地下水封洞库围岩非均质性及其参数刻画研究与应用

发布时间：2020-03-19 09:25

【摘要】：地下水封洞库常建于裂隙发育、地下水充裕的硬质花岗岩体中,受不同规模随机分布的岩体结构面影响,围岩参数不可避免地表现出强烈的非均质性或空间变异性。在水幕系统维持的高地下水压力作用下,围岩非均质性可能导致洞室局部出现灾难性的变形破坏现象,即围岩存在高失稳概率部位。而在实践中对岩体非均质性的有限认识严重制约了对围岩存在高失稳概率部位的识别工作,进而限制了支护设计的可靠程度。鉴于此,本论文以地下水封洞室非均质围岩岩体为研究对象,通过对围岩参数(渗透系数K_s、有效杨氏模量E′、有效粘聚力c′、有效内摩擦角φ′)的反演刻画研究,精准识别出围岩体存在的高失稳概率区域,进而提出针对性的支护方案。以宁波百地年地下水封洞库工程为实例,首先研究围岩各参数代表性体积单元(REV)尺寸效应和各向异性效应,阐明该水封洞室考虑围岩非均质性的必要性。利用掌握的勘察资料确定参数的无条件随机场统计特征,包括均值、方差、相关尺度,作为参数反演所需要的先验信息。然后,生成一组满足先验信息的参数随机场作为参考场,基于参考场进行正演计算以采集水头和位移信息。紧接着,在围岩参数与位移的空间互关联分析基础上,运用逐次线性评估原理建立水力层析扫描技术和位移反分析技术,融合采集的水头和位移信息分别来反演刻画渗透系数K_s和力学参数(E′、c′、φ′)的空间非均匀分布及其各参数的条件不确定性。接着,通过概率理论建立可行的失稳概率化评价方法,定量化地识别出围岩不同部位的失稳概率,从而反馈性地指示出洞室需要补强支护的具体位置。最后,提出了考虑围岩非均质性的地下水封洞室信息化施工技术途径。本论文取得的主要结论如下:(1)渗透系数REV和力学参数REV尺寸大小比洞室几何尺寸相差不大,不能采用等效连续均质模型,因此考虑围岩非均质性是有必要的。各参数的无条件随机场统计特征表明渗透系数的空间变异性程度明显大于力学参数的空间变异性。以结构面网络模型为基础,通过数值试验探索出渗透系数无条件随机场相关尺度与岩体结构面平均最大迹长基本相等,且结构面的优势方向将控制随机场的统计各向异性特征。反之,若结构面不存在优势方向,则参数随机场表现为统计各向同性。(2)围岩中一点处的位移与靠近该点位置的K_s、E′、c′、φ′都呈负相关关系,而只与远离该点位置的K_s呈正相关性。围岩位移受整个模型范围内渗透系数和有效杨氏模量的影响,但只对附近的强度参数(有效粘聚力和有效内摩擦角)具有相关性。另外,从互相关性数量级来说,位移对K_s的互相关性最大,对E′的互相关性最小,对c′和φ′的互相关性居中。(3)基于参考场的正演分析表明:由于存在着水幕系统维持的高地下水压力,且_sK的非均质性可以改变洞室周围渗透力分布,若只考虑力学参数的非均质性,则不能反映洞室开挖后真实的变形和稳定性状况。因此,在地下水封洞室开挖安全分析中同时考虑岩体水力学和力学性质的不均匀性具有重要实际意义。(4)利用水力层析扫描反演刻画K_s场,基于反演K_s场所评估的水力梯度场虽未能反映真实水力梯度场中每一个细部特征,但却把握住总体特征,尤其是水力梯度大的地方都刻画的非常清楚,从而明确了关键的渗透力荷载大小和分布情况。基于评估的渗透荷载,采用位移反分析技术反演刻画的E′场在有位移采样的部位与参考场的空间分布具有极高的相似性,但对于反演的c′场和φ′场仅在靠近洞周范围内被反演刻画出来。并且,越靠近监测点的围岩参数被描述得越清晰,解析度越高,所对应的条件不确定性也越小,代表对反演结果的可信度越高,这对围岩失稳概率评价极其重要。(5)通过一阶近似法分别基于参数先验信息和参数反演结果计算出围岩失稳概率分布。可以发现,如果仅仅依靠参数先验信息则会低估围岩失稳概率,而经过参数反演评估结果则可以相对精确的指示出高失稳概率区。基于识别出的高失稳概率区,提出针对性的锚固补强措施,比直接采用位移量大的传统判别指标来提出锚固补强措施,更能够起到优化设计的目的。
【图文】：

技术路线图,技术路线

图 1.1 技术路线1.4 论文创新点（1）针对目前裂隙介质的随机连续介质模型表征方面，都还只是停留在直应用钻孔分段压水试验或钻孔岩芯质量评价等手段获取的实测参数值来分析各数的地质统计特征，而忽略了结构面随机分布所造成的参数空间非均匀分布这

采样数据,纵波波速,微风化

（a）原始记录数据样本（b）GEODE-96 地震仪图 2.2 地震勘探设备与采样数据（2）纵波波速空间分布特征参见图 2.1 中物探剖面 B-B′穿过研究区主要地层，其剖面方向为南偏西 63°。原始记录数据解译后获得地震波波速剖面如图 2.3 所示。总体而言，从浅部到深纵波波速增大，代表深部微风化或未风化岩体质量好于浅表层风化、中风化岩体量。研究区剖面上按纵波波速大小可以划分为三层：浅表层强风化破碎岩体，中化较破碎岩体过渡层，以及深部微风化岩体。其中，强风化带平均深度为 3m，风化带厚度除在 P2 断层穿越带变厚外，平均厚度为 10~15m。当高程小于 0m，可以从图 2.3 看出研究区基本处于微风化至未风化新鲜岩体。再从图 2.1 中所的研究区构造情况来看，P1 相对远离洞室区，P2 的发育深度又有限，即，局部质构造条件相对较好，，据此推测深部岩体相对均质。值得注意的是，但这只是基地震勘探在千米大尺度上的信息来判断的，其所能够反映的地层局部信息就会对模糊，波速分布也就表现为比较光滑，这也是该方法只能获得大尺度空间非均性的弊端。换言之，要想获得更多的地层物理力学信息（或划分出小尺度的均质
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TE972.2

【参考文献】