大崗山水電站地下廠房區(qū)三維地應(yīng)力場反演分析

在龍灘地下廠房區(qū)工程地質(zhì)和試驗洞變形監(jiān)測結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)概化和試驗洞施工開挖模型;采用地應(yīng)力場隨埋深變化呈線性分布的假設(shè),并根據(jù)地應(yīng)力測試成果,確定地應(yīng)力場的分布區(qū)間。在此基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計方法和三維顯式有限差分法,通過模擬試驗洞的開挖變形,對龍灘水電站廠房區(qū)巖體地應(yīng)力場進(jìn)行了三維變形反演分析。對比計算位移和監(jiān)測位移,計算各方案的位移目標(biāo)函數(shù),獲得了巖體地應(yīng)力場沿深度的分布規(guī)律。比較監(jiān)測與計算位移,兩者在量值上相當(dāng),在變形趨勢上也基本相同,而且實測與計算所得的地應(yīng)力值較吻合,表明所獲得的巖體地應(yīng)力場是基本合理的,同時說明此反演方法簡便、有效。

針對大崗山水電站壩區(qū)v型河谷地形地貌特征,根據(jù)地應(yīng)力實測資料及地質(zhì)構(gòu)造條件,考慮邊坡淺表全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化地層以及斷層破碎帶對壩區(qū)初始地應(yīng)力場的影響,建立了壩區(qū)初始地應(yīng)力場三維回歸計算分析模型。通過多元回歸三維數(shù)值計算,求得地應(yīng)力最優(yōu)回歸系數(shù),較為準(zhǔn)確地反演了大崗山壩區(qū)的初始地應(yīng)力場。計算結(jié)果表明,大崗山壩區(qū)初始地應(yīng)力場是一個在淺部以構(gòu)造應(yīng)力為主、在深部以自重應(yīng)力為主、由構(gòu)造應(yīng)力和自重應(yīng)力聯(lián)合組成的中等偏高的地應(yīng)力場,研究結(jié)果為壩區(qū)邊坡開挖及長期穩(wěn)定性分析提供了重要依據(jù)。

拉西瓦水電站廠房地處峽谷山高坡陡,河谷狹窄,區(qū)域地應(yīng)力場較高,局部存在構(gòu)造破碎帶,同時開挖尺寸規(guī)模巨大,圍巖主要為脆硬的花崗巖,對洞室穩(wěn)定極為不利。為了評判開挖后圍巖的穩(wěn)定及支護(hù)設(shè)計的長期安全,需要對圍巖的巖體力學(xué)參數(shù)和初始應(yīng)力場進(jìn)行反演確定。首先,利用現(xiàn)場初始地應(yīng)力的實測值反演大范圍內(nèi)的巖體構(gòu)造地應(yīng)力場分布,然后,利用洞室分層開挖擾動下,廠房上部關(guān)鍵點(diǎn)實測位移檢驗并修正反分析地應(yīng)力結(jié)果,得到了較為準(zhǔn)確的三維地應(yīng)力分布,為后續(xù)地下廠房開挖圍巖的穩(wěn)定性及支護(hù)設(shè)計和長期安全的評價與預(yù)測,提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù),有效地指導(dǎo)了廠房開挖施工。廠房開挖完成后的圍巖位移的實際監(jiān)測結(jié)果與采用反演地應(yīng)力場與巖體參數(shù)得到的廠房圍巖位移值的一致性表明,地應(yīng)力場反演結(jié)果與實際地應(yīng)力值一致。

結(jié)合糯扎渡水電站地下廠房區(qū)域地形地質(zhì)條件,考慮了自重和地質(zhì)構(gòu)造作用兩個主要因素對初始地應(yīng)力場的影響,利用有限幾個測點(diǎn)的實測應(yīng)力資料對地下廠房區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力場進(jìn)行三維有限元回歸分析,揭示了該地質(zhì)區(qū)域內(nèi)的初始地應(yīng)力場分布規(guī)律,為地下廠房的位置選擇和圍巖穩(wěn)定性分析提供了依據(jù)。

巖體初始地應(yīng)力場是影響巖體變形與穩(wěn)定的主要力源,也是巖土工程設(shè)計和施工中考慮的主要因素之一,尤其是在大型地下工程建設(shè)中顯得尤為重要。根據(jù)某水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應(yīng)力場進(jìn)行了回歸反演分析,通過多方案篩選,取得了較為客觀合理的初始地應(yīng)力場,為地下廠房的設(shè)計和施工提供了可靠依據(jù),其方法可供類似工程參考。

巖體初始地應(yīng)力場是地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計所需要的基本因素之一,初始地應(yīng)力場是否可靠將直接影響到工程設(shè)計與施工的可靠性與安全性。結(jié)合某水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,引入灰色控制系統(tǒng)理論,采用三維有限元法和采用靜態(tài)的三因素灰色計算模型gm(0,3)對廠區(qū)巖體初始應(yīng)力場進(jìn)行回歸反演分析。計算結(jié)果表明,廠區(qū)存在較大的水平向地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體的地應(yīng)力由自重和構(gòu)造應(yīng)力疊加而成。實測點(diǎn)的計算應(yīng)力值與實測值在量值上和方向上都較為接近,表明經(jīng)過回歸得到的地應(yīng)力場是合理的,從而獲得地下廠房廠區(qū)初始應(yīng)力場較為合理的分布規(guī)律,為地下廠房的開挖模擬及穩(wěn)定性分析提供了合理的初始應(yīng)力場。

結(jié)合某水電站地下廠房區(qū)工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件以及實測地應(yīng)力資料,分析影響區(qū)域初始地應(yīng)力的因素;以ansys作為有限元計算工具,計算各影響因素下廠區(qū)地應(yīng)力值;在實測點(diǎn)勘察獲得的地應(yīng)力值與計算得到的地應(yīng)力值之間建立多元回歸模型,求出回歸系數(shù),從而獲取廠區(qū)初始地應(yīng)力場分布規(guī)律,為地下廠房設(shè)計與開挖施工提供了合理的三維初始地應(yīng)力場.

為科學(xué)控制大崗山水電站地下廠房施工過程中圍巖的應(yīng)力和變形,針對廠房的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地質(zhì)條件,通過采取地質(zhì)預(yù)報預(yù)測、控制地下水、優(yōu)化施工程序、控制爆破、先洞后墻貫通工藝、及時支護(hù)、提高開挖支護(hù)質(zhì)量、加強(qiáng)安全監(jiān)測管理及信息反饋等綜合措施,使地下廠房實際發(fā)生的圍巖變形總體較小,變形控制達(dá)到國內(nèi)同類工程領(lǐng)先水平。詳細(xì)介紹了施工控制過程,可為同類工程施工提供借鑒參考。

在分析糯扎渡水電站地下廠房區(qū)工程地質(zhì)資料及地應(yīng)力實測資料的基礎(chǔ)上,建立了三維地質(zhì)概化模型。對現(xiàn)有地應(yīng)力場反演方法進(jìn)行優(yōu)缺點(diǎn)與適用性分析,確定采用應(yīng)力回歸反演法。根據(jù)應(yīng)力回歸法原理,借助三維有限差分程序flac3d,對施加應(yīng)力邊界條件和位移邊界條件模擬構(gòu)造作用的效果做了對比,確定采用施加位移邊界條件模擬構(gòu)造作用。同時考慮到研究區(qū)域總體地應(yīng)力水平較低的實際情況,通過試算確定了模擬各構(gòu)造作用的位移邊界值的大小。通過模擬計算,獲得了影響地應(yīng)力場形成的各因素(自重與構(gòu)造作用)單獨(dú)作用下的基本應(yīng)力場并提取得到測點(diǎn)處的計算應(yīng)力值,繼而形成回歸分析樣本數(shù)據(jù),由此建立實測應(yīng)力與自重應(yīng)力分量及各基本構(gòu)造作用應(yīng)力分量間的多元線性回歸關(guān)系,得到最優(yōu)回歸系數(shù)。對比實測與反演所得應(yīng)力,兩者在數(shù)值上的差值在可接受的范圍內(nèi),方向上則基本接近。反演所得地應(yīng)力場的規(guī)律性與依據(jù)實測數(shù)據(jù)所做的推斷基本一致,可用于后續(xù)調(diào)壓井及相關(guān)區(qū)域洞室開挖穩(wěn)定性分析。

根據(jù)大崗山水電站廠壩區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件,采用三維有限元法,對廠壩區(qū)天然滲流場進(jìn)行反演分析,確定出天然滲流場的滲流模型、滲透參數(shù)和邊界條件,作為施工期和運(yùn)行期滲控方案研究的依據(jù)。

在對江坪河水電站區(qū)域地應(yīng)力場特征進(jìn)行實測分析的基礎(chǔ)上,通過對三維模型施加不同的邊界載荷,對比分析應(yīng)力擬合點(diǎn)處的計算應(yīng)力與實測應(yīng)力,采用三維數(shù)值分析方法對水電工程壩址區(qū)初始地應(yīng)力場進(jìn)行反演分析。結(jié)果表明:江坪河水電站壩址區(qū)初始地應(yīng)力場量值較低,最大主應(yīng)力為2.5mpa,方向為n45°w;最小主應(yīng)力為1.5mpa,方向為n45°e。應(yīng)力擬合點(diǎn)處應(yīng)力計算值與實測值較為接近,表明反演得到的壩址區(qū)初始地應(yīng)力場是合理的,符合壩址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造歷史背景。

拉西瓦水電工程壩址區(qū)為高山峽谷地貌,受地質(zhì)構(gòu)造應(yīng)力、自重、地表剝蝕和河流侵蝕卸荷等多因素影響而賦存有高地應(yīng)力,河谷區(qū)鉆孔巖芯餅化與探洞片狀剝落現(xiàn)象明顯。該區(qū)地應(yīng)力場及其空間分布特征與多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動及河谷演化歷史等因素有關(guān),要合理確定其三維地應(yīng)力分布狀況與大小難度較大。為此,采用多元回歸與逐步回歸相結(jié)合的方法對工程區(qū)域初始地應(yīng)力場進(jìn)行了詳細(xì)反演。在此基礎(chǔ)上,深入研究了河谷區(qū)地應(yīng)力場的空間分布特征與規(guī)律,并就其形成機(jī)理開展了多因素影響效應(yīng)分析,可供我國高地應(yīng)力區(qū)水電工程建設(shè)參考。

基于小灣水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)地形條件,研究分析了影響工程考察域初始地應(yīng)力場的基本因素及其空間分布,建立了壩址區(qū)三維有限元計算模型和初始地應(yīng)力場參數(shù)空間分布模型;利用大型通用有限元軟件msc.marc和地應(yīng)力實測資料,借助最小二乘法原理,以回歸精度為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化了構(gòu)造擠壓荷載的模擬和作用組合,實現(xiàn)了初始應(yīng)力場空間分布模型的參數(shù)估計。計算結(jié)果表明,改進(jìn)后的方法較傳統(tǒng)方法回歸精度有了較大提高,能較為合理地模擬小灣壩址區(qū)三維初始地應(yīng)力場。

結(jié)合某水電站壩區(qū)地形地質(zhì)條件,利用21個測點(diǎn)的實測資料對壩區(qū)的地應(yīng)力場進(jìn)行三維有限元回歸分析,揭示了該地區(qū)域內(nèi)巖體初始地應(yīng)力場的基本特征和分布規(guī)律,并研究了地質(zhì)構(gòu)造和左右岸各類結(jié)構(gòu)面對壩址區(qū)初始地應(yīng)力場的影響.

為了對卡里巴水電站地下廠房區(qū)地應(yīng)力場特征及其圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評價,采用基于三維有限元模擬的多元回歸分析方法,對地應(yīng)力實測資料進(jìn)行了回歸擬合,獲得了工程區(qū)應(yīng)力場的分布規(guī)律。其中,計算值與實測值能較好地擬合,回歸效果良好。根據(jù)回歸分析結(jié)果可知:地下廠房區(qū)以水平向構(gòu)造應(yīng)力場為主,屬于低應(yīng)力區(qū),其應(yīng)力分布主要受地形地貌、地層巖性和斷裂構(gòu)造的影響;最大水平主應(yīng)力與擬訂地下廠房的長軸線近于平行,有利于廠房圍巖的穩(wěn)定。

針對四川大崗山水電站地下廠房開挖施工過程中頂拱發(fā)生塌方且塌方區(qū)存在安全隱患問題,設(shè)計并安裝了南非iss公司微震監(jiān)測系統(tǒng)以彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測手段的不足,即:利用上層排水廊道地理優(yōu)勢,基于通信方案為最大傳輸距離可達(dá)7km的dsl,采用32位的模數(shù)轉(zhuǎn)換精度數(shù)據(jù)采集器gs在環(huán)繞塌方區(qū)共設(shè)計布置8支14hz智能全向檢波器,實現(xiàn)真正的遠(yuǎn)程控制與實時監(jiān)測,其數(shù)據(jù)處理功能強(qiáng)大,對數(shù)據(jù)解釋與理論研究非常有利。配合通信系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò),該系統(tǒng)適當(dāng)擴(kuò)展就可以滿足大型工程微震監(jiān)測智能系統(tǒng)要求,并可望對類似工程微震監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與選擇提供一定的參考。

采用三維有限元對錦屏二級水電站壩址處山區(qū)初始地應(yīng)力場進(jìn)行反演回歸分析,提出了三維應(yīng)力函數(shù)擬合方法。比較了考慮斷層和不考慮斷層對初始應(yīng)力場的影響,得出了初始應(yīng)力場分布特征,包括側(cè)壓系數(shù)、主應(yīng)力矢量、主應(yīng)力等值線分布規(guī)律,以及沿探洞軸線斷面應(yīng)力分量的分布規(guī)律。結(jié)果表明,該方法較合理地反映了地形、地貌和實測應(yīng)力對初始應(yīng)力場的影響

聯(lián)合運(yùn)用固定網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)虛流量法及能嚴(yán)密地模擬排水孔實際滲流行為的排水子結(jié)構(gòu)技術(shù),對糯扎渡水電站地下廠房區(qū)滲流場進(jìn)行了三維整體有限單元法分析研究.結(jié)合工程的現(xiàn)擬滲控設(shè)計方案經(jīng)多種工況的求解,較詳細(xì)地分析了該電站地下廠房區(qū)的滲流場特性,論證了現(xiàn)有防滲帷幕和排水設(shè)計方案的明顯滲控效果,為設(shè)計提供了可靠依據(jù).在滲流場求解方面應(yīng)用了目前較好的算法:一方面把排水子結(jié)構(gòu)納入節(jié)點(diǎn)虛流量法中;另一方面把節(jié)點(diǎn)虛流量法中的滲流虛域與實域、虛單元與實單元的概念引入排水子結(jié)構(gòu),使求解有復(fù)雜排水孔幕和排水廊道的工程滲流問題得到了較好地解決.

以錦屏一級水電站地下廠區(qū)現(xiàn)場工程為依托,提出一種新的地應(yīng)力場反演方法。該方法考慮了大型結(jié)構(gòu)面對地應(yīng)力場的影響特征,將含有大型結(jié)構(gòu)面的工程地質(zhì)模型分區(qū)進(jìn)行處理。首先,在線彈性的狀態(tài)下,確定邊界位移的搜索范圍。繼而,建立初始應(yīng)力場擬合優(yōu)化問題的目標(biāo)函數(shù),并采用一階優(yōu)化算法,有效的避免了繁瑣的運(yùn)算。最后,擬合結(jié)果表明精度較好,滿足了工程的需要,從而證實了提出的地應(yīng)力場反演方法的可適用性與正確性。

為了解某待建水電站地下廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性,通過三維有限元數(shù)值模擬對廠房樓板、機(jī)墩、立柱、蝸殼混凝土、尾水管等重要部位設(shè)計成果進(jìn)行模態(tài)及諧響應(yīng)分析,結(jié)果表明:初步設(shè)計成果是合理的,并為該電站廠房的安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計提出建議,為該電站廠房的施工圖設(shè)計及日后工作順利開展提供了重要的理論支持。

結(jié)合陰坪水電站廠區(qū)地應(yīng)力實測資料,以ansys軟件為平臺,構(gòu)建廠區(qū)地應(yīng)力反演計算模型,采用位移函數(shù)法對陰坪水電站廠區(qū)巖體地應(yīng)力進(jìn)行反演分析,從而獲得了初始應(yīng)力場資料。同時,對精細(xì)模型的主應(yīng)力分布及擬開挖的地下洞室群附近的各主應(yīng)力進(jìn)行了分析,結(jié)果表明實測點(diǎn)處地應(yīng)力的計算值與實測值吻合較好,可用于地下洞室群圍巖穩(wěn)定性分析的精細(xì)模型中。

簡要介紹了甘肅省水電站建設(shè)中第一座完全地下式廠房--小孤山水電站地下廠房洞室群的總體布置及設(shè)計特點(diǎn)。