超大型地下洞室围岩变形特性及监控模型研究

作     者：刘健 

作者单位：中国水利水电科学研究院 

学位级别：硕士

导师姓名：朱赵辉

授予年度：2018年

学科分类：081504[工学-水利水电工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 081503[工学-水工结构工程] 

主      题：白鹤滩水电站 地下工程 围岩变形 多点变位计 锚杆 监控模型 

摘      要：我国西南地区水能资源丰富,这一区域已建和在建的大型水电工程大多采用深埋地下引水发电系统,其中地下厂房结构多具有“大跨度、高边墙的特点。近年来,更是新建了一批跨度大于30m,高度超过70m的超大型地下洞室。赋存于岩性不均、地应力场复杂、地质构造发育的深埋山体里,围岩的稳定性是工程施工期关注的重点。白鹤滩水电站左岸地下厂房拥有世界级罕见的跨度(34m),厂区断层错动带发育,且初始第一主应力与洞轴线大角度相交。拱圈围岩破坏现象突出,边墙下部C2层间错动带剪切变形明显。本文结合地质、物探、施工、监测资料,通过岩石力学理论、FLAC3D数值模拟、岩石蠕变理论、中性点理论等对拱圈及高边墙的变形破坏模式、空间分布特征、演化机制进行分析。基于围岩演化发展规律及相关性分析,合理构造影响因子,采用非线性回归建模的方法,建立地下洞室围岩监控模型。取得以下主要认识:(1)建立了上游侧拱肩变形监测值“负增长与围岩“弯曲折断、“外鼓塌落破坏现象的联系,并归于围岩“沿环向受剪。提出用图示法,结合多点变位计的孔深-位移曲线和弹塑性理论推求松动圈半径R与“裂隙位移。(2)发掘并总结开挖掌子面的距离效应,掌子面与测点垂直距离he在10m范围内围岩卸荷强烈,该阶段围岩变形约占总变形量的50%～55%。在同等开挖条件下,围岩性质越差,其卸荷响应越强烈。随开挖高程的降低,卸荷响应趋弱,用最小二乘拟合法得到了衰减函数λ(x)。在洞轴方向上,开挖影响集中在测点前后2倍洞跨的范围内,该区域内位移增量约占总卸荷位移量的97%。(3)探究了高边墙浅层围岩应力状态变化,并划分为四个阶段,即应变能聚集、应力释放、下挖应力调整和应力趋稳阶段。由于软弱夹层的柔塑性,围压解除后错动带的应变能释放是一个缓慢逐渐的过程,时效特征明显。交叉洞口浅层围岩体存在两个方向的临空面,围岩变形对于施工响应灵敏,且变幅较大。(4)剖析了支护结构的工作性态,将锚杆应力变化型式分为“台阶状、“一拉一压、“荷载陡降以及“局部突变四类,前三者可分别归于“拉拔模型、“拉剪模型、“拉崩模型,“局部突变型锚杆应力受砂浆和围岩的约束作用,局部应力存在陡增陡降,不同测点间的应力表现出相互独立的特征。无粘结锚索荷载在张拉锁定后的50～80天内,预应力损失约2%～7%,衰减规律符合Richards函数。其后,锚索荷载应力与围岩变形的正相关关系符合Logistic回归方程。(5)可视初始地应力、岩流层产状及软弱夹层的性质为地质构造变形产生的先决条件,是为“内因。而施工及其他外荷载因素则为诱发软弱夹层变形的“外因。“内因决定着变形产生的“门槛和型式,“外因决定着变形产生的幅度和大小。(6)在定性研究围岩变形的演化分布规律、影响因素、力学机制的基础上,总结同类工程经验,采用FLAC3D数值模拟、组合流变模型等分析手段在建立围岩变形监控模型方面做了探索性的尝试和研究。提出以卸荷回弹、振动荷载、时效(蠕变)因子建模,计算实例证明,对于变形向临空面发展的测点,模型具有较好的拟合精度和外延性。