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深埋隧洞围岩性质及岩爆机理研究

时间:2018-04-01 21:05来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。
本文是一篇水利工程论文,水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水,达到除害兴利目的而修建的工程。也称为水工程。水是人类生产和生活必不可少的宝贵资源,但其自然存在的状态并不完全符合人类的需要。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇水利工程论文,供大家参考。
 
第一章绪论
 
1.1研究背景
本文在对国内外已有相关文献的阅读、分析的基础上,以齐热哈塔尔水电站的引水隧洞中发生的岩爆现象为主要研究对象,对引水隧洞中采集到的岩样进行室内单轴压缩试验、巴西劈裂试验及常规三轴试验,获得岩石的相关力学参数,为数值模拟参数标定提供依据。利用所得力学参数运用离散元颗粒流软件 PFC 对进行的物理实验进行模拟,将数值模拟结果与实际情况相比较,探究宏观力学性能和细观参数之间的关系。进而采用 PFC 对室内岩爆试验及隧洞内岩爆现象进行模拟,研究分析岩爆的发生机理,并尝试试验结果与结论应用于引水隧洞中,验证结论的合理性。
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1.2 国内外研究现状
 
1.2.1 岩爆现象概述
岩爆是在地下工程开挖过程中坚硬、脆性围岩在高应力条件下,因开挖扰动导致围岩应力重新分布和应力集中,岩体内储存的弹性应变能突发性的急剧释放,而产生的爆裂松脱、剥落、弹射甚至抛掷现象的一种动力失稳、破坏性的地质灾害。自 1738 年在英国南斯坦福煤田最早观察到岩爆现象以来,对岩爆的研究有近 80年的历史。随着采矿、水利水电等工程逐渐向深部[2-5]发展,岩爆现象的爆发也越来越频繁。岩体岩爆时造成的围岩瞬间弹射等脆性破坏现象,会给地下工程稳定性和人员设备安全造成极大威胁。影响岩爆的因素有很多,除了受岩性条件、地质构造条件、应力条件等因素控制外,开采条件(如开挖临空面形式、开采方式、开挖速率等)对岩爆的发生也有很大影响。在实际工程中,随着地下工程作业深度的增加,由重力所导致的原岩内垂直应力与构造应力也逐渐提高;再加上工程开挖引起的地应力集中,外界应力远大于岩体本身的强度。由于岩爆机理较为复杂,故目前对岩爆的发生和破坏机制还没有很清楚的认识,关于岩爆机理的相关研究也均未得到研究界的统一认可[6]。从岩爆的机制角度进行分析,能够从根本上解决岩爆的预测问题,从而更好地对岩爆进行防治。Ewy R T 和 Cook N G W[7]应用不同的应力路径对伯里亚砂岩和印第安纳州石灰石进行了分析,研究了地下开挖处的弹性、非弹性变形,断裂和破坏。使用径向各向异性模量模型分析了开挖处的整体变形。Martin C D 等[8]调查了与地下开挖口相邻的开挖扰动区的形成和特征。在对圆形隧洞周围的花岗岩性质进行监测后,又通过实验室测试补充了原位试验。最终对隧洞开挖中的脆性破坏过程进行了详细记录。Hajiabdolmajid V 和 Kaiser P[9]通过对脆性岩石加载-破坏过程的研究,提出了峰值应力前与岩石脆性相关的脆性指数 IBε。指出了岩石的脆性是与时间(即加载速率)和几何尺寸相关的属性,它影响着地下开挖的短期和长期稳定性。Aiiakbar Golshani[10]等在分析花岗岩三轴试验中的膨胀体积应变后,提出了一种用于岩石脆性破坏的基于微观力学的连续损伤模型,为分析岩石在压缩下的宏观尺度机械响应和微观尺度的非弹性变形提供了一种数值分析工具。所提出的模型可以为准确预测裂纹扩展,如裂纹长度和裂纹密度提供一个有力的依据。Reik 等[11]利用特殊设计的加载装置对节理岩石进行了真三轴加载试验,对比了不同节理构造和不同围压下节理岩石的强度和变形特征。通过对比试样的不同破坏形式,发现节理岩石的变形特征取决于所施加的应力场的节理形式和各向异性。
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第二章岩石力学试验及岩爆倾向分析
 
2.1 引言
在地下工程的开挖过程中,由于岩体原有力学平衡状态被破坏,使得岩体本身的应力或应变得到释放,导致岩体产生新的变形或破坏。对岩体的开挖本身也是一个卸载过程,即将岩体内部本身储存的荷载及变形加以释放。洞室开挖后,二次应力转移,切向主要表现为加载,径向为卸载。本章物理试验为了获得岩石的相关力学参数,为数值模拟的参数标定提供依据,进行了单轴压缩、巴西劈裂及常规三轴试验。此后,根据物理试验及已有判据,对齐热哈塔尔片麻花岗岩的岩爆倾向做了预测分析。
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2.2 试验仪器及试样制备 
TAW—2000 电液伺服岩石三轴试验仪是目前国内广泛应用的岩石试验系统。它可以实现岩石在不同情境下的多种试验,能够完成如下的具体试验和参数测定:在不同围压下,测量岩石的弹性参数;全应力-应变试验,获得峰值强度和残余强度;蠕变试验;松弛试验;在模拟原地应力水平下测试地层的流动参数;测试岩石的断裂韧性;测试地层的原地应力试验。系统通过由计算机、控制器、执行元件、传感元件等组成的全数字闭环控制系统实现对载荷、变形、位移的自动控制,可实时记录当前应力、位移的大小,并可将荷载-位移、应力-时间等曲线实时可视化显示。试验系统主要由轴向加载单元、围压加载单元、水压加载单元、电气控制柜单元、功能附件等组成。轴向加载单元由主机框架和伺服油源组成,由计算机发出指令控制伺服油源和伺服阀提供最大 2000kN 的轴向压力。围压系统由压力室、增压器组成。孔压系统的控制器把压力信号进行放大处理后进行显示和控制(同轴压),使输出压力与设定压力一致。同时把孔压数据送给计算机进行数据存储、显示、画曲线和打印试验报告。电气控制柜单元中有六个相互独立的数字测控器,可以同时测量和显示多个试验参数,可以控制任一测量通道并能在试验过程中对控制通道进行平滑切换。
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第三章岩爆数值模拟中颗粒本构选择............ 21 
3.1 引言 .... 21 
3.2 离散元法及 PFC2D........... 21 
3.2.1 离散元法 ..... 21 
3.2.2 PFC2D简介............ 22 
3.3 粘结模型 BPM...... 22 
3.4 粘结模型选择 ........ 26 
3.5 本章小结 ...... 28 
第四章细观参数反演及室内岩爆模拟研究.... 29 
4.1 引言 .... 29 
4.2 花岗岩力学试验模拟 ...... 29 
4.3 试样岩爆模拟研究 .......... 34
4.4 本章小结 ...... 40 
第五章洞室围岩岩爆模拟研究.... 42 
5.1 引言 .... 42 
5.2 洞室岩爆模拟方案 .......... 42 
5.2 洞室岩爆模拟结果及分析 ........ 46 
5.3.1 圆形洞室模拟结果及分析 ....... 46 
5.3.2 城门洞形洞室模拟结果及分析 ......... 47 
5.3 洞室围岩岩爆破坏机理分析 .... 49 
5.4 本章小结 ...... 50 
 
第五章洞室围岩岩爆模拟研究
 
5.1 引言
3种侧压力系数下圆形隧洞开始出现颗粒弹射后进入相对稳定状态期的洞室模拟情况及裂纹图,对应荷载等级分别为 6、7、5 级,对应荷载为 50MPa、55MPa、45MPa。当 k=0.5 时,裂纹产生区域主要集中在圆形洞室左右两侧,并逐渐向顶拱、底拱扩展。在距离开洞位置较远处,只有极少量裂纹产生。此时裂纹数为 445,其中张拉型 338 条,占 76%;剩余的为剪切型裂纹,占 24%。当 k=1.0时,裂纹基本在围绕洞室周围同时产生,并逐渐扩展。在距离开洞位置较远处,几乎没有裂纹产生;此时裂纹数为 462,其中张拉型 356 条,占 77%;剩余的为剪切型裂纹,占 23%。当 k=2.0 时,裂纹产生区域主要集中在顶拱和底拱处,且底拱裂纹较多,并逐渐向洞室左右两侧扩展。此时裂纹数为 1078,其中张拉型 815 条,占 76%;剩余的为剪切型裂纹,占 24%。在 k=0.5 和 k=1.0 时,虽然有颗粒弹射现象,但过程中裂纹产生速率较低,可以认为没有岩爆现象发生;而 k=2.0 时,裂纹产生速率和稳定状态裂纹数都远大于侧压力系数较低的情况,认为岩爆发生。剪切型裂纹数目随侧压力系数增加是由于侧压力系数增加,洞室周围围压逐渐增大,顶拱和底拱的切应力随之增加导致的。整体来看,裂纹分布和颗粒弹射位置并不均匀,这是由于在模拟过程中通过调整了颗粒大小来使模拟更接近岩体真实情况导致的。
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结论
 
本文依托齐热哈塔尔引水隧洞中的岩爆现象,采用物理试验、理论分析和颗粒流模拟相互结合的方法,从宏细观角度共同分析了岩石的力学性质及高埋深隧洞围岩的破坏机理,主要得出了以下结论:
(1)齐热哈塔尔片麻花岗岩具有较大的脆性及较高的拉压比,且其力学行为受围压影响较大,表明在开挖施工中需注意应力重分布对岩体稳定性的影响。在破坏形式上,单轴压缩表现为劈裂张拉破坏;受围压影响后表现为剪切破坏为主,局部张拉破坏。单轴压缩的应力-应变曲线在峰后下降较为迅速,表明其岩爆倾向较高。
(2)Flat-jointed 模型能够较好地重现高拉压比片麻花岗岩的脆性特征极其力学性质。在室内岩爆试验模拟过程中发现在不同围压下,岩石发生岩爆时的最大主应力及破坏程度有所差别:围压较小或较大时,更容易发生岩爆破坏;围压在一定范围内时试样更加稳定,但发生岩爆时,破坏程度更加严重。
(3)侧压力系数对洞室开挖后的应力重分布有一定影响,但不同侧压力系数下,破坏时的应力集中分布区域和裂纹产生趋势都具有相似性。圆形洞室相对于城门洞形洞室更加稳定,但其施工过程较为复杂。城门洞型洞室在边墙与底板交接处存在相对薄弱区,但其开挖过程较为简单。在对城门洞型洞室施工时,要对边墙与底板交接处进行加固处理。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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