河北丰宁抽水蓄能电站巨型地下洞室群变形稳定控制专题研究
获奖名称: 河北丰宁抽水蓄能电站巨型地下洞室群变形稳定控制专题研究
获奖等级: 一等奖
获奖类别: 湖北省工程咨询成果评价奖
授奖单位: 湖北省工程咨询协会
完成单位:
获奖年度: 2023
获奖人员: 黄书岭、丁秀丽、张雨霆、何军、徐平、张 练 、石妍、刘登学、向志鹏、秦洋
成果简介:河北丰宁抽水蓄能电站是目前世界上装机规模最大的抽蓄电站，地下厂房区挖空率高，在施工开挖过程中，揭示了岩体蚀变带和较多长大裂隙，不仅严重削弱了围岩的整体强度，也降低了岩体完整性。地下洞室施工过程中，面临顶拱钢纤维混凝土喷层开裂掉块，顶拱和边墙部位围岩变形量值大，局部锚固支护结构负载高等问题，且多处围岩变形曲线呈现出显著的时效特征。本项目开展了喷钢纤维混凝土、蚀变岩体及结构面力学特性研究，建立了相应的力学模型和连续-非连续数值分析方法；系统分析了地下厂房洞室群施工期围岩稳定性及其影响因素，揭示了喷混凝土层开裂机理，评价了锚杆受力特性及长期安全性，最终提出了地下厂房洞室群长期稳定性评估体系，为地下厂房洞室群的动态设计、施工优化及长期稳定性评价提供科学依据，为建成目前世界上装机规模最大的抽水蓄能电站提供技术支撑。项目综合采用现场调查、室内试验、理论分析及数值仿真等多种研究手段，同时参考了国内外类似工程的研究成果和经验，取得了如下创新性成果：（1）提出了一种适用于现场取样的喷射混凝土与围岩粘结强度测试方法，解决了因围岩条件差、受施工爆破影响致使岩体破碎，或者钻取技术不高等原因造成的试验芯样无法进行拉力试验的问题，成功测得了地下厂房洞室群围岩与喷射混凝土粘结强度、喷射混凝土钢纤维含量、喷射混凝土抗弯强度等数据，为地下洞室群围岩变形稳定控制提供关键参数。（2）建立了钢纤维混凝土试件尺度的宏细观模型及连续-非连续分析方法，通过数值仿真分析揭示了喷钢纤维混凝土抗弯破裂宏细观机理，为阐释地下厂房洞室群喷射混凝土开裂成因提供了科学依据。（3）提出了一种基于周边钻孔群解除约束的蚀变岩取样方法以及基于线切割的蚀变岩室内微扰动制样技术，成功制备了易扰动蚀变花岗岩和蚀变结构面试样，开展了蚀变花岗岩及蚀变结构面的力学特性研究，为工程开建以来首次获得蚀变花岗岩单轴抗压强度、三轴抗压强度以及蚀变结构面流变特性、长期强度等关键参数，为洞室群围岩质量评价、针对性加强支护措施的动态设计提供了重要依据。（4）基于监测数据分析，详细分析了地下厂房洞室群围岩变形规律、锚固结构受力特征，并研究了其与岩体蚀变和结构面发育等不良地质条件之间的内在关联，揭示了地下厂房洞室群围岩变形机制，初步评价了地下厂房洞室群的稳定性。（5）采用全空间赤平投影等手段，对地下厂房区域地应力测试数据进行了解析；在此基础上，开展了地下厂房区域初始地应力场非线性反演回归，掌握了厂区地应力场的分布特征。（6）提出了融合确定性结构面和随机裂隙网络的结构面精细数值仿真方法，实现了从Ⅲ级结构面（如地质断层）到Ⅳ、Ⅴ级结构面的跨尺度精细仿真，开展了地下厂房洞室群施工期围岩力学参数反演和开挖支护三维非连续数值仿真，系统的评价了地下厂房洞室群施工期围岩稳定性及影响效应，为地下厂房洞室群动态设计、施工优化提供了基础数据支撑。（7）开展了地下厂房洞室群顶拱喷混凝土层开裂现场查勘统计分析，实现了含结构面剪切滑移、含蚀变岩两种典型断面的喷混凝土层开裂过程模拟，解译了地下厂房顶拱喷混凝土开裂机理，并为更准确地分析和评价未出现裂缝部位的喷钢纤维混凝土使用性能提供了技术支撑。（8）解译了地下厂房洞室群的围岩变形机制，提出了符合围岩变形机制的考虑应力状态影响和岩体结构效应的修正Burgers黏弹塑性模型，并实现了模型参数辨识和数值仿真验证，采用基于神经网络和遗传算法对地下洞室群围岩流变力学参数进行了反演分析，为地下厂房洞室群围岩长期稳定性评价提供了理论基础。（9）对地下厂房洞室群中部分锚杆应力监测值超出设计值的成因进行了分析；基于分布式光纤技术以及应变片和穿心千斤顶等手段，提出了一种深长锚杆受力特性及极限承载力试验方法，测得了锚杆应力沿长度方向的负指数分布规律及锚杆极限承载力，并结合运行期锚杆受力数值仿真分析，评价了地下厂房洞室群锚杆受力特性和长期安全性。（10）提出了围岩长期变形安全等级评价指标与控制标准、锚索长期受力安全风险评价指标及对策，建立了地下厂房洞室群长期稳定性评估体系，对丰宁抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩长期稳定性进行了评价。通过项目研究，丰宁抽水蓄能电站控制工程地下厂房提前7个月完工，使得地下厂房得以提前投入使用，直接减少基建期管理费支出和财务费用支出，带来了显著的经济和社会效益；项目开展，也为建成目前世界最大的抽水蓄能电站提供了技术支撑，为减少碳排放、实现碳中和贡献了科技力量。依托项目成果获得了代表性专利7项、软件著作权1项、论文18篇和规程规范3部。
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