松动岩体群洞围岩稳定性研究

摘要

黄河黑山峡大柳树坝址区广泛分布着松动岩体，该松动岩体是中寒武统香山群本身所具有的软硬相间特性以及其所处的特殊区域稳定动力学背景共同作用的产物。作为洞室围岩的松动岩体，岩体内断裂发育，局部有架空现象；波速低，透水性强、地下水位深；岩体不均一和完整性差；绝大部分围岩属Ⅲ类和Ⅳ类，且以为Ⅳ类为主。 本文在系统研究大量资料的基础上，以数值模拟为手段，视松动岩体为等效连续介质，以大柳树坝址Ⅲ线勘探剖面上分布的群洞为研究对象，首次系统地研究了重力场、地下水动力条件、地震动作用以及多场耦合作用下松动岩体群洞效应问题。得到了以下认识：(1)松动岩体群洞之间存在明显的相互影响和相互作用，特别是间距较小的5条引水发电洞两两洞室之间的围岩内，竖向应力的极值均在5～8MPa，为洞室开挖前原始应力的两倍左右，塑性区相互沟通，软弱带ji22与洞室交汇的部位位移超出1m，有塑性挤出的现象，其两侧洞室围岩中的应力分布明显受到ji22存在的影响；(2)因松动岩体具强透水性，地下水的渗流使群洞效应更加明显。地下水主要通过降低岩体中的有效应力而降低围岩强度，由此，群洞区域的剪切应变增量的量值和波及范围均较无地下水渗流时大为增加；洞壁围岩也由剪切屈服向拉张屈服转变；(3)通过对比单洞与群洞的地震响应，发现群洞区域观测点的加速度时程(特别是竖向加速度时程)，其幅值明显较单洞时有所放大，群洞区域迫振后的自振幅值往往较高；(4)在重力场、地下水渗流场以及地震波动场的多场耦合作用下，地震使岩体进一步松动、扩容，因此岩体中不会出现超静水压力，有效应力有所上升。 本文还首次基于非连续介质模型，研究了松动岩体单洞以及群洞的成洞条件，锚喷支护对松动岩体Ⅲ类特别是Ⅳ类围岩的适应性，锚喷支护后地震作用下的松动群洞围岩稳定性。结果表明：(1)松动岩体单洞稳定性较差，围岩将出现大范围破坏和塌方现象，因群洞效应，松动岩体群洞围岩稳定性比单洞围岩更差，且其最严重的破坏并不出现在洞顶，而是偏向邻近洞室一侧；(2)对松动岩体围岩需采用锚杆+钢筋网+喷砼联合方式进行支护，但对于其中的Ⅳ类围岩，这种支护方式的支护效果并不理想，需对松动岩体进行超前灌浆处理；(3)基于弹粘性模型理论，采用锚喷支护的松动岩体Ⅲ类围岩，预测其最终流变变形量为16.8mm，Ⅳ类围岩最终流变变形量为22.7mm；(4)在地震作用下，采用锚喷支护的群洞围岩，其位移和切向应力并不随振动持时而单调增加或减小，在振动2s后，即保持在一定值附近往返波动；静力条件下稳定性好的锚喷支护围岩，在地震作用下其稳定性依然较好，相反，静力条件下稳定性差的锚喷支护围岩(如松动岩体Ⅳ类围岩)，在地震作用下破坏严重；(5)锚固支护方式通过提高所支护围岩的抗剪、抗拉强度，从而提高了围岩的抗震能力。

目录

文摘

英文文摘

前言

0.1问题的提出

0.2国内外研究现状及存在问题

0.3本文研究的主要内容和技术路线

第一章区域工程地质条件

1.1地层岩性

1.1.1区域地层

1.1.2大柳树坝址工程地质岩性组合

1.2区域稳定动力学背景

1.2.1深层稳定动力学背景

1 2.2浅层稳定动力学背景

1.2.3区域地震特征

第二章松动岩体的基本特征

2.1区域分布

2.1.1大柳树坝址区松动岩体分布

2.1.2米粮营坝址的松动岩体

2.1.3烟洞梁地裂缝与松动岩体

2.1.4大柳树松动岩体分布特点

2.2松动岩体物理特征

2.2.1弹性波速特征

2.2.2应力状态

2.2.3渗透特性

2.2.4岩体力学参数

2.3岩体松动类型

2.4工程地质特征

第三章松动岩体成因机制探讨

3.1松动岩体形成的性质条件—软硬相间的成层岩性

3.2松动岩体形成的动力条件—非稳定区域动力学背景

3.2.1特殊的构造背景

3.2.2强大的地震动力

3.2.3有利的环境条件

3.2.4表生加剧作用

3.3地震动力作用下的岩体松动机理

3.3.1地震波对岩体作用的基本特点

3.3.2地震压缩波作用下岩体结构的松动

3.3.3地震剪切波作用下岩体结构的松动

3.3.4自由边界效应

3.3.5多期次地震松动作用

3.4松动岩体成因机制的数值模拟研究

3.4.1有限元模型的建立

3.4.2模拟结果及分析

第四章松动岩体洞室围岩稳定性工程地质分析

4.1大柳树坝址右岸群洞设计介绍

4.1.1洞室体型设计

4.1.2洞室间距的确定

4.1.3围岩覆盖厚度的确定

4.2洞室围岩稳定性工程地质分析

4.2.1代表性隧洞工程地质说明

4.2.2洞室围岩稳定性分析

4.2.3探洞围岩破坏类型分析

第五章基于等效连续介质模型的松动岩体群洞效应研究

5.1关于FLAC

5.1.1平面问题有限差分法

5.1.2材料本构模型

5.2大柳树坝址Ⅲ线剖面群洞布置及模型建立

5.2.1大柳树坝址Ⅲ线剖面群洞布置简介

5.2.2模型建立

5.3初始岩体应力特征

5.4重力应力场作用下的群洞效应

5.4.1二次应力场特征

5.4.2剪切应变增量分布特征

5.4.3塑性区分布特征

5.4.4位移场特征

5.5地下水渗流与重力应力场耦合作用下的群洞效应

5.5.1渗流场与应力场耦合的FLAC原理

5.5.2渗流场特征

5.5.3二次应力场特征

5.5.4剪切应变增量分布特征

5.5.5塑性区分布特征

5.5.6位移场特征

5.6地震动作用下的群洞效应

5.6.1人工合成地震波

5.6.2加速度时程特征

5.6.3位移特征

5.6.4速度时程特征

5.6.5剪应变增量分布特征

5.7多场耦合作用下的群洞效应

5.7.1孔隙压力地震响应的计算原理

5.7.2体应变增量分布特征

5.7.3孔隙压力及有效应力时程特征

5.7.4加速度时程特征

5.7.5剪应变增量分布

5.8小结

第六章基于非连续介质模型的松动岩体群洞稳定性分析

6.1三维离散元软件-3DEC的基本原理

6.1.1 3DEC中的单元网格

6.1.2节理的模拟

6.1.3计算方法

6.2松动岩体单洞围岩稳定性研究

6.2.1松动岩体单洞三维离散元模型建立

6.2.2无支护时的围岩稳定性分析

6.2.3松动岩体围岩的锚喷支护效果分析

6.2.4松动岩体围岩长期变形的弹粘性预测

6.3大柳树松动岩体群洞稳定性研究

6.3.1三维离散元模型的建立

6.3.3支护后的群洞围岩稳定性

6.4小结

第七章结论

参考文献

致谢

攻读博士学位其间发表的主要论文及参加完成的主要科研项目