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(lì)科技創(chuàng)新，中國政府制定的中長期科技發(fā)展計(jì)劃指出：要重點(diǎn)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(hù)等領(lǐng)域。而對(duì)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(jí)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(qiáng)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(huì)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(duì)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?yàn)樵S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(shí)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(gè)典型的地下洞室群為研究背景，通過實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)，大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)，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(shí)力學(xué)特性試驗(yàn)及壓縮蠕變?cè)囼?yàn)——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(yàn)機(jī)對(duì)從工程現(xiàn)場所取的典型的硬巖(花崗巖和大理巖)進(jìn)行了單軸壓縮瞬時(shí)力學(xué)特

4、性試驗(yàn)研究，分析了硬巖的全應(yīng)力—應(yīng)變曲線的各個(gè)階段及巖樣的變形特征、強(qiáng)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(jìn)行硬巖的蠕變?cè)囼?yàn)和數(shù)值計(jì)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(duì)錦屏一級(jí)地下洞群附近所取的大理巖進(jìn)行了單軸壓縮蠕變?cè)囼?yàn)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(shí)驗(yàn)過程中泊松比的變化規(guī)律，并在Nishihara模型下進(jìn)行了

5、模型參數(shù)的反演分析，為下一步進(jìn)行錦屏一級(jí)地下洞群的長期穩(wěn)定性研究提供試驗(yàn)依據(jù)。
　　 (2)新型巖土相似材料的研制——在進(jìn)行大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室的單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、假三軸試驗(yàn)、巴西試驗(yàn)等經(jīng)典力學(xué)試驗(yàn)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(gè)大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)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(yàn)。
　　 (3)大型地下洞群分步開挖穩(wěn)定性研究——在進(jìn)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(zhǔn)三維大型地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。研制了一套具有自主知識(shí)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(yàn)臺(tái)架，并配備了全自動(dòng)的液壓加載系統(tǒng)，在臺(tái)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(kuò)展情況。在整個(gè)試驗(yàn)的測試過程中，首次將多種先進(jìn)的變形測試技術(shù)用于監(jiān)測圍巖變形，實(shí)現(xiàn)了洞室群模型開挖過程中的高精度的實(shí)時(shí)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(dú)特錨固技術(shù)。通過模型的超載試驗(yàn)，觀測了洞室群圍巖從產(chǎn)生微裂紋、起裂、擴(kuò)展直至產(chǎn)生較大范圍劈裂破壞的整個(gè)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(shí)對(duì)開挖過程和超載過程進(jìn)行了FL

8、AC3D數(shù)值模擬，試驗(yàn)測試結(jié)果、數(shù)值模擬結(jié)果和理論推導(dǎo)結(jié)果都進(jìn)行了對(duì)比分析，分析結(jié)果對(duì)實(shí)際工程的施工過程和今后的試驗(yàn)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(shí)驗(yàn)室單軸壓縮蠕變的試驗(yàn)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(gè)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(shí)效特性的基本模型，并通過對(duì)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?cè)囼?yàn)得到的相關(guān)流變參數(shù)的非線性表達(dá)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(tái)，編寫了上述本構(gòu)關(guān)系的程序塊，實(shí)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(shí)