复杂条件下岩体应力综合分析及岩爆控制研究
发布时间：2017-05-09 12:03
本文关键词：复杂条件下岩体应力综合分析及岩爆控制研究，，由笔耕文化传播整理发布。
【摘要】：地应力是岩石工程及地下建筑建设的基本地质条件之一,初始地应力场特征是否可靠,将直接影响工程可靠性与安全性。地应力受地质构造、地形地貌和剥蚀作用、岩石力学性质、地下水及温度等因素的影响,而且各种影响因素之间关系复杂,更加剧了地应力分布的复杂性；且西部水利水电工程的深埋地下洞室一般处于高地应力或者极高地应力环境中。因此,本论文结合中央级公益性科研院所基金项目“极高应力条件下洞室围岩应力测量与分析方法研究”、国家重点基础研究发展计划(973)课题“高地应力区工程卸荷滑坡演化与致灾机理,(2011CB710603)、国家自然科学基金重点项目“深部岩体工程特性的理论和实践研究”(50639090)和科研项目“基于爆破卸压的地应力快速释放方法的岩爆防治效果模拟研究”四个课题,以四个递进工作“极高应力条件下岩体应力测试、小尺度工程范围的隧洞围岩应力场反演分析,大尺度工程区岩体应力场非线性系统分析以及高应力环境中岩爆控制措施”为主线系统地开展了测试理论研究、试验方案论证以及工程应用研究相结合的模式展开工作。主要研究内容及相关成果如下：(1)针对极高地应力地区岩体地应力测量遇到的困难,基于复变函数法推导出切槽位移和应力的函数关系；通过有限元模拟计算进行合理性论证,提出了适合极高地应力环境的新的地应力测试方法——洞壁切槽解除法,并成功将该方法用于锦屏二级水电站A线辅助洞南侧的2#科研试验洞围岩应力场研究中。(2)根据围岩“开挖前→开挖→强松弛区围岩弱化→弱松弛区围岩弱化”过程中的4个应力演化过程,结合非线性优化求解算法,建立了基于围岩应力与其它应力信息的初始应力场的反演方法,并将该方法用于锦屏二级水电站4#引水发电洞围岩初始应力场的反演分析研究中。(3)位于西部深切河谷区的白鹤滩、乌东德、小湾、松塔及二滩水电站坝址区岩体应力测试和分析结果显示：河谷走向与区域主压应力方向的夹角越大、河谷底部岩体应力集中现象更趋强烈；硬质岩体利于地应力的积蓄,而由于断层的扰动效应,断层附近岩体应力量值和方位均出现明显的变化。(4)鉴于常规的岩体应力场分析方法在复杂条件下的岩体应力场模拟研究中的局限性,本论文提出了应力场非线性系统分析应用方法：将深切河谷应力场作为一个复杂的非线性系统,结合现场地质条件、测试部位岩体(组)质量、正交设计和智能优化反演方法,建立数值计算模型边界条件(自重系数、构造应力的大小和方位)与地应力之间的非线性映射关系进行优化求解。该方法克服了以往进行应力场边界条件求解过程中仅考虑部分因素或没有全域求解的缺点。(5)根据白鹤滩水电站深切河谷坝址区初始应力场非线性分析结果,应力测试值和计算值的复相关系数R=0.89,且勘探支洞开挖过程中出现的片帮现象与计算结果相符。因此,采用该方法进行白鹤滩水电站工程区岩体应力场模拟分析是合理可行的。(6)根据测试和研究分析,白鹤滩水电站电站地下厂房部位岩体应力量级属于中～高应力水平。左岸地下厂房最大水平主应力方位一般为NEE向,右岸地下厂房区应力量值大于左岸厂房区,且随深度的增加逐渐向受区域构造应力控制,即最大水平主应力方位沿铅直方向由NNE向向NWW过渡。河谷底部出现了明显的“高应力集中包”现象,边坡浅层岩体应力量值较低,岩体最大水平主应力方位与河流走向基本平行或成小角度相交,随着水平埋深的增加边坡岩体最大水平主应力方位向区域构造方位过渡。(7)采用显式有限差分计算方法,对锦屏二级水电站引水隧洞采用基于爆破卸压的地应力快速应力释放的岩爆防治方案进行了模拟计算分析。模拟结果显示爆破应力快速卸压能有效的减轻岩爆部位围岩的应力集中程度,进而使应力集中区向卸荷松弛区内部围岩迁移,达到岩爆控制的目的。(8)依据Rusesenes岩爆应力判据,对不同应力释放方案的岩爆防治效果进行了对比分析。倾斜辐射孔方案和垂直超前孔方案可以分别避免开挖轮廓线附近和掌子面前方的应力集中,两种方案均能降低岩爆发生的可能性。在锦屏二级引水洞施工现场进行了爆破试验,应力释放炮孔附近形成了卸荷松弛圈,其应力得到一定的释放,与模拟结果相符。
【关键词】：高应力 切槽解除法 岩爆控制 非线性系统分析
【学位授予单位】：中国地质大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TU45
【目录】：
- 作者简介6-8
- 摘要8-10
- ABSTRACT10-16
- 第一章 绪论16-27
- §1.1 研究意义及选题依据16-17
- §1.2 国内外研究现状17-23
- 1.2.1 地应力测试方法17-19
- 1.2.2 地应力模拟分析方法19-21
- 1.2.3 岩爆预防措施21-23
- 1.2.4 研究中存在的主要问题23
- §1.3 研究内容、研究方法和技术路线23-27
- 1.3.1 主要研究内容23-24
- 1.3.2 研究方法及技术路线24-25
- 1.3.3 主要创新点25-27
- 第二章 切缝解除法在极高应力条件下洞室围岩应力测量中的应用27-48
- §2.1 基于部分恢复变形的切缝解除法基本原理27-33
- 2.1.1 洞壁二维应力测量27-31
- 2.1.2 洞室原岩三维应力测量31-33
- 2.1.3 部分恢复法岩体弹性模量测试33
- §2.2 切缝解除法有限元模拟与论证33-37
- §2.3 窄缝局部应力解除法测试流程37-38
- §2.4 切缝解除法在锦屏Ⅱ级水电站中的应用38-47
- 2.4.1 辅助洞表层岩体应力特征分析38-40
- 2.4.2 切缝解除法在辅助洞应力场研究中的应用40-47
- §2.5 本章小结47-48
- 第三章 基于围岩扰动应力的初始地应力场测试及反演分析48-65
- §3.1 测区岩体质量评价48-49
- §3.2 切缝解除法测试方法的改进和论证49-52
- 3.2.1 卸荷岩体切缝解除法有限元模拟与论证49-52
- 3.2.2 测试工艺的改进52
- §3.3 测试成果分析52-53
- §3.4 基于围岩扰动区应力测量结果的原岩应力反演方法53-59
- 3.4.1 反演分析流程53-54
- 3.4.2 有限元模型建立54-55
- 3.4.3 力学参数和本构模型的选取55
- 3.4.4 应力边界条件和加载方式的选取55-57
- 3.4.5 非线性优化求解方法57-59
- §3.5 反演结果分析59-63
- 3.5.1 应力边界条件优化求解结果59
- 3.5.2 围岩应力演化过程分析59-63
- §3.6 地应力成果的工程应用63-64
- 3.6.1 地应力场与隧道轴线布置63
- 3.6.2 隧洞形状讨论63-64
- 3.6.3 施工过程中的岩爆问题及应对措施探讨64
- §3.7 本章小结64-65
- 第四章 应力场非线性系统分析方法及其工程应用65-112
- §4.1 应力场的影响因素分析65-72
- 4.1.1 地形地貌及剥蚀作用65-66
- 4.1.2 构造应力66-69
- 4.1.3 岩体(石)力学参数69-71
- 4.1.4 断层的扰动效应71-72
- §4.2 常用的应力场模拟分析方法72-74
- 4.2.1 位移反分析法72
- 4.2.2 侧压系数法72
- 4.2.3 多元线性回归分析法72-74
- §4.3 应力场非线性系统分析方法74-78
- 4.3.1 场区及远场构造应力对比分析74-75
- 4.3.2 信息源的组成及数据挖掘75-77
- 4.3.3 应力场非线性优化求解77-78
- §4.4 白鹤滩水电站区域地质特征78-84
- 4.4.1 工程概况78-80
- 4.4.2 工程场区局部应力与构造应力场关系研究80-84
- §4.5 现场地应力实测结果分析84-91
- 4.5.1 测试情况简介84-85
- 4.5.2 地应力测试结果分析85-91
- §4.6 地应力场特征信息提取分析91-95
- 4.6.1 工程场区构造应力信息91-93
- 4.6.2 岩石(体)力学参数93-94
- 4.6.3 应力测试结果的整理94-95
- §4.7 地应力场非线性系统分析95-105
- 4.7.1 三维有限元模型的建立95
- 4.7.2 力学参数的选取95-96
- 4.7.3 计算边界条件的构建96
- 4.7.4 BP人工神经网络求解96-101
- 4.7.5 计算结果的校核和反馈101-105
- §4.8 地下厂房部位岩体应力分布特征105-111
- 4.8.1 上坝线左岸厂房区岩体应力场特征105-106
- 4.8.2 上坝线右岸厂房区岩体应力场特征106-107
- 4.8.3 下坝线左岸厂房区岩体应力场特征107-108
- 4.8.4 下坝线右岸厂房区岩体应力场特征108-109
- 4.8.5 坝轴线剖面地应力场分析109-111
- §4.9 本章小结111-112
- 第五章 高应力状态下基于快速卸荷的岩爆控制措施研究112-134
- §5.1 锦屏二级引水隧洞应力场特征及岩爆问题112-117
- 5.1.1 引水隧洞区地质条件112-114
- 5.1.2 引水隧洞地应力预测114-115
- 5.1.3 引水隧洞岩爆问题115-117
- §5.2 基于爆破卸压的应力释放方案三维数值分析方法117-119
- 5.2.1 基于爆破卸压的应力释放方法防治岩爆的基本原理117
- 5.2.2 计算条件和岩体参数117-118
- 5.2.3 计算方案118-119
- §5.3 单排辐射孔方案一计算成果分析119-121
- 5.3.1 单排辐射孔方案一炮孔布置119-120
- 5.3.2 单排辐射孔方案一爆破后应力场分布规律120-121
- 5.3.3 单排辐射孔方案一爆破后塑性区分布规律121
- §5.4 单排辐射孔方案二计算成果分析121-123
- 5.4.1 单排辐射孔方案二炮孔布置121-122
- 5.4.2 单排倾斜辐射孔方案二爆破后应力场分布规律122-123
- 5.4.3 单排辐射孔方案二爆破后塑性区分布规律123
- §5.5 双排辐射孔方案计算成果分析123-125
- 5.5.1 双排辐射孔方案炮孔布置123-124
- 5.5.2 双排辐射孔方案爆破后应力场分布规律124-125
- 5.5.3 双排辐射孔方案开挖后塑性区分布规律125
- §5.6 垂直超前孔方案计算成果分析125-127
- 5.6.1 垂直超前孔方案炮孔布置125-126
- 5.6.2 垂直超前孔方案爆破后应力场分布规律126-127
- 5.6.3 垂直超前孔方案开挖后围岩塑性区分布规律127
- §5.7 岩爆防治效果对比评价及现场验证127-133
- 5.7.1 倾斜辐射孔方案岩爆防治效果评价128-129
- 5.7.2 垂直超前孔方案岩爆防治效果评价129
- 5.7.3 岩爆防治效果现场验证129-133
- §5.8 本章小结133-134
- 第六章 结论及建议134-137
- §6.1 主要结论134-136
- §6.2 建议136-137
- 致谢137-138
- 参考文献138-144
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