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近水平层状围岩离层机理与效应探讨

日期:2023年11月04日 编辑:ad201107111759308692 作者:无忧论文网 点击次数:220
论文价格:150元/篇 论文编号:lw202310311712589086 论文字数:48566 所属栏目:土木工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是一篇土木工程论文,本文通过现场地质调查、现场试验与室内试验、理论推导与数值计算等方法,针对层状围岩的结构变形与离层机理及其效应等问题,开展了一系列工作,研究成果对层状围岩的变形破坏分析与稳定性评价具有一定的参考价值。

第一章  前

1.1  选题依据及研究意义

自国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划(2021-2035)》[1]以来,大量抽水蓄能水电站项目规划与建设开始实施。与传统的水电工程不同,由于没有传统大型坝体的限制,抽水蓄能水电工程在选址上更加的多样化和多元化,一大批抽水蓄能电站地下厂房布设于以沉积岩为代表的层状岩体中。如栗子湾抽水蓄能电站地下厂房布设于层状砂岩与泥质砂岩互层地层中[2],蟠龙抽水蓄能电站地下厂房洞室赋存岩体为近水平发育的厚层~巨厚层砾岩、砂岩以及粉砂岩[3]。此外,像巫山(大溪)、云阳建全、乔家山以及佳县等抽水蓄能电站地下厂房洞室群同样布设于层状岩体中[2]。

对于发育有1组绝对优势产状面、具有典型成层特性[4-5]的层状岩体,尤其是沉积岩或副变质岩。相比于其他结构面而言,该组优势结构面的产状更为恒定、空间延续性更好、影响范围更大[6]。对于赋存于层状岩体中的地下厂房洞室,一方面,地下厂房具有埋深大、跨度宽、边墙高等特征[7],另一方面,层状岩体具有特殊的岩体结构,因此,层状围岩深埋地下洞室最突出的问题便是围岩的稳定性问题[2]。围岩的变形破坏主要受控于围岩自身的岩石强度和岩体结构,以及地应力和地下水等岩体赋存环境因素[7-8],其中岩体结构是控制围岩变形破坏最重要的因素之一[9]。而层状围岩的岩体结构特征不同于连续介质或块裂介质岩体,层面的存在使得层状岩体在力学性质上表现为非连续性、非均一性和各向异性的板裂介质力学特性[10-11]。由于层状围岩具有显著的板裂介质力学特性,因而,层状围岩在变形破坏形式上也不同于一般围岩,具有较强的结构变形破坏特性[12-13]。如陡倾或直立层状围岩中洞室边墙的弯曲—溃屈变形破坏,近水平或水平层状围岩中洞室顶板的弯曲—折断和底板的鼓起—折断变形破坏[11,14]。

1.2  研究现状

1.2.1  层状围岩的变形破坏研究

上世纪60年代,谷德振先生提出了“岩体结构”的概念以及岩体结构控制岩体稳定性的重要观点[18]。孙广忠教授在此基础上进一步提出了“岩体结构控制论”,认为岩体的变形由岩石材料变形和岩体结构变形共同贡献[9,11]。层状岩体在地质上具有典型的成层特性,平行结构面组的存在导致层状岩体的变形破坏特征与均质岩体存在很大差别[19],变形与破坏机制不服从一般岩体材料的变形和破坏法则,其力学作用特点遵循着典型的“梁”或“板”的变形与破坏规律[20]。在认识到层状围岩的变形破坏具有其特殊性后,相关学者针对层状围岩的变形破坏特征与机理开展了大量的研究,并取得了丰富的研究成果。

(1) 层状围岩的破坏模式与破坏特征

孙广忠等[11,14]、肖远与王思敬等[21]认为层状岩体的结构变形破坏比岩石的材料变形破坏更严重,并总结归纳了层状岩体常见的4种变形破坏类型与模式,即洞室边墙的弯曲-溃屈破坏、顶板的弯曲-折断破坏、底板的鼓起-折断破坏和斜顶的弯曲-折断破坏。张倬元等[22]认为弯曲-拉裂是层状围岩(尤其是薄层状围岩)的重要变形破坏模式,具体表现为顶拱的下陷、边墙的突出以及底板的隆起。周应麟等[23]在分析层状围岩隧道的受力特征的基础上,提出了层状围岩的破坏机理,并总结了不同倾角条件下的层状围压的失稳模式。

国外学者诸如Adhikary等[24-25]和Providas等[26]研究了层状岩体的Cosserat本构模型,并分析了层状岩体的弯曲变形破坏特征。Hou等[27]研究了高地应力条件下水平层状围岩的洞室变形特征及其机理,认为层状围岩的变形与破坏受层面结构的影响很大,洞室顶板与底板岩层在水平应力作用下易产生沿层面发展的剪切滑动破坏。

第二章  研究区工程地质背景

2.1  工程概况

工程区位于甘肃省张掖市境内,为纯抽水蓄能水电工程,电站拟装机容量1400 MW,上水库正常蓄水位2840 m,死水位2804 m,库容7.43×106 m3;下水库正常蓄水位2289 m,死水位2249 m,库容7.35×106 m3。整个工程的主要构筑物包括上下水库、引水隧道、交通洞和地下厂房系统等,见图2-1。其中地下厂房系统位于上下水库中间的山体中,主厂房开挖尺寸为180 m×30 m×50 m(长×宽×高),顶板垂直埋深达到500 m,为典型的深埋洞室。

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2.2  工程地质环境

2.2.1  区域构造背景

研究区位于青藏高原东北缘的肃南地区,根据区域地质发展历史、沉积建造及其演化特点等,可将研究区及邻近地区划分为中朝准地台和祁连山褶皱系2个一级构造单元,其中祁连山褶皱系在研究区附近又可进一步划分为4个二级构造单元[105],见图2-2,工程库址位于二级构造单元中的走廊过渡带(II-1)与北祁连优地槽褶皱带(Ⅱ-2)的交界部位。

其中走廊过渡带(II-1)为北祁连褶皱带和阿拉善台隆之间的过渡带。北祁连优地槽褶皱带(Ⅱ-2)为沉积建造、岩浆活动、褶皱断裂发育良好的典型优地槽褶皱带,主要包括走廊南山—冷龙岭等呈北西-北西西向窄长条形高山带。

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第三章  水平层状围岩变形的力学分析 .................... 24

3.1  层状围岩变形的基本特征 ............................ 24

3.1.1  洞室围岩应力分布 .......................... 24

3.1.2  层状围岩的结构效应 ................... 24

第四章  水平层状围岩离层机理与特征 ........................ 40

4.1  层状围岩变形的离层机理与条件 ...................... 40

4.1.1  层状围岩的离层机理 ............................... 40

4.1.2  仅考虑水平应力的离层条件 ................... 41

第五章  水平层状围岩离层演化规律 .............................. 52

5.1  计算方案 ......................... 52

5.1.1  计算模型与参数 .............................. 52

5.1.2  计算监测面与监测线布置 ......................... 54

第五章  水平层状围岩离层演化规律

5.1  计算方案

5.1.1  计算模型与参数

(1) 计算模型

计算模型的建立依托于实际的工程地质背景,地下洞室的赋存岩体为二叠系层状砂岩,根据现场统计,层厚多集中于3~5 m(表2-1),岩层倾角整体较缓,优势产状倾角为10°(表2-5)。地下洞室(主厂房)开挖尺寸为180 m×30 m×50 m(长×宽×高),属于典型的大型地下洞室,洞室埋深达到500 m,远大于洞室高度,属于深埋洞室,因此建模时不考虑地形因素。

由于实际工程中的岩层倾角极缓,故而可近似地视为水平层状岩体。同时,考虑到4.1.3节中已从岩体力学参数和岩层层厚的角度,总结了易于产生离层的基本岩层组合结构类型(图4-3)。因此,数值计算着重从围岩的力学边界条件角度出发,研究围岩中离层的分布规律,故而控制围岩的力学参数和岩层层厚条件保持一致。

基于此,采用FLAC 3D岩土数值计算软件,建立如图5-1所示的计算模型,模型长580 m(y方向),宽230 m(x方向),高348 m(z方向),岩层面设置界面单元,见图5-1(b)。结合实际地层条件,取厂房区岩层层厚为3 m(小于1/8洞宽),其中洞室顶部与底部沿纵深方向各20层,岩层编号依次为Uc1~Uc20(洞顶岩层)和Dc1~Dc20(洞底岩层),之后便分别以6 m、12 m、24 m和48 m的层厚过渡到模型边界,见图5-2。

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第六章  结论与展望

6.1  结论

(1) 层状围岩的变形主要由岩层的结构变形引起,而围岩的岩石材料变形极为有限。在层面张开前,洞室顶部岩层产生同步、协调的弯曲下沉变形,洞室底部岩层则产生同步、协调的弯曲隆起变形;层面张开后,围岩出现非同步、非协调的结构性弯曲变形,总之,层状围岩结构变形是离层产生的变形基础。

(2) 离层在本质上是由相邻岩层间非同步的结构性弯曲变形引起的,当相邻岩层在力学性质或层厚上具有较大差异性时,有利于离层的出现,此外,离层还受到地应力、围岩的力学性质、围岩的岩体结构以及洞室尺寸等因素的控制,离层范围则与关键层的所在位置有关,关键层距临空面越近,离层的影响范围越小,当围岩中不存在关键层时,离层的强烈发育带大致为洞室跨度的一半。

(3) 离层具有典型的逐层递进性演化特征,在离层的产生与发展方面,靠近初始临空条件的岩层优先出现离层,随后才逐层往远离初始临空条件的岩层发展,在离层破坏方面,岩层则以“岩层结构性弯曲变形—离层产生—岩层弯曲拉裂—岩层垮塌”的形式逐层垮塌破坏,且在逐层垮塌过程中,岩层的垮塌跨度逐层减小,最终形成梯形拱的破坏形态。

(4) 离层的产生与演化具有明显的时间效应,离层量值以及范围均随着时间步的累积而不断增大,离层的空间分布特征表现为随着围岩纵深的增大,离层不断减小,而同一层面内的离层分