET法)求解地下洞室开挖可靠度。以锦屏一级水电站主变室为例,尝试采用上述方法对各层开挖的可靠性进行分析,结果表明:第一层开挖可靠度最低,随着开挖的进行,系统可靠度逐渐升高,最终趋于一个稳定状态。

大型地下洞室群开挖支护弹塑性损伤优化研究

正在设计施工的某大型水电站地下洞室群地质条件复杂,其开挖支护方案对围岩稳定性非常重要,因此,对支护方案进行优化研究非常必要。为更真实地模拟岩体的力学特性,研究施工过程中岩体的损伤破坏,根据不可逆热力学理论建立了弹塑性损伤模型和损伤演化方程,并编制了三维弹塑性损伤有限元程序D-FEM,具有模拟开挖与支护、计算速度快、群组功能等特点。建立大型地下洞室群三维数值模型,将通过实测地应力反演的应力作为初始地应力。采用D-FEM模拟了不同支护方案洞室群的施工过程,通过分析洞室围岩的应力、位移和破损区,支护方案2的支护效果最好,建议采用此方案。考虑岩体损伤演化后与FLAC3D塑性区相比,洞室群边墙中部的破损区显著增加,因此,程序可应用于地下工程的稳定性分析。

锦屏二级水电站地下厂房设计和工程实践

锦屏二级水电站采用尾部地下厂房布置方式,地下厂房洞室群规模庞大、地质条件复杂,安装有8台单机600 MW的水轮发电机组。从地下厂房的基本地质条件、地下厂房洞室群布置、支护设计、防渗排水设计和主要结构设计等方面介绍了电站地下厂房的设计技术,在施工期结合工程的实际地质条件、现场监测数据、和数值仿真计算,对其设计方案进行优化调整,确保电站安全施工,为电站稳定运行奠定了基础。

高地应力下大型地下洞室群开挖顺序与支护参数组合优化的智能方法

针对高地应力下围岩变形破坏的特殊性以及大型地下洞室群开挖支护优化计算量大的特点,在三维弹塑性数值计算的基础上,采用反映高地应力下脆性岩石变形破坏特点的新本构模型,提出基于弹性释放能、塑性区体积、洞室周边位移与支护费用的地下洞室群开挖顺序与支护参数组合方案的综合优化新指标,综合集成粒子群与支持向量机的智能技术,提出高地应力下地下洞室群开挖顺序与支护参数的智能优化新方法。该方法通过典型施工方案的数值计算构建学习样本,采用支持向量机方法对样本进行学习与预测,建立起施工方案与综合优化指标之间的非线性映射关系,在具有一定约束条件的全局空间下,通过粒子群优化算法搜索出开挖顺序与支护参数的全局最优组合方案。将该方法应用于高地应力区黄河拉西瓦水电站地下厂房洞室群的开挖顺序和支护参数优化分析,结果表明该方法的可行性。

漫湾水电站二期工程枢纽布置设计概述

漫湾水电站二期工程以发电为单一开发目标,为混合式开发,枢纽布置采用右岸地下厂房方案。工程地下洞室数量多、规模大,地质条件较差。通过采用置换回填混凝土、钢筋网、喷微纤维混凝土、锚杆、锚索等支护措施及灌浆帷幕、排水幕、防潮墙、防水吊顶等防排水措施,较好地解决了岩壁吊车梁、地下厂房、调压井等的围岩稳定问题及地下厂房渗水防潮问题。

大型地下洞室开挖支护弹塑性损伤有限元分析

应用弹塑性损伤有限元理论,采用增量荷载变刚度迭代法,对地下厂房洞室群的稳定性进行三维数值模拟,以判定地下厂房洞室群布置、施工开挖顺序、围岩支护参数的合理性。模拟计算结果表明:围岩的破坏区基本限制在洞周2~6 m范围内,洞周位移为2~5 cm,围岩应力分布较均匀,整体稳定状态较好,说明采用的开挖方式和锚固支护参数基本是合理。但在洞室交岔口和断层穿过的部位,锚杆应力和洞周位移偏大,在断层处局部破坏范围也较大,这些部位的稳定条件稍差,在施工中可增加一些随机锚杆和锚索进行支护。通过施工过程中监测数据与计算结果的对比分析,验证了三维弹塑性损伤力有限元计算的正确性。