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青龙水电站引水隧洞围岩变形破坏机制及稳定性研究

作　者: 尤琳
导　师: 沈军辉；冯文凯
学　校: 成都理工大学
专　业: 岩土工程
关键词: 青龙水电站引水隧洞蚀变花岗斑岩薄层状灰岩变形破坏机制稳定性分析
分类号: TV223.1
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

青龙水电站位于四川省九寨沟县白水江上游河段,为一引水发电电站。引水发电系统布置于白水江左岸,引水隧洞全长约14km。隧洞主要断面型式为圆型,开挖直径8.8～9.9m,隧洞垂直埋深一般130～370m,最大达600m,最小埋深约为100m。引水隧洞沿线为二迭系下统黑河组(P1h)浅变质岩系,岩性主要为薄层~厚层状灰岩,局部夹有板岩、砂岩、炭质千枚岩等,地层中普遍夹有花岗斑岩岩脉。由于隧洞围岩岩块的强度较高,设计过程中将围岩的质量等级普遍定得较高(Ⅲ级围岩),尤其是认为花岗斑岩强度高,岩体质量好,是一种值得充分利用的工程岩体。基于上述认识,在隧洞线路设计时尽可能地将隧洞线路穿越花岗斑岩布设。但隧洞开挖发现,花岗斑岩侵入体隐微裂隙发育,普遍出现了蚀变现象。局部花岗斑岩岩体破碎,蚀变强烈,围岩变形破坏严重,塌方频发,初期支护变形破坏严重;此外,隧洞内陡倾角极薄层状～薄层状、薄板状、中薄层状围岩,岩层走向多近平行于隧洞轴向或两者夹角较小,变形破坏亦强烈,塌方时有发生,初期支护变形破坏严重,对工程施工安全带来了巨大的威胁。本文主要是在现场调研的基础上,结合已有资料和相关理论,主要对研究区的地质环境条件、岩体建造及结构特征、隧洞围岩变形破坏的类型和分布规律进行总结分析。根据研究区地质环境条件及岩体建造和结构特征,采用水利水电围岩工程地质分类法对隧洞围岩进行工程地质分级研究,并结合相关实验数据,对各类围岩的物理力学参数提出建议值。最后,在对隧洞围岩的变形破坏特征和变形机制进行分析研究的基础上,采用离散元数值模拟分析手段,着重对具薄层状灰岩、板岩和蚀变破碎花岗斑岩两类隧洞围岩的稳定性进行分析。主要有以下结论及认识:1、工程区位于特殊的大地构造位置,其在历史时期上强烈的地质构造演化和河谷地貌演化是引水隧洞围岩产生各种变形破坏的间接控制因素。2、隧洞围岩,在层状岩体段,以Ⅲ级围岩为主,稳定性较好,部分为Ⅳ级围岩,稳定性较差,需要支护,局部为Ⅴ级围岩,稳定性差,需要加强支护;在花岗斑岩及有花岗斑岩侵入段,以Ⅳ级围岩为主,部分为Ⅴ级围岩,总体上围岩稳定差。3、隧洞围岩的变形破坏机制主要有五种类型:①硬脆性中薄层状围岩的弯曲断裂破坏,在力学上表现为“压杆稳定问题”;②薄层～极薄层状软岩的弯曲挤压剪切型破坏;③中薄层状较软岩的弯曲鼓胀变形;④弱蚀变块状或次块状花岗斑岩围岩的剪切滑移破坏;⑤蚀变破碎花岗斑岩围岩的剪切碎裂松动。4、岩石蚀变和岩体结构为隧洞围岩稳定性的主要控制因素。蚀变主要通过降低围岩的物理力学性质控制围岩稳定性;薄层状灰岩、板岩的岩体结构主要以改变其受力特性来控制围岩的稳定性。5、采用3DEC离散元分析软件对围岩稳定性进行数值模拟分析,以薄层状灰岩、板岩和破碎蚀变花岗斑岩(Ⅴ级围岩)两类地质原型建立计算分析模型,其模拟结果很好地再现围岩的变形破坏特征及过程,并可以对上述五种变形坏机制进行延伸分析,从数值模拟分析角度对青龙水电站引水隧洞围岩变形破坏机制进行分析评价。最后,根据理论分析和数值模拟分析结果,对隧洞开挖和支护方案提出建议。本文的分析成果,对以后处理类似工程地质条件的隧洞围岩变形破坏和稳定性问题,具有一定的借鉴意义。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第1章前言  11-22
  1.1 选题依据及研究意义  11-12
    1.1.1 工程概况  11
    1.1.2 选题依据及研究意义  11-12
  1.2 国内外研究现状  12-19
    1.2.1 隧洞围岩变形破坏机制研究现状  12-14
    1.2.2 围岩稳定性分析理论研究现状  14-18
    1.2.3 软岩及大变形研究现状  18-19
  1.3 研究内容和技术路线  19-22
    1.3.1 研究内容  19
    1.3.2 研究思路及技术路线  19-22
第2章工程区地质环境条件  22-32
  2.1 地形地貌  22-23
  2.2 地层岩性  23-24
  2.3 地质构造  24-28
    2.3.1 区域地质构造背景  24-27
    2.3.2 区域地质构造  27-28
    2.3.3 工程区地质构造  28
  2.4 地应力场特征  28-29
  2.5 新构造运动与地震  29-30
  2.6 水文地质条件  30-32
第3章引水隧洞围岩质量分级及参数取值  32-55
  3.1 隧洞岩体建造特征  32-33
    3.1.1 隧洞岩体总体建造特征  32
    3.1.2 隧洞沿线花岗斑岩侵入体空间发育分布特征  32-33
  3.2 隧洞围岩结构特征  33-36
    3.2.1 隧洞岩体结构面发育特征  33-34
    3.2.2 隧洞围岩结构类型  34-36
  3.3 花岗斑岩蚀变对围岩物理力学性质的影响  36-42
    3.3.1 花岗斑岩岩脉蚀变特征分析  37-39
    3.3.2 蚀变花岗斑岩物理力学特性实验分析  39-41
    3.3.3 蚀变对围岩物理力学特性的影响分析  41-42
  3.4 工程区隧洞围岩工程地质分级研究  42-54
    3.4.1 围岩分级方法的确定  42-43
    3.4.2 隧洞围岩质量分级标准  43-45
    3.4.3 隧洞围岩质量分级结果及稳定性分析  45-54
  3.5 隧洞围岩物理力学指标  54-55
    3.5.1 隧洞围岩岩石物理力学指标  54
    3.5.2 隧洞围岩物理力学指标建议值  54-55
第4章引水隧洞围岩变形破坏特征及机制分析  55-69
  4.1 围岩变形破坏特征  55-63
    4.1.1 围岩变形破坏类型  55-56
    4.1.2 围岩变形破坏的空间发育分布规律  56-63
  4.2 围岩变形破坏机制分析  63-69
    4.2.1 围岩变形破坏的一般模式  63
    4.2.2 围岩变形破坏的形成机制  63-67
    4.2.3 围岩变形破坏的表现形式  67
    4.2.4 围岩变形破坏与其引起因素的相关性分析  67-69
第5章引水隧洞围岩稳定性数值模拟分析  69-89
  5.1 分析对象及分析方法  69-70
  5.2 蚀变破碎花岗斑岩围岩变形破坏数值模拟分析  70-82
    5.2.1 地质模型的概化及计算模型的建立  70-71
    5.2.2 参数选择及边界条件  71-73
    5.2.3 数值模拟结果分析  73-82
  5.3 薄层状灰岩变形破坏数值模拟分析  82-88
    5.3.1 地质模型的概化及计算模型的建立  82-83
    5.3.2 参数选择及边界条件  83
    5.3.3 数值模拟结果分析  83-88
  5.4 围岩稳定性综合分析  88-89
结论及建议  89-91
致谢  91-92
参考文献  92-96
攻读学位期间取得学术成果  96-97
附图A 青龙电站引水隧洞围岩变形破坏发育分布规律图  97-98
附图B 青龙电站引水隧洞围岩质量分级结果图  98

青龙水电站引水隧洞围岩变形破坏机制及稳定性研究

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