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《成都理工大学》 2005年 博士论文
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大跨度高边墙地下洞室群围岩稳定性评价及支护方案的系统工程地质研究

巨能攀  
【摘要】:复杂地质条件下大跨度、高边墙地下洞室围岩稳定性研究是水利水电工程勘测、设计、施工、运行中的重要地质工程问题。在大量工程实践和研究工作中,国内外学者已建立一套关于围岩稳定性评价较为完整的理论体系。但在实际的工程中,特别是对于糯扎渡这种边墙高、跨度大、洞室相互交错的地下洞室群的围岩稳定性问题,还缺少系统的评价方法。本文以糯扎渡水电站大型地下洞室群为典型实例,通过对复杂岩体结构条件的准确描述和模型的建立,遵循大型地下洞室群整体变形稳定性和局部块体稳定性评价相结合的基本学术思想,发展了复杂环境下大型地下洞室群围岩稳定性和支护方案确定的系统工程地质评价方法。在系统的研究工作中取得了如下研究成果: (1) 应用复杂环境下大型地下洞室群围岩稳定性和支护方案确定的系统工程地质评价方法,系统地评价了糯扎渡水电站大型地下洞室群和引水发电系统在各种条件下的稳定性,并基于洞室围岩稳定性状况和可能的变形失稳模式提出了支护措施的优化建议。 (2) 查清了地下洞室工程区的地质条件,认为该区岩体结构的形成经历了复杂的构造改造过程。该区主要构造迹象表现为断层和节理,其中F_1、F_3规模最大,以F_1断层及F_3断层为界,可以将糯扎渡左岸分为三个大的工程地质区。通过对比研究认为C1区是布置地下洞室群的最佳位置。 (3) 在已有的岩体结构研究成果的基础上,利用空间投影关系,采用由点到面的思路,研究了结构面的三维展布特征。 (4) 应用岩体质量分级的最新成果,对洞室区和左岸工程区的岩体质量进行了总体分级。并根据监测资料,反演分析了岩体的力学参数,反演结果和实测资料吻合较好。 (5) 以糯扎渡地下洞室群为原型,利用复杂岩土介质的建模技术,采用数值模拟方法,对控制性结构面的工程影响效应进行了研究。结果表明:在地下洞室的布置设计时,主要洞室端墙与Ⅰ-1级结构面距离应大于80m。对切穿洞室的软弱结构面(1-2类),相同倾角情况下,结构面走向与洞室轴线的夹角越大越有利于围岩稳定;相同走向情况下,低倾角结构面对洞室边墙围岩应力影响较大,而中等倾角的结构面对围岩的变形影响较大。 (6) 创新了大跨度高边墙地下洞室块体稳定性的评价方法,把地下洞室的可动块体分为边墙复杂块体、复合部位简单块体和复合部位复杂块体三类,提出了相应的建模和稳定性评价方法。在此基础上,利用块体理论、矢量分析法和OpenGL技术,开发了地下洞室块体稳定性评价及支护设计程序(BlockCAD):结合高边墙的特点,开发了地下洞室边墙块体稳定性分析程序(USASW),为快速评价洞室围岩块体稳定性提供了新的方法。 (7) 在对工程区岩体结构模型进行概化的基础上,利用复杂岩体建模的基本理论和方法,采用Flac3D模拟了地下洞室群和引水发电系统开挖后围岩的应力、变形、塑性区的分布和动态变化特征,且对控制性断层的工程效应进行了系统的分析和总结。为洞室群和引水发电系统的稳定性评价和支护设计提供了基础资料和理论依据。 (8) 基于以上研究成果,结合洞室围岩可能的失稳模式,综合新奥法和挪威法的特点,提出相应的支护参数,并采用数值模拟方法,对支护措施的支护效果进行了模拟分析,结果表明,支护后围岩的稳定性状态可以满足地下洞室群安全的需要。


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