高地应力条件下大型地下洞室群分步开挖稳定性及流变效应研究

论文摘要

为了鼓励科技创新,中国政府制定的中长期科技发展计划指出:要重点发展基础科学和前沿科技方面的研究,优先考虑能源、水资源和环境保护等领域。而对于能源和水资源的开发,具体就体现在中国西南地区正在兴建和即将要兴建的几十座世界级的大型水电工程。这些水电工程的发电系统大多采用深埋的大型地下洞室群结构,且地下洞室群工程大多处于高山峡谷的环境条件中。洞址经常处于初始高地应力场之中且地应力场受到地形和山体坡度的强烈影响。在此条件下围岩的脆性破裂现象（如边墙的劈裂裂缝、岩爆等工程事故）在洞群施工期就会明显的出现,一系列大型洞群的高边墙经常发现有陡倾角的脆性劈裂带或大裂缝,如渔子溪、二滩、拉西瓦以及瀑布沟等工程在母线洞都发现了类似的情况,因此对研究复杂条件下的地下洞群分步开挖过程中的稳定性尤为重要。其次,这些地下洞室群的长期稳定性研究也越来越受到重视,因为许多工程的变形与失稳破坏并不是瞬间就发生的,岩体的流变现象处处可见,如地层在地应力的长期作用下发生蠕滑、断裂,洞室群围岩随时间发生长期变形,有的甚至坍塌、破坏或岩层失稳,岩梁、岩板、岩柱屈曲失稳等。本文将以西部正在建设的两个典型的地下洞室群为研究背景,通过实验室试验,大型地质力学模型试验,数值模拟和理论创新,研究了复杂条件下大型地下洞室群的分步开挖稳定性及流变效应,本文的主要研究内容如下:（1）单轴瞬时力学特性试验及压缩蠕变试验——首先通过山东大学岩土与结构中心自行研制的三轴伺服试验机对从工程现场所取的典型的硬岩（花岗岩和大理岩）进行了单轴压缩瞬时力学特性试验研究,分析了硬岩的全应力—应变曲线的各个阶段及岩样的变形特征、强度特征和破坏规律,得到了硬岩的的基本力学参数,为下一步进行硬岩的蠕变试验和数值计算提供依据。在研究硬岩的单轴压缩蠕变过程中,研制了一套单轴压缩蠕变装置,通过该装置对锦屏一级地下洞群附近所取的大理岩进行了单轴压缩蠕变试验研究（包括干燥试件和饱水试件）,得到了各试件在不同应力水平下的单轴压缩蠕变曲线,特别观察了实验过程中泊松比的变化规律,并在Nishihara模型下进行了模型参数的反演分析,为下一步进行锦屏一级地下洞群的长期稳定性研究提供试验依据。（2）新型岩土相似材料的研制——在进行大型地质力学模型试验之前,必须找到一种相似材料来模拟工程岩体。本文在调研了大量国内外相似材料的基础上,研制出了一种由铁精粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉及松香酒精溶液混合压制而成的新型（IBSCM）岩土相似材料。通过实验室的单轴抗压强度试验、假三轴试验、巴西试验等经典力学试验研究了这种新型岩土相似材料在不同配比条件下的力学特性,并成功用于多个大型地质力学模型试验中,其中包括本文所研究的大型地下洞群稳定性地质力学模型试验。（3）大型地下洞群分步开挖稳定性研究——在进行大型地下洞群分步开挖稳定性的研究中,以大渡河流域双江口电站地下洞群为研究背景,开展了准三维大型地质力学模型试验和数值模拟研究。研制了一套具有自主知识产权的用于地下洞群稳定性研究的三维钢结构模型试验台架,并配备了全自动的液压加载系统,在台架的前后（洞室部位）设置了透明的钢化玻璃观察窗,可观察模型表面在加载过程中的裂纹扩展情况。在整个试验的测试过程中,首次将多种先进的变形测试技术用于监测围岩变形,实现了洞室群模型开挖过程中的高精度的实时测量。在锚固模拟技术中,研制了可施加预应力的微型模型锚索以及发明了埋设注浆锚杆的独特锚固技术。通过模型的超载试验,观测了洞室群围岩从产生微裂纹、起裂、扩展直至产生较大范围劈裂破坏的整个变形破坏过程,并深入研究了劈裂破坏中产生的张开位移。同时对开挖过程和超载过程进行了FLAC3D数值模拟,试验测试结果、数值模拟结果和理论推导结果都进行了对比分析,分析结果对实际工程的施工过程和今后的试验工作起到了一定的指导作用。（4）大型地下洞群长期稳定性研究——在研究地下洞群的长期稳定性研究中,基于现场的节理岩体的地质资料及实验室单轴压缩蠕变的试验结果,建立了节理岩体的非定常损伤流变模型。首先引入一个二阶的损伤张量来描述节理岩体的几何初始损伤,其中,节理面的面积、方向、间距和密度作为影响损伤张量的主要因素;其次,以Nishihara模型作为描述岩体时效特性的基本模型,并通过对应原理将一维形式的Nishihara模型推广到三维形式:然后应用等效应变假设,将二阶的损伤张量引入到流变本构方程中;紧接着用单轴压缩蠕变试验得到的相关流变参数的非线性表达式应用到流变本构方程中;在VC++7.0的环境下,以FLAC3DVersion 3.0有限差分软件为开发平台,编写了上述本构关系的程序块,实现了节理岩体非定常损伤本构模型的二次开发。最后将此模型同时应用于研究四川大渡河流域双江口地下洞群和四川雅砻江流域的锦屏一级电站地下洞群的长期稳定性研究中,预测了复杂条件下大型地下洞群的长期稳定性,并与弹塑性计算的作了对比分析,为大型地下洞群的长期稳定和安全性提供了合理的评价和建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• Contents
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景与研究意义
• 1.2 大型地下洞室群稳定性研究进展
• 1.2.1 地下洞室围岩稳定性研究进展
• 1.2.2 地质力学模型试验研究进展
• 1.3 岩石流变效应的研究进展
• 1.3.1 岩石流变力学特性试验的研究进展
• 1.3.2 岩体流变力学特性试验的研究进展
• 1.3.3 岩石流变本构模型的研究进展
• 1.3.4 本文的主要研究内容及技术路线
• 第二章 岩体瞬时力学和流变特性试验研究及岩土相似材料的研制
• 2.1 引言
• 2.2 岩石的单轴瞬时力学特性的研究
• 2.2.1 试验岩样的岩性特征
• 2.2.2 试验岩样的制备
• 2.2.3 试验仪器及试验步骤
• 2.2.4 试验结果分析
• 2.3 岩石的单轴流变特性试验研究
• 2.3.1 单轴流变试验装置及试验方法
• 2.3.2 硬岩的单轴压缩流变特性研究
• 2.4 新型岩土相似材料的研制
• 2.4.1 相似材料研制的必要性
• 2.4.2 地质力学模型试验的相似原理
• 2.4.3 岩土相似材料的选材原则
• 2.4.4 新型岩土相似材料的确定
• 2.4.5 新型岩土相似材料物理力学参数的测试
• 2.4.6 新型岩土相似材料配比试验及结果分析
• 2.4.7 新型岩土相似材料IBSCM的特性
• 2.5 本章小结
• 第三章 高地应力条件下大型地下洞群分步开挖稳定性研究
• 3.1 前言
• 3.2 地质力学模型试验的工程背景
• 3.2.1 工程概况
• 3.2.2 岩体地应力测试结果
• 3.2.3 地下洞群围岩分类
• 3.2.4 地下洞群设计方案
• 3.3 双江口电站三维初始地应力场反演拟合计算
• 3.3.1 多元回归方法的基本原理
• 3.3.2 计算区域及反演模型的建立
• 3.3.3 反演结果分析
• 3.4 双江口工程洞群准三维地质力学模型试验研究
• 3.4.1 新型模型试验钢结构台架的研制
• 3.4.2 模型试验加载控制系统的研制
• 3.4.3 模型试验相似材料
• 3.4.4 模型试验的量测方法和技术
• 3.4.5 试验模型的制作
• 3.4.6 试验模型的开挖与测试
• 3D数值模拟研究'>3.5 双江口工程地下洞群的FLAC^3D数值模拟研究
• 3D简介'>3.5.1 FLAC^3D简介
• 3D数值模拟'>3.5.2 双江口地下洞群的FLAC^3D数值模拟
• 3.6 模型试验与数值模拟结果的分析
• 3.6.1 设计荷载作用下的结果分析
• 3.6.2 超载作用下的结果分析
• 3.7 本章小结
• 第四章 节理岩体非定常损伤流变本构模型研究
• 4.1 前言
• 4.2 节理岩体的损伤流变本构模型研究
• 4.2.1 岩体损伤张量
• 4.2.2 节理岩体的损伤流变本构方程研究
• 3D中的二次开发'>4.3 节理岩体损伤流变模型在FLAC^3D中的二次开发
• 3D的开发环境'>4.3.1 FLAC^3D的开发环境
• 3D的前处理'>4.3.2 ANSYS-FLAC^3D的前处理
• 3D的运行原理'>4.3.3 FLAC^3D的运行原理
• 4.3.4 节理岩体损伤流变模型的三维差分形式
• 4.4 非定常岩体流变力学参数辨识研究
• 4.4.1 基于模式搜索的最小二乘法原理
• 4.4.2 岩石流变力学参数的辨识
• 4.4.3 岩石流变力学参数的非定常性分析
• 4.5 非定常损伤流变模型的程序流程
• 第五章 大型地下洞室群长期稳定性工程实例分析
• 5.1 双江口电站地下洞群长期稳定性研究
• 5.1.1 计算模型
• 5.1.2 考虑流变计算的位移场分析
• 5.1.3 考虑流变计算的应力场分析
• 5.1.4 考虑流变计算的塑性区分析
• 5.1.5 双江口电站地下洞群长期稳定性研究结论
• 5.2 锦屏一级电站地下洞群长期稳定性研究
• 5.2.1 工程概况
• 5.2.2 计算模型
• 5.2.3 岩体力学参数
• 5.2.4 初始地应力场
• 5.2.5 节理裂隙参数
• 5.2.6 岩体流变力学参数
• 5.2.7 各工况下的位移场分析
• 5.2.8 各工况下的应力场分析
• 5.2.9 各工况下的塑性区分析
• 5.2.10 锦屏一级电站地下洞群长期稳定性研究结论
• 第六章 结论与展望
• 6.1 主要研究内容和结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 个人简历、科研活动及攻读博士学位期间所发表的论文情况
• 致谢
• 学位论文评阅及答辩情况表