高地應(yīng)力條件下大型地下洞室群分步開挖穩(wěn)定性及流變效應(yīng)研究.pdf

1、為了鼓勵科技創(chuàng)新，中國政府制定的中長期科技發(fā)展計劃指出：要重點發(fā)展基礎(chǔ)科學(xué)和前沿科技方面的研究，優(yōu)先考慮能源、水資源和環(huán)境保護等領(lǐng)域。而對于能源和水資源的開發(fā)，具體就體現(xiàn)在中國西南地區(qū)正在興建和即將要興建的幾十座世界級的大型水電工程。這些水電工程的發(fā)電系統(tǒng)大多采用深埋的大型地下洞室群結(jié)構(gòu)，且地下洞室群工程大多處于高山峽谷的環(huán)境條件中。洞址經(jīng)常處于初始高地應(yīng)力場之中且地應(yīng)力場受到地形和山體坡度的強烈影響。在此條件下圍巖的脆性破裂現(xiàn)象(如邊

2、墻的劈裂裂縫、巖爆等工程事故)在洞群施工期就會明顯的出現(xiàn)，一系列大型洞群的高邊墻經(jīng)常發(fā)現(xiàn)有陡傾角的脆性劈裂帶或大裂縫，如漁子溪、二灘、拉西瓦以及瀑布溝等工程在母線洞都發(fā)現(xiàn)了類似的情況，因此對研究復(fù)雜條件下的地下洞群分步開挖過程中的穩(wěn)定性尤為重要。其次，這些地下洞室群的長期穩(wěn)定性研究也越來越受到重視，因為許多工程的變形與失穩(wěn)破壞并不是瞬間就發(fā)生的，巖體的流變現(xiàn)象處處可見，如地層在地應(yīng)力的長期作用下發(fā)生蠕滑、斷裂，洞室群圍巖隨時間發(fā)生長期變

3、形，有的甚至坍塌、破壞或巖層失穩(wěn)，巖梁、巖板、巖柱屈曲失穩(wěn)等。本文將以西部正在建設(shè)的兩個典型的地下洞室群為研究背景，通過實驗室試驗，大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗，數(shù)值模擬和理論創(chuàng)新，研究了復(fù)雜條件下大型地下洞室群的分步開挖穩(wěn)定性及流變效應(yīng)，本文的主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)單軸瞬時力學(xué)特性試驗及壓縮蠕變試驗——首先通過山東大學(xué)巖土與結(jié)構(gòu)中心自行研制的三軸伺服試驗機對從工程現(xiàn)場所取的典型的硬巖(花崗巖和大理巖)進行了單軸壓縮瞬時力學(xué)特

4、性試驗研究，分析了硬巖的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的各個階段及巖樣的變形特征、強度特征和破壞規(guī)律，得到了硬巖的的基本力學(xué)參數(shù)，為下一步進行硬巖的蠕變試驗和數(shù)值計算提供依據(jù)。在研究硬巖的單軸壓縮蠕變過程中，研制了一套單軸壓縮蠕變裝置，通過該裝置對錦屏一級地下洞群附近所取的大理巖進行了單軸壓縮蠕變試驗研究(包括干燥試件和飽水試件)，得到了各試件在不同應(yīng)力水平下的單軸壓縮蠕變曲線，特別觀察了實驗過程中泊松比的變化規(guī)律，并在Nishihara模型下進行了

5、模型參數(shù)的反演分析，為下一步進行錦屏一級地下洞群的長期穩(wěn)定性研究提供試驗依據(jù)。
　　 (2)新型巖土相似材料的研制——在進行大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗之前，必須找到一種相似材料來模擬工程巖體。本文在調(diào)研了大量國內(nèi)外相似材料的基礎(chǔ)上，研制出了一種由鐵精粉、重晶石粉、石英砂、石膏粉及松香酒精溶液混合壓制而成的新型(IBSCM)巖土相似材料。通過實驗室的單軸抗壓強度試驗、假三軸試驗、巴西試驗等經(jīng)典力學(xué)試驗研究了這種新型巖土相似材料在不同配比

6、條件下的力學(xué)特性，并成功用于多個大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗中，其中包括本文所研究的大型地下洞群穩(wěn)定性地質(zhì)力學(xué)模型試驗。
　　 (3)大型地下洞群分步開挖穩(wěn)定性研究——在進行大型地下洞群分步開挖穩(wěn)定性的研究中，以大渡河流域雙江口電站地下洞群為研究背景，開展了準三維大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗和數(shù)值模擬研究。研制了一套具有自主知識產(chǎn)權(quán)的用于地下洞群穩(wěn)定性研究的三維鋼結(jié)構(gòu)模型試驗臺架，并配備了全自動的液壓加載系統(tǒng)，在臺架的前后(洞室部位)設(shè)置了透明

7、的鋼化玻璃觀察窗，可觀察模型表面在加載過程中的裂紋擴展情況。在整個試驗的測試過程中，首次將多種先進的變形測試技術(shù)用于監(jiān)測圍巖變形，實現(xiàn)了洞室群模型開挖過程中的高精度的實時測量。在錨固模擬技術(shù)中，研制了可施加預(yù)應(yīng)力的微型模型錨索以及發(fā)明了埋設(shè)注漿錨桿的獨特錨固技術(shù)。通過模型的超載試驗，觀測了洞室群圍巖從產(chǎn)生微裂紋、起裂、擴展直至產(chǎn)生較大范圍劈裂破壞的整個變形破壞過程，并深入研究了劈裂破壞中產(chǎn)生的張開位移。同時對開挖過程和超載過程進行了FL

8、AC3D數(shù)值模擬，試驗測試結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果和理論推導(dǎo)結(jié)果都進行了對比分析，分析結(jié)果對實際工程的施工過程和今后的試驗工作起到了一定的指導(dǎo)作用。
　　 (4)大型地下洞群長期穩(wěn)定性研究——在研究地下洞群的長期穩(wěn)定性研究中，基于現(xiàn)場的節(jié)理巖體的地質(zhì)資料及實驗室單軸壓縮蠕變的試驗結(jié)果，建立了節(jié)理巖體的非定常損傷流變模型。首先引入一個二階的損傷張量來描述節(jié)理巖體的幾何初始損傷，其中，節(jié)理面的面積、方向、間距和密度作為影響損傷張量的主要因

9、素；其次，以Nishihara模型作為描述巖體時效特性的基本模型，并通過對應(yīng)原理將一維形式的Nishihara模型推廣到三維形式；然后應(yīng)用等效應(yīng)變假設(shè)，將二階的損傷張量引入到流變本構(gòu)方程中；緊接著用單軸壓縮蠕變試驗得到的相關(guān)流變參數(shù)的非線性表達式應(yīng)用到流變本構(gòu)方程中；在VC++7.0的環(huán)境下，以FLAC3DVersion3.0有限差分軟件為開發(fā)平臺，編寫了上述本構(gòu)關(guān)系的程序塊，實現(xiàn)了節(jié)理巖體非定常損傷本構(gòu)模型的二次開發(fā)。最后將此模型同時