复杂断层结构对大型地下电站厂房洞室围岩稳定的控制机理及分析方法

Fault is one of adverse geological structures affecting underground caverns security and key factor controlling surrounding rock stability. On basis of rock mechanics and composite material mechanics theory, effect of small and medium sized faults on surrounding rock stability of large-scale underground powerhouse caverns is studied principally. Theoretical analysis, numerical simulation and in situ observation methods are comprehensively employed, to study mechanical properties, analytical method and control mechanism of surrounding rock stability. Analyze structural, strength and deformation characteristics of faults using in situ observation data, establish implicit faults assembly (IFA) by embedding faults into rockmass element and analyze mechanical transformation relationship between faults and IFA. Propose coupling mechanism of fault and fault affected zone, study mechanical behavior of discontinuous rockmass intersected by faults such as closure, tension crack and slip and reveal the failure process and instability pattern. Propose control mechanism and analysis method of complex faults for surrounding rock stability, to provide scientific basis for faults reinforcement, deformation control and stability assessment of underground caverns. The research is of significant applicability on deformation forecast and control, support design optimization and stability evaluation etc of large scale underground powerhouse caverns subjected to complex faults in China.

断层是影响地下洞室安全的不利地质构造之一，是控制岩体稳定性的关键因素。本项目以岩石力学、复合材料力学为基础，以大型地下电站厂房洞室中的中小型岩体断层对围岩稳定影响为研究主线，采用理论分析、数值模拟与原型观测相结合的方法，对复杂断层的力学特性、分析方法及其对围岩稳定的控制机理进行研究。通过原型观测资料分析断层的结构特征、强度特征和变形特征，将断层结构嵌入岩体单元中构建隐含断层组合体，分析断层结构与隐含断层组合体之间的力学转换关系，建立断层及断层影响带的耦合作用机制，分析被复杂岩体断层切割成非连续岩体的固定、张裂、滑移等力学行为，揭示断层的失稳模式和破坏过程，提出复杂岩体断层对地下洞室稳定性的控制机理和分析方法，为岩体断层加固、围岩变形控制和安全稳定评价提供理论依据。研究成果对解决国内受复杂断层影响下的大型地下厂房洞室的围岩变形预测预报与控制、支护优化设计、安全稳定评价等具有重大应用价值。

根据大型地下洞室中复杂地质断层对围岩稳定的影响，提出了隐含地质断层单元的数值模拟计算方法，即在数值模拟时，将岩体及其包含的断层作为一个组合体系，将岩体断层隐含在所划分的地下洞室群的岩体单元中，使得复杂地下洞室群的网格剖分不受断层的影响，同时在单元的本构模型中考虑断层结构面的力学效应对岩体结构的宏观影响，将这样的岩体单元与断层的组合体系，称为隐含单元组合体（IFA）。. 通过分析断层的空间结构特征，对隐含单元组合体的查找判别，构建了断层的数学模型；基于坐标转换、各向同性体的本构关系、能量等效等建立方程组，求出附加应力分量，得到成组平行结构面岩体的隐含单元组合体弹性本构方程。在此基础上，采用辛格维茨-潘迪屈服准则和各向异性体的本构关系，根据增量形式的应力连续、应变协调条件和能量叠加原理，通过推导可得到多组无规则结构面岩体的IFA弹塑性柔度矩阵。再根据各组结构面的弹塑性柔度矩阵，通过局部坐标到整体坐标变换，得到在整体坐标系下，多组无规则结构面岩体的IFA弹塑性本构关系模型，从而可以在弹塑性有限元计算中，考虑无规则结构面（断层、节理等）对岩体宏观强度和变形特性的影响。在弹塑性状态下，采用增量理论进行计算，据隐含单元组合体的基本原理和假设，在整体坐标下每组介质的应力和应变、与隐含单元组合体的当量应力当量应变的关系，求解每组介质中的附加应力分量，从而得到整体坐标系下的每组断层结构面内6个应力分量和6个应变分量，则可进一步得到沿层面的局部坐标系下的应力分量和应变分量，每组断层结构面上的应力状态采用应力矢量的法向分量和剪切分量来表示。根据局部坐标下断层面的应力状态，判断其是否发生破坏，分别校核垂直于断层面的拉裂和沿断层面滑动的两种情况，建立基于垂直断层面拉裂准则和沿断层面的滑移准则的复合强度判定准则，提出隐含断层单元的非线性迭代计算方法，完成对垂直层面和平行层面两个方向的破坏状态的判别和迭代。最后根据上述研究成果编制了隐含断层单元的计算程序。. 通过在锦屏一级、小湾等多个包含岩体断层的地下厂房洞室结构稳定计算表明，使用该隐含的岩体断层单元，不但能将受复杂地质断层切割的大型复杂地下洞室群的有限单元离散简单化，加快分析计算周期，而且能够有效地反映地质断层对复杂地下洞室围岩稳定的影响。