泰山抽水蓄能电站地下洞室群安全稳定性分析研究

摘要

抽水蓄能电站是高效利用及配置能源的重要水电工程类型，地下洞室（群）的安全稳定性对抽水蓄能电站系统的安全有效运行起到至关重要的作用。本文以泰山抽水蓄能电站为工程背景，运用理论分析、实验研究和数值研究相结合的手段，对地下洞室群安全稳定性进行深入系统的研究，取得若干重要研究成果。主要研究内容有:
　　1.室内及现场实验研究。本研究中对泰山抽水蓄能电站主洞室及右岸岩体进行取样，开展了岩石单轴流变试验，获取了其流变特征。并基于试验研究结果，提出了适宜表达本地区岩体流变属性的流变模型以及模型参数。本研究中还对泰山抽水蓄能电站3＃工作组输水隧洞下平段、4＃岔管和3＃岔管段衬砌开展了地质雷达探测。
　　2.地下厂房稳定性的关键块体搜索及确定研究。对厂房区的断层节理等地质状况进行统计分析，利用计算机程序分别绘制了厂房区节理裂隙、断层及岩脉的走向玫瑰花图及赤平极点图，用概率论的方法分析了该区域节理等的产状特点。在本研究中，针对泰山电站地下厂房区地质情况，分别绘制了其节理密集关键区域的赤平投影图，并分析了不同产状节理断层等对地下洞室安全稳定性的影响。文中预估了五种岩体不同失稳模式下的失稳概率，得出主要失稳类型。
　　3.引水系统正常运行及放空时稳定性分析。建立了泰山抽水蓄能电站引水系统的三维模型，并分别对正常运行工况和检修工况下的围岩应力、位移和塑性区进行了分析计算。分别分析了两种工况下的引水竖井、引水隧洞、引水岔管和引水支洞的稳定性。
　　4.地下厂房洞室群三维整体长期稳定性分析。建立了三维洞室群模型，并进行了初始地应力场的反演计算。根据数值分析结果，分析了三维地下厂房洞室群的应力分布状况、位移分布状况和塑性区分布状况，在此基础上运用经验公式法、规范法和围岩塑性区松动法对泰山电站的围岩稳定性进行了分析评价。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景与意义

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 岩体流变本构模型概况

1．2．2 关键块体理论国内外研究现状

1．2．3 地下洞室围岩稳定性的国内外研究现状

1．3 研究内容和技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

第二章 地下洞室围岩稳定性分析理论和破坏机理

2．1 引言

2．2 弹塑性分析基本原理

2．2．1 弹塑性分析的基本方程

2．2．2 材料的本构方程

2．3 岩石的屈服准则和流动准则

2．3．1 屈服准则

2．3．2 流动准则

2．3．3 硬化定律

2．4 地下洞室围岩的破坏形式及破坏机理

2．4．1 脆性断裂破坏

2．4．2 局部岩块掉落

2．4．3 塑性剪切破坏

2．5 地下洞室围岩的塑性形变压力计算

2．5．1 计算塑性形变压力的芬纳(Fenner)公式

2．5．2 计算塑性形变压力的卡斯特耐尔(Kastner)公式

2．6 本章小结

第三章 室内及现场实验研究

3．1 引言

3．2 室内试验的试件制备

3．2．1 实验设备

3．2．2 试件加工

3．3 单轴压缩流变试验

3．3．1 试验方法

3．3．2 流变变形特性

3．4 流变本构模型及参数识别

3．4．1 麦克斯威尔流变模型拟合

3．4．2 开尔文流变模型拟合

3．4．3 广义开尔文流交模型拟合

3．4．4 饱依丁-汤姆逊体流交模型拟合

3．4．5 伯格斯体流变模型拟合

3．4．6 研究区流变模型确定

3．5 输水隧洞衬砌雷达探测

3．5．1 工作概况

3．5．2 雷达探测原理

3．5．3 探地雷达探测成果

3．6 本章小结

第四章 影响地下厂房稳定性的关键块体搜索及确定研究

4．1 引言

4．1．1 工程概况

4．1．2 工程地质条件

4．1．3 关键块体研究技术路线

4．2 节理裂隙特征统计和概率分析

4．2．1 节理裂隙玫瑰花图分析

4．2．2 赤平投影分析

4．3 地下洞室关键块体研究

4．3．1 数值模型的建立及参数选择

4．3．2 关键块体搜索稳定性评价及失稳概率研究

4．3．3 不稳定区域支护方案初步研究

4．4 本章小结

第五章 地下厂房洞室群三维整体稳定性分析

5．1 引言

5．2 三维模型建立及参数选取

5．3 初始地应力场反演计算

5．3．1 岩体地应力测试

5．3．2 初始地应力场计算

5．3．3 初始地应力场计算结果分析

5．4 地下厂房洞室群长期三维稳定性计算

5．4．1 洞室群围岩应力分布规律

5．4．2 洞室群围岩位移分布规律

5．4．3 洞室群围岩塑性区分布规律

5．5 围岩稳定性分析

5．5．1 经验公式法

5．5．2 规范法

5．5．3 围岩塑性松动区判定方法

5．6 本章小结

第六章 引水系统正常运行及放空时稳定性分析

6．1 引言

6．2 三维模型建立及研究方案确定

6．3 初始地应力场反演计算

6．3．1 引水系统初始地应力场反演计算

6．3．2 引水系统开挖未衬砌应力场反演计算

6．4 引水系统正常运行和检修时稳定性计算

6．4．1 正常运行工况

6．4．2 检修工况

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 全文总结

7．2 本文创新点

7．3 工作不足与展望

参考文献

致谢

硕士期间参与的科研项目

硕士期间参与的学术会议

硕士期间发表的论文及专利