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大型地下洞室群劈裂破坏现场监测和三维地质力学模型试验研究

张乾兵  
【摘要】: 我国大型水电工程的地下洞室群大多处于高山峡谷中,洞址常位于初始高地应力场之中。随着地下洞群的规模、埋深和高地应力等的逐渐增大,脆性裂隙岩石中地下洞室在开挖过程和完成后将面临一系列复杂的非连续变形行为,对工程施工过程和长期稳定性造成严重的威胁。因此,本文以大渡河干流规划的22个梯级电站中游和下游的两座控制性电站为研究对象,采用现场监测、三维地质力学模型试验和数值模拟的综合方法进行研究上述工程问题。 瀑布沟水电站是大渡河流域水电规划中的下游控制性水库工程,也是装机规模最大的电站。在该电站地下洞群的施工期,采用可视性的观测方法(包括钻孔电视成像仪和数字式全景钻孔摄像系统)和以电阻率法为理论基础研制的形变电阻率观测系统进行了多次现场监测,得到了开挖卸荷后洞群间岩柱内多条裂缝带的分布和发展情况。为解决上述这些关键问题和研究围岩产生劈裂和张开性变形的机理和规律提供了基础资料。 以正在规划设计中的双江口水电站地下洞群(设计埋深达600m、地应力高达38MPa)为研究对象,开展了大比尺三维应力状态下的地质力学模型试验,在试验技术方面做了重大的改进,并开发和应用了许多先进的量测方法和技术:(1)完全实现了三维应力状态的六面可施加主动荷载的模型试验系统;(2)在各主要加载面上新研制和布设了组合型的滚珠式滑动墙,大大减小了由于模型变形引起的摩擦力;(3)在制作模型时,采用了预制模型块和预留监测孔然后堆砌粘结成型的工艺方法,能较好地保证模型材料在力学性能上的一致性;(4)采用了数字照相变形量测技术和基于光纤Bragg光栅(FBG)的棒式位移传感器、并研制了以高精度光栅尺为传感器的微型多点位移计系统进行围岩变形量测;(5)实现了模型的施作注浆锚杆和预应力锚索的工艺技术;(6)完成了不同埋深条件下的超载试验,观察到洞室围岩在加载过程中的破坏形态和破坏过程。此外,采用FLAC3D软件开展了与模型试验对应的三维数值模拟,将试验结果与数值模拟结果进行了对比分析。结果表明在高地应力区围岩存在非连续变形和劈裂破坏现象。


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