不同施工条件下围岩变形破坏机制研究 ——以锦屏二级水电站为例

论文摘要

锦屏二级水电站位于四川省凉山州雅砻江锦屏大河弯处的雅砻江干流上。锦屏二级水电站为一低闸、长隧洞、高水头、大流量的引水式电站。电站的控制性工程为四条引水隧洞,具有洞线长(平均长约16.67km)、洞径大(直径为13m)和埋深大(最大埋深约为2525m)等特点。由于工程区岩性主要为大理岩和少量砂板岩,岩性较为单一,所以在施工方法上除了传统的钻爆法外,还采用了现代化程度非常高的隧道掘进机(TBM)的施工方法。在施工过程中,发现基于传统钻爆法的隧洞围岩分类方法对TBM具有不适用的缺点。本文从这一现象入手,通过研究分析隧道围岩在这两种不同施工条件下的变形破坏机制的不同,而期望找到传统钻爆法的围岩分类方法对TBM不适用的原因。本论文的研究内容如下:1.在施工现场进行了大量的现场地质调查、资料的收集整理和分析。工程区整个隧洞沿线地形起伏,高程均在3000m以上,最高山峰达4113m;引水隧洞沿线穿越的地层均为三叠系地层,主要岩性为大理岩,和西端少量黑云母片岩、砂板岩;地层岩性和地质构造总体走向以NNE向为主;工程区岩溶较发育,但岩石遭受不同程度的区域变质,大理岩的可溶性有所下降;由于引水隧洞具有埋深大的特点,所以岩爆问题突出。2.以引水隧洞主要穿越岩石大理岩为研究对象,开展了不同加载速率下,不同施工条件的锦屏大理岩声发射试验研究。试验充分揭示了大理岩裂纹的起裂扩展贯通过程中的应力应变声发射特征。从试验结果分析,可以看出大理岩的变形破坏方式是一个集中式的猛烈破坏形式,而声发射主要集中于大理岩的破坏后阶段。与钻爆法相比,由于TBM不产生爆破力,从而使得大理岩力学性能增加,大理岩的抗破坏能力明显增强。3.扫描电子显微镜为细观尺度下,观察物体表面的有效工具。通过扫描电子显微镜,研究在不同施工条件下的大理岩破裂面在细观尺度下的表面特征:在钻爆法施工条件下,大理岩受到爆破冲击的影响,岩石断口的张剪破坏都很发育;而TBM破岩以切削、压剪岩石为主,岩石断口以剪破坏为主,部分为张性破坏。4.通过FLAC3D数值模拟分析了引水隧洞地应力场和不同施工条件下的洞室开挖的二次应力大小和分布特征,以及围岩变形位移特征,塑性区分布范围。根据数值模拟结果推测估计洞室不同部位的围岩变形的阶段、破坏类型和规模。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 前言
• 1.1 选题依据及研究意义
• 1.2 研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 1.4 研究方法及技术路线
• 第2章 引水隧洞的工程地质条件概况
• 2.1 工程概况
• 2.2 地形地貌条件
• 2.3 地层岩性及岩石力学特征
• 2.4 地质构造
• 2.5 水文地质条件
• 2.6 工程区地应力条件
• 第3章 围岩变形破坏细观试验研究
• 3.1 岩石的声发射试验研究
• 3.1.1 岩石声发射试验简介
• 3.1.2 试样制备和试验过程
• 3.1.3 试验结果分析
• 3.2 岩石的扫描电子显微镜研究
• 3.2.1 岩石扫描电镜简介
• 3.2.2 试验制备和试验过程
• 3.2.3 试验结果分析
• 3.3 围岩细观变形破坏试验结果分析
• 第4章 围岩变形破坏数值模拟分析
• 4.1 FLAC 3D 简介
• 4.2 数值模拟分析
• 4.2.1 TBM 和钻爆法破岩机理研究
• 4.2.2 本构方程
• 4.2.3 计算过程
• 4.3 数值模拟结果分析
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间取得学术成果