高地应力下大型地下洞室群硬岩EDZ动态演化机制研究

发布时间：2019-04-26 19:32

【摘要】：水电作为一种清洁可再生资源发展前景广阔。鉴于我国水电资源主要集中在地质条件异常复杂的高山峡谷区,具有构造应力大、卸荷作用强、地震烈度高等特点,受各种因素制约,绝大多数水电站的引水发电系统都采用地下结构形式。在高地应力、强卸荷、地震烈度高等复杂地质环境中修建大型地下洞室群面临巨大挑战,如洞室围岩松弛深度大、位移量级高、塌方、岩爆、岩体深部拉裂等。深埋大型洞室群的围岩损伤止裂、变形控制、塌方处治等具有难度大、成本高的特点。认清地下洞室围岩开挖扰动(损伤)区的演化规律,对于优化支护参数、安全施工及评价工程稳定性和安全性至关重要,具有重要的现实意义和理论价值。因此对于高地应力、超大型规模等复杂地质环境下洞室群的围岩EDZ动态演化机制急需进行深入研究。论文以在建的猴子岩水电站地下厂房洞室群为研究对象,以工程地质学、岩石力学和损伤力学等理论为指导,结合一系列室内岩石力学试验和现场监测检测资料对开挖过程中洞室围岩出现的大量变形破坏现象以及围岩松弛深度过大等问题进行研究,探讨高地应力下硬质围岩EDZ的动态演化机制。本文的研究内容主要有：(1)工程概况及地质环境背景。对猴子岩水电站地下洞室群布置形式以及地质环境背景进行研究,重点研究了厂区地应力场特征,得出猴子岩地区具有实测地应力值偏高、中间主应力偏大和围岩强度应力比偏低的特点。(2)变质灰岩在加卸载条件下的变形破坏特征；基于猴子岩变质灰岩单轴压缩声发射试验、三轴压缩试验、高围压卸载试验以及SEM断口扫描试验等多类型试验的结果,分别从声发射事件定位、应力-应变曲线特征、强度特征以及宏细观破坏形态等方面对变质灰岩在不同应力路径下的变形破坏全过程进行了系统研究,分析了变质灰岩在加卸载条件下的变形破坏机制。并采用裂纹应变法得出了变质灰岩各应力特征值之间的比例关系。(3)高地应力下地下洞室群围岩变形破坏特征。通过分析挖掘洞室群围岩位移监测资料,对猴子岩地下洞室群围岩位移量级、变形空间分布规律以及变形时间演化规律进行研究;通过现场详细的工程地质调查,对洞室群围岩破坏现象进行归纳分类,并对围岩破坏的空间分布特征和时间演化特征进行研究；然后应用应力莫尔圆和应力场空间分布特征对猴子岩地下洞室群围岩变形破坏特征进行解译。(4)高地应力下地下洞室群围岩EDZ演化机制研究。基于室内岩石力学试验成果和多点位移计监测成果,提出了围岩EDZ判别新标准—围岩应变法,该方法和常用的声波测试法符合程度较高。结合猴子岩现场实际情况,应用围岩应变法对地下洞室群围岩EDZ的影响因素、时空演化特征以及围岩EDZ模式进行研究；以岩石力学试验结论为基础,结合Hoek-Brown准则,提出适用于理想完整变质灰岩的复合强度判据,然后应用复合强度判据对洞室围岩EDZ模式的地质力学机制进行研究。(5)高地应力区围岩EDZ内岩体力学参数研究。在分析现有岩体力学参数估算方法缺陷的基础上,通过引入高地应力条件下岩体完整性系数KVD的概念,对Hoek-Brown准则估算岩体力学参数公式进行改进。应用改进后的估算公式对猴子岩主厂房围岩EDZ内岩体力学参数进行研究。重点分析了岩体力学参数沿孔深的变化规律以及随开挖的时空动态演化规律。论文的主要创新点如下：(1)得出变质灰岩各应力特征值之间的比例关系。通过岩石力学试验,得出了变质灰岩闭合应力、起裂应力、损伤应力和峰值应力之间的比例关系,为预测围岩损伤破坏和损伤控制提供了理论依据；(2)提出围岩应变法用于判别大型地下洞室群围岩EDZ发育规律。论文提出的围岩应变法具有时间上连续且不受洞室部位限制的优点,可以弥补声波测试数据的不足；(3)提出适用于理想完整变质灰岩的复合强度判据。该判据可以更好地反映低围压条件下岩石的破坏机制；(4)提出高地应力区围岩EDZ内岩体力学参数估算新方法。论文通过引入高地应力条件下岩体完整性系数KVD的概念,对Hoek-Brown准则估算岩体力学参数公式进行改进,改进后的公式可以考虑高地应力下岩体的不同损伤程度,估算结果更贴近于实际。
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【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV223

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