雅砻江锦屏二级水电站开挖稳定性及支护参数研究

      锦屏二级水电站是国家重点工程,工程引水系统由平行的2条辅助洞和4条引水隧洞组成,平均长度17km,埋深超2000m,地应力高,一旦发生事故,损失极大。受中国水电顾问集团华东勘测设计研究院委托,大连理工大学、大连力软科技有限公司就其“锦屏二级水电站引水隧洞西端绿泥石片岩洞段围岩长期稳定性与支护参数研究”项目为其提供技术服务。

      以锦屏二级水电站引水隧洞西端绿泥石片岩洞段在高地应力条件下的二次开挖(扩挖)和落底开挖潜在问题分析及支护参数研究为目标,以高地应力作用、低强度破坏等为研究核心,运用岩石破裂过程分析RFPA方法,深入探讨绿泥石片岩在高地应力条件下的破坏和跨落机理,以及隧洞二次开挖和落底开挖的潜在问题分析及相应的支护手段,为保障绿片岩洞段扩挖、落底开挖时的隧道稳定性和施工安全提供技术支持。

主要服务内容包括:

      1.根据现场提供的资料,采用反分析方法获得绿泥石片岩的材料性质

      在进行数值分析时,绿泥石片岩的材料性质(强度、弹性模量、泊松比)和原岩应力状态对分析结果的准确性有重要的影响作用。尽管前期的基础研究工作中已经提供了绿泥石片岩的材料性质参数,但考虑到数值计算时对岩石非均匀性的表征,本项目将以前期的基础数据为基础,结合现场情况,采用反分析方法得到数值计算时所需的材料参数。

      2.建立绿泥石片岩洞段的数值模型

      结合隧洞采取的几何尺寸、地质条件,以及支护方案等、按照绿泥石片岩隧洞的实际尺寸建立相应的数值模型。数值模拟结果的精度与模型中单元的尺寸有很大关系,因此,需要的有限元单元数将十分庞大,采用并行计算技术有助于加快计算速度,以便及时提供计算成果,其中:

   1二维平面应变模型的建立:拟针对关键部位,建立8到15个剖面模型,为下一步计算分析奠定基础;

   2三维数值模型的建立:建立含绿泥石片岩段的真三维隧洞全断面模型,实现点应力、点位移的真实尺度分析,主要是为更精确评估扩挖及落底带来的二次变形量,以备为支护手段的效果分析奠定基础。

      3.高地应力下绿泥石片岩洞段二次开挖(扩挖)存在的潜在问题分析

      运用所建立的数值模型,按照所设计的施工方案,采用数值模拟方法对模型在二次开挖(扩挖)期间所引起的隧洞应力场扰动、裂隙发育等多种因素之间相互作用的数值模拟研究,揭示二次开挖可能造成的隧洞非稳定力学行为。通过采用离心机法对目前设计的施工方案进行稳定性评估,分析可能存在的潜在问题,进而提出合理的施工调整方案。

      4.高地应力下绿泥石片岩洞段落底存在的潜在问题分析

      运用所建立的数值模型,按照目前的施工方案对模型的落底开挖时,隧洞应力状态的调整、裂隙的发育,以及隧洞尺寸改变所导致的应力场转移等情况进行分析,把握高地应力条件下绿泥石片岩隧洞落地开挖存在的潜在问题。此外,采用离心机法计算目前施工方案的安全系数,分析隧洞可能的破坏垮塌部位,评估施工措施的安全性,进而提出合理的支护调整措施,为落底开挖提供施工建议。

      5.高地应力下锚杆支护参数对绿泥石片岩隧洞支护效果的分析

      锚杆的支护效果与岩体本身的稳定性有密切的联系。由于绿泥石片岩具有大变形的特性,因此,锚杆支护效果与一般硬岩中的锚杆支护有很大的差别。锚杆长度是影响支护效果的一个重要参数。因此,通过数值模拟方法,在数值模型中设置不同的锚杆长度,研究绿泥石片岩隧洞中不同的锚杆长度对维护隧洞稳定性的影响作用,进而获得合理的支护参数,指导现场施工。

      此外,锚杆之间的间距也是影响支护效果的一个重要参数。因此,在本项目中,通过在数值模型中调整锚杆之间的间距,分析在不同间距条件下隧洞的安全储备系数,进而找出合理的锚杆支护间距,为下一步的扩挖和落底开挖提供支护方面的参考依据。

双阶压裂裂缝起裂延伸规律数值模拟研究

      受中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院委托,大连力软科技有限公司根据其提出的要求,就“双阶压裂裂缝起裂延伸规律数值模拟”项目为其提供技术服务。

      砂砾岩储层由于油藏埋藏深、储层性质显著非均匀化、油层厚度大、存在微裂缝等特点,给压裂设计和施工优化带来很大困难。研究岩石水力压裂,不但有利于我们清楚地认识岩石水压致裂过程,分析渗流、应力耦合作用的产生机制,而且在石油开采、地应力测量、岩石断裂韧度分析等领域都具有广泛的应用前景,是许多工程学科都必须面临的前沿课题。

       因此,力软应用RFPA真实破裂过程分析系统通过数值仿真方法对双裂纹模型水力压裂数值模拟进行研究,揭示了砂砾岩储层裂纹扩展的机理和规律,为砂砾岩储层的压裂设计和施工提供参考和指导。

具体服务内容包括以下几个方面:

(1)单裂缝水力压裂条件下岩体内部应力转向及裂缝延伸研究;

a. 水力裂缝诱导引起应力场变化情况

b. 暂堵条件下裂缝转向情况模拟

(2)双裂缝条件下岩体内部应力转向及裂缝延伸研究;

a. 模型尺度对模拟结果的影响

b. 水力裂缝诱导引起应力场变化情况

c. 大型物理模拟实验结果模拟

d. 双裂缝条件下裂缝延伸影响因素分析研究:

地应力差值、裂缝长度、裂缝间隔、暂堵材料等

(3)模拟结果综合分析及现场工艺参数优化

 下面以“地应力差值对水压至裂裂纹扩展的影响”为例,当裂纹内施加水头6000m,单步增量为100m时,若数值模拟设计与参数如表1中所示。


最小主应力分布演化图


复杂条件下裂缝起裂延伸数值仿真系统

      受中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院廊坊分院委托,大连力软科技有限公司根据其提出的要求,为其科研项目“复杂条件下裂缝起裂延伸数值模拟研究”提供技术服务。

      由于材料本身孔隙结构的非均匀性,使得孔隙水压作用下的破裂过程十分复杂。研究岩石水力压裂,不但有利于我们清楚地认识岩石水压致裂过程,分析渗流、应力耦合作用的产生机制,而且在石油开采、地应力测量、岩石断裂韧度分析等领域都具有广泛的应用前景,是许多工程学科都必须面临的前沿课题。

      力软科技基于RFPA破裂过程分析方法,对复杂条件下裂缝起裂延伸和扩展规律进行数值模拟研究,并结合水压致裂经典理论及案例,研发水压致裂数值试验系统,建立与工程实验室大型物模配套的数值实验室。具体包括了以下几方面内容:

      通过建立岩石破坏数值模拟方法,开展复杂条件下裂缝起裂延伸模拟研究,探索形成复杂缝网的形成条件及裂缝延伸规律,为水力压裂设计及现场施工提供指导,并为复杂缝网水力压裂模拟软件的开发提供借鉴。

     (1)地应力差值对水力压裂裂缝起裂延伸的影响研究;

            ① 地应力差值对起裂压力及起裂位置的影响;

            ② 地应力差值对裂缝扩展状态的影响;

     (2)天然裂缝对水力压裂裂缝起裂延伸的影响研究;

            ① 人工裂缝与天然裂缝夹角的影响;

            ② 天然裂缝尺寸的影响;

            ③ 裂缝条数的影响;

            ④ 随机裂缝的影响

            ⑤ 网状裂缝的影响

     (3)岩石的脆塑性对水力压裂裂缝起裂延伸的影响研究

            ① 岩石脆塑性的影响;

            ② 岩石脆塑性与天然裂缝综合影响;

     (4)岩石的层理对水力压裂裂缝起裂延伸的影响研究;

            ① 层理参数的设定技术;

            ② 张开型及填充型层理的影响;

     (5)其它复杂条件下的水力压裂裂缝起裂延伸模拟;

            ① 暂堵材料对裂缝起裂延伸的影响;

            ② 定向射孔对裂缝起裂延伸的影响;

            ③ 井间应力干扰对裂缝起裂延伸的影响;

            ④ 分簇射孔对裂缝起裂延伸的影响; 

     (6)3D条件下的水力压裂裂缝起裂延伸探索研究;

            ① 3D模拟的可行性及方法建立;

            ② 3D网状裂缝/层理条件下裂缝起裂延伸状态;

     (7)复杂条件下裂缝起裂延伸的探索性研究

            ① 层内爆炸压裂数值模拟研究;

            ② 声发射数值模拟及其与物理模拟对比分析研究;

     (8)计算结果综合分析研究

            ① 形成复杂缝网的条件分析;

            ② 复杂裂缝形态的分形描述;


直观的参数化输入界面

应力云图

位移矢量图

应力曲线图表

西南石油大学“岩石破裂仿真理论研究”

受西南石油大学委托,大连力软科技有限公司与该校共同合作完成 “岩石破裂仿真理论研究” 项目工作。

根据该项目要求,力软公司通过建立描述非均质岩体渗流-应力-损伤耦合作用物理模型,研究岩体应力状态的变化和损伤破坏过程中渗透性的演化规律对其渗透性的影响,包括应力-应变-渗透系数全过程分析,裂纹萌生、扩展贯通过程渗透性变化规律;渗流过程对水压力作用岩石应力分布及其损伤演化的影响,包括孔隙水压力对岩石破裂模式的影响等;非均匀性对岩石的渗流-应力-损伤耦合机制的影响等。并基于上述的研究成果开发相应的有限元数值模拟软件。

其次,引入岩石或混凝土试样断面的数字图像,运用数字图像处理技术分析图像的颜色特征,识别出各类细观介质,并赋予相应的材料编号,确定各细观介质的材料区域。将处理后的非均匀表征图像转化为有限元网格,从而建立能反映材料细观结构的数值模型。并基于上述研究方法及研究成果开发相应的有限元数值模拟软件。其中,数值模型的准确性主要取决于导入的数字图像的分辨率和图像的颜色特征,也即数字图像所能反映的材料细观结构信息。


沈阳工业大学“碾压混凝土层面水力破坏过程流-固耦合数值”计算分析

受沈阳工业大学委托大连力软科技有限公司针对其提出的要求开展了“碾压混凝土层面水力破坏过程流-固耦合数值计算分析服务项目的研究工作。

利用RFPA2D渗流版软件,进行在不同水压力、不同层面裂缝长度、不同工况层面组合情况下的I型、I?II复合型细观断裂模拟计算,从细观的角度,观察试件中裂纹的扩展的全过程,得到损伤断裂参数,将试验和数值计算得到的损伤断裂参数进行比较修正,得到各种碾压混凝土层面在水压力和其他正应力作用下的损伤断裂判据。

此外,该项目还将得到的层面断裂判据引入有限元计算中去,利用分段线性塑性本构模型和考虑层面裂缝中的渗透水压影响的塑性加载条件,对碾压混凝土坝层面裂缝在水压力和其他正应力作用下的细观破裂全过程进行三维计算研究,通过应力场的图形观察到结构中裂纹的萌生、扩展、贯通直至整个结构破裂的全过程,加深对水压力和其他正应力相互作用机制的认识,掌握裂缝的扩展规律及发展趋势。