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本文以国家自然科学基金项目“锦屏二级水电站引水洞室高压突水预报预警与决策系统”为依托,主要研究深埋引水洞室在高地应力、高外水压力作用下围岩稳定性的前沿课题。从洞室围岩稳定性影响因素和围岩变形破坏类型及机理出发,通过现场调研与理论分析相结合、地质模型定性分析与数值模型定量计算相结合对洞室围岩稳定性进行综合评价。主要研究内容与研究成果如下:
(1)得到洞室区影响围岩稳定性最主要的因素:高地应力和高外水压力。在理解和掌握影响围岩稳定性的因素的基础上,对围岩变形破坏类型及机理和围岩失稳判据进行了简要的总结。
(2)得到洞室区初始地应力和外水压力的分布规律。初始应力场以自重应力为主,受断层影响较为明显,但地应力值基本上随洞室埋深的增加而增大;外水压力渗流等值线主要受洞室区地形的影响,且最大压力水头值约为1100m。
(3)建立了引水洞室群的地质模型—数值模型。文中选取的模拟地段,既能反映该地段实际的工程地质和水文地质条件,又考虑了单元的数量对计算速度的影响,合理划分了网格。
(4)通过FLAC3D的模拟计算,引水洞室开挖支护过程中变形较大、应力较集中,可能发生破坏的部位是:洞室侧墙、拱顶和拱脚处。且应力集中最明显部位为4#洞室右侧边墙;洞室变形最大处为4#洞室拱项部位。这些部位在施工过程中应重点关注,这也是信息化反馈施工必须重点监控的部位。
(5)对于不同的围岩力学参数来说,洞室区围岩变形由弹性模量E、泊松比μ、内聚力C以及摩擦角φ这些力学参数共同决定。弹性模量对于围岩变形的影响最大,而内聚力和摩擦角对围岩变形的影响最小。
(6)通过对拱顶、底板和侧墙变形之间的关系进行分析,得到拱底隆起—拱项下沉以及拱底隆起—水平收敛关系曲线,曲线近似于直线,线性拟合方程分别为y=7.28+0.74x、y=4.24+1.03x。表明,洞周特征部位的变形位移值近似满足线性关系。分析结果对洞室施工过程中的变形监测有一定的指导和借鉴意义,但也需要在更多的工程实例中得到进一步的证实。