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“十二五”规划纲要中提出:“推动能源生产和利用方式变革,构建安全、稳定、经济、清洁的现代能源产业体系。推进传统能源清洁高效利用,在保护生态的前提下积极发展水电”,“十二五”期间水电建设将进入了一个全新发展阶段。随着水电资源开发力度加大及工程经验的不断进步,水电站装机容量不断扩大,地下引水发电系统逐渐向大跨度、高边墙趋势发展,且为满足不同使用功效,布置形式越来越复杂,洞室开挖规模的扩大化、布置型式的复杂化使得围岩对所赋存地质环境条件要求更高,且人为活动改造作用更加明显,使得其存在有更多潜在失稳、破坏可能,进而可能酿成严重人员伤亡和经济损失。特别是在施工期间,由于大量施工人员参与其中,围岩稳定性状况更是关乎重大,故安全、长效施工一直是地下工程研究人员孜孜追求的目标之一。实现这一目标的必然途径在于:对施工期围岩稳定性变化的准确认知、判定及预警预报,而该工作的基础在于对围岩岩体结构特征、围岩岩体质量、力学参数的准确评价与确定。因此,构建合理、完善的施工期围岩岩体结构精细化描述体系,建立方便、快捷、准确的施工期围岩质量分类体系,确定多元、动态、针对性的围岩岩体力学参数,是施工期大型地下洞室围岩稳定性研究的基础与重点所在,具有重要的工程实践意义。
该文以实现以上三大任务为主要工作目标,将大岗山水电站地下洞室群作为主要研究对象,并辅助在建、已建的类似大型水电站地下洞室工程,以孙广忠教授的“岩体结构控制论”为基础研究指导思想,详细探究围岩岩体结构特征的认知描述体系、围岩岩体质量的评价体系、围岩力学参数的多元化确定方法及动态化分析等问题。该文以大型地下洞室区围岩岩体结构精细化描述体系研究作为工作起点,在获得对岩体结构特征的全方位认知基础上,探讨形成了考虑工程因素劣化作用的“大型地下洞室施工期集成化围岩分类体系”。并基于研究区的围岩质量评价结果,采用室内试验、现场试验、经验统计、公式拟合、数值试验等多元化分析手段对施工期围岩力学参数予以确定、估算,建立了其围岩质量评价体系与力学参数的内在关联,基本实现应用施工期现场围岩分类结果可合理、准确地获得其对应的围岩力学参数值。另外,基于围岩力学参数的统计规律特征,对围岩力学参数对稳定性敏感性程度、分步开挖围岩稳定性演化规律特征进行了有益探讨。本文不仅对大岗山水电站地下洞室群围岩岩体结构特征、围岩质量的评价、力学参数的选取与确定具有直接工程指导意义,且对类似在建、待建的大型水电站地下洞室围岩精细化描述、质量评价、力学参数的确定与方法研究具有一定的参考价值。本文主要研究内容归纳如下:
1、形成大型地下洞室施工期围岩岩体结构精细化描述体系。基于对岩体结构地质演化机理、评价体系、评价指标、描述方法、描述体系及统计规律特征等方面详细探讨,以大岗山水电站地下厂房区为研究对象,通过对研究区内涵盖在围岩质量评价体系内的各个指标予以现场测量、记录描述、统计汇总、拟合提炼,实现对评价体系中各指标的准确、清晰地确定,此外,对研究区赋存地质环境特征(地应力、地下水状况)予以详细分析,为建立“大型地下洞室施工期集成化围岩分类体系”提供了原始地质素材和评价指标依据。
2、构建大型地下洞室施工期集成化围岩分类体系。首先,打破原有以各围岩分类方法对应指标进行评价的方法,基于围岩岩体结构精细化描述体系,将地下工程围岩质量影响指标归纳为:围岩结构发育特征指标(内因)、赋存地质环境特征指标(外因)和工程因素指标(诱因)三部分,并对各因素对应的具体指标确定方法予以详细分析。其次,对目前常用的6种围岩分类方法(RMR、Q、RMi、GSI、BQ、HC法)概述及局部优化,并对各自的适用性及相关性予以简要分析。再次,基于施工期工程因素对岩体结构特征显著影响作用,探讨了各工程因素对围岩质量的影响作用,并对重要因素做了定量化劣化效应表示,为“施工期集成化围岩分类体系”中工程因素的权重分配与劣化处理提供了技术支持。接着,通过对围岩质量评价指标的内在关联性分析,建立了各围岩分类方法中评价指标的相关关联式或图表,最后,基于VB.Net编程语言,实现了对“施工期集成化围岩分类体系”程序化,实现了“一次输入,多种围岩分类方法结果输出”之功能,用其可方便、快捷、准确地实现对施工期围岩质量评价。
3、施工期工程因素对围岩质量的劣化效应分析。基于对工程因素主要类型及其对围岩质量的影响作用详细分析,本文选取了对围岩质量影响作为显著的三大因素:开挖尺寸、开挖方法、开挖走向,通过采用有限性劣化处理办法,提出了开挖尺寸劣化系数η、开挖走向劣化系数K及开挖方法扰动劣化系数λ定量表示公式,并引入到对围岩质量评价结果的劣化中。另对开挖进度、工程重要性程度与支护补强的关联性进行了详细分析,提出了开挖进度与支护体系、工程重要性程度与支护体系的对应建议表。
4、施工期集成化围岩分类体系分步实现流程研究,首先,通过确定自然状况围岩质量评价指标值(围岩结构发育特征指标、赋存地质环境特征指标),借助于各围岩分类方法中评价指标的内在关联性,获得仅考虑围岩自然状况下集成化围岩分级体系,该结果不考虑工程因素,旨在反映围岩具有的原始质量状况。此后,考虑工程因素对围岩质量的影响,通过对工程开挖因素对围岩质量的劣化效应的定量化表示,形成工程围岩质量分类体系。最后,依据其分类体系结果,参考工程时效性与功用性因素对支护补强体系内在关联讨论,最终形成有针对性的集成化围岩支护体系及补强建议措施,形成一套符合施工期实际需求的围岩质量评价体系。
5、大型地下洞室施工期不同围岩分类对应力学参数试验研究,以大岗山水电站地下厂房区为研究对象,分别从围岩物理力学特征室内常规力学试验(烘干密度、比重、吸水率、干湿抗压强度、干湿抗拉强度、弹性模量、波速等)、三轴压缩试验、软弱带力学性质试验,及现场变形特性试验、剪切强度特性试验详细探讨了不同围岩类别所对应的力学参区间值,利用试验手段建立了围岩质量分类与力学参数的内在联系。
6、大型地下洞室施工期围岩力学参数估算方法研究。介绍了基于工程经验统计法和基于围岩分类结果估算力学参数的方法,实现应用现场围岩分类结果对相关力学参数予以估算分析,为多元化确定围岩力学参数提供了新的途径。另基于分析分解模型数值试验,通过模拟室内单轴压缩试验、三轴试验等试验,实现对不同围岩类别力学参数的大体判定研究,但该研究思路与过程仍有许多亟待完善的工作。
7、大型地下洞室施工期围岩力学参数统计规律动态分析。针对不同围岩类别力学参数所出现的离散性特征,借助于数学统计方法,对处于同一围岩类别的力学参数数值进行大量统计归纳,探讨其对应的概率分布形式及分布参数(如均值、方差等),实现对同一围岩类别力学参数统计特征规律动态分析,并藉此探讨了各力学参数对围岩变形、破坏等稳定性因素有关的敏感性程度特征,得出了对围岩稳定性演化的敏感性程度排序。
8、施工期分步开挖围岩力学参数对稳定性影响演化规律分析。基于围岩力学参数的敏感性分析结果,选取对围岩变形、塑形区范围变化具有高敏感性的力学参数,以研究区围岩类别比例最高的Ⅲ类围岩为例,通过设计正交试验,探讨诸类围岩参数在取值范围内,在不同开挖步骤下监测点处围岩变形、塑形区的变化过程,得出该类围岩不同力学参数组合对应的稳定性(变形、塑形区扩展)演化规律。
本文主要的创新点包括:
1、将围岩质量评价指标归为:岩体自身发育特征指标、赋存地质环境特征指标及工程因素指标等三类,在对常用围岩分类方法适用性、相关性特征讨论基础上,建立了各围岩分类方法评价指标的内在关联图表。
2、探讨开挖尺寸、开挖走向、施工方法等工程因素对围岩质量评价的影响,提出各自的“劣化系数”的定量化表示方法,并分析开挖进度、工程重要性程度与支护体系的内在关联性特征,提出了工程围岩质量分类体系确定过程,使得围岩评价体系结果与实际情况更为吻合。
3、整合常用围岩分类方法,并引入工程因素指标,提出了施工期集成化围岩分类体系(自然状况下围岩质量评价体系、稳定性分类体系和针对性支护体系等),同时,应用VB.Net语言编制了“大型地下洞室施工期集成化围岩分类体系“可视化程序,实现了“一次输入,多种分类方法评价结果输出”之目标。
4、基于圆盘中心点Monte-Carlo法随机分布方法,借助FracSim3D程序构建不同围岩类别的三维结构面网络模型,通过多方位截取二维结构面网络图以反映不同围岩类别之各向异性特征,进而应用分析分解模型数值试验方法(借助Phase程序)探讨不同围岩类别对应的压、剪等力学参数。
5、基于围岩力学参数之分布特征规律统计结果,应用敏感性分析方法进行了不同力学参数对围岩变形、塑性区变化的敏感性程度大小排序。并基于力学参数敏感性程度分析结果,选取对围岩变形、塑性区变化影响较大的力学参数,通过正交数据试验探讨分步开挖围岩变形、塑性区的变化过程,以得到高敏感性参数与其对应的稳定性演化之关联性规律。