江坪河水電站壩址區(qū)初始地應(yīng)力場三維數(shù)值反演分析

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。

巖體初始應(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,尤其在高地應(yīng)力地區(qū)顯得尤為重要。根據(jù)官地水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,運用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應(yīng)力場進行回歸反演分析,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;通過多方案分析論證,實測點的計算應(yīng)力值與實測值在量值上和方向上均較為接近,表明反演得到的壩址區(qū)三維地應(yīng)力場是合理的,符合近壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造歷史背景,其成果可供工程采用。

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)。

巖體初始地應(yīng)力場是地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護結(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。

以現(xiàn)場實測地應(yīng)力資料為依據(jù),結(jié)合震源機制解方法,對某水電站右岸實測地應(yīng)力場進行了分析,擬合了地應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并推演研究了工程區(qū)域地應(yīng)力場的分布特征,結(jié)果表明:某水電站工程區(qū)域位于高山峽谷地帶,經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動,地應(yīng)力場主要受區(qū)域構(gòu)造運動的影響,這種影響對水平方向的構(gòu)造應(yīng)力尤為劇烈;工程區(qū)域地應(yīng)力場總體表現(xiàn)為豎直應(yīng)力略小于自重應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主,其值約為20mpa。

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)力進行了分析,結(jié)果表明實測點處地應(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。

用有限元法對某水電站壩址區(qū)的滲流場參數(shù)進行了反演,結(jié)合工程地質(zhì)和水文地質(zhì)資料以及壩區(qū)的鉆孔抽注水試驗,反演得到了各覆蓋層的滲透系數(shù),并計算了整個壩址區(qū)的滲流場,為大壩建成后運營期的滲流場計算提供了基礎(chǔ)。

第23卷第23期巖石力學(xué)與工程學(xué)報23(23)：4006～4011 2004年12月chinesejournalofrockmechanicsandengineeringdec.，2004 2004年3月29日收到初稿，2004年5月26日收到修改稿。 *國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2002cb412708)及中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所前沿領(lǐng)域基金(q000216)資助課題。 作者梅松華簡介：男，29歲，2001年于長沙礦冶研究院獲采礦工程專業(yè)碩士學(xué)位，現(xiàn)為河北大學(xué)講師、中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所在職博士 研究生，主要從事巖石力學(xué)數(shù)值計算方面的研究工作。e-mail：msh_mail@sina.com。 龍灘水電站左岸地下廠房區(qū) 三維地應(yīng)力場反演分析* 梅松華1 ，2 盛謙

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。

大崗山水電站地下廠房區(qū)三維地應(yīng)力場反演分析——初始地應(yīng)力場是地下廠房工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，通常工程區(qū)實測地應(yīng)力點較少，必須在有限的地應(yīng)力資料基礎(chǔ)上，采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應(yīng)力場。結(jié)合大崗山水電站地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，...

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)力場反演方法進行優(yōu)缺點與適用性分析,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)單獨作用下的基本應(yīng)力場并提取得到測點處的計算應(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。

初始地應(yīng)力場是地下廠房工程設(shè)計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù),通常工程區(qū)實測地應(yīng)力點較少,必須在有限的地應(yīng)力資料基礎(chǔ)上,采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應(yīng)力場。結(jié)合大崗山水電站地形地貌條件和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特征,基于地下廠房區(qū)地應(yīng)力實測資料,研究了地下廠房區(qū)地應(yīng)力場分布特征;在此基礎(chǔ)上,采用有限元數(shù)學(xué)模型多元回歸方法,進行了大崗山水電站地下廠房地應(yīng)力場三維反演分析研究,獲得了地下廠房區(qū)域地應(yīng)力分布規(guī)律和影響因素的認(rèn)識。結(jié)果表明,大崗山工程區(qū)地應(yīng)力場分布受構(gòu)造應(yīng)力、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌的綜合影響,巖性對地應(yīng)力影響較小,巖脈與斷層影響顯著;在地下廠房區(qū)最大水平主應(yīng)力σh、最小水平主應(yīng)力σv、鉛直向應(yīng)力σh關(guān)系為σh>σv>σh,地應(yīng)力量值中等,側(cè)壓力系數(shù)垂直廠房軸線方向為0.5～0.6,軸線方向為1.1～1.3。

初始地應(yīng)力場是影響巖體工程穩(wěn)定性的重要因素之一,是巖土工程設(shè)計所需的基本指標(biāo)。結(jié)合錦屏水電站壩區(qū)的工程地質(zhì)條件以及實測地應(yīng)力資料,采用三維有限單元法,引入灰色控制系統(tǒng)理論,對壩區(qū)的初始應(yīng)力場進行回歸分析,求出最優(yōu)回歸系數(shù);實測點回歸值與實測值的對比分析表明兩者在量值和方向上接近,表明回歸所得的應(yīng)力場是合理的,從而獲得壩區(qū)初始地應(yīng)力場,為壩區(qū)高邊坡、地下廠房的開挖模擬及長期穩(wěn)定性提供了合理的三維初始應(yīng)力場。

初始地應(yīng)力是巖土工程設(shè)計與施工所要考慮的重要因素之一。由實測地應(yīng)力資料反演初始地應(yīng)力場的方法很多,且各有優(yōu)勢。根據(jù)溪洛渡水電站工程壩區(qū)地應(yīng)力的實測資料,采用有限單元法,結(jié)合多元線性回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法,分別反演求得整個壩區(qū)的初始地應(yīng)力場。比較發(fā)現(xiàn)3種方法反演計算的結(jié)果非常接近,且均能模擬實際地應(yīng)力場的分布規(guī)律。進一步的分析結(jié)果表明,由于溪洛渡水電站工程壩區(qū)在天然情況下巖體的屈服范圍很小,壩區(qū)初始地應(yīng)力場的非線性特征不明顯,故線性回歸分析方法即可滿足要求。同時,研究還表明,在結(jié)果均能滿足要求的前提下,回歸分析方法與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法相比具有更方便快捷、易于掌握、唯一解的優(yōu)勢。

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

根據(jù)某水電站廠區(qū)地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,本文運用灰色控制系統(tǒng)理論及有限元數(shù)值分析方法,對該區(qū)域巖體初始地應(yīng)力場進行分析。經(jīng)過多方案計算與篩選,為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工提供了可用的三維初始應(yīng)力場,同時,文中所描述的計算模型及分析方法亦為其他工程提供了有益的借鑒。

地應(yīng)力場是一個受多種因素相互作用與影響的復(fù)雜系統(tǒng).這個系統(tǒng)包含相互聯(lián)系的不同組成部分,如自重,構(gòu)造運動作用,地形、地勢等地貌情況,斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造,地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等.地應(yīng)力作為引起變形和破壞的基本作用力,不僅是引起巖體變形和破壞的力源之一,也是影響巖體力學(xué)行為的主要控制因素,是進行巖體工程問題分析、設(shè)計計算和穩(wěn)定性預(yù)測評價的初始條件之一,因而在高地應(yīng)力地區(qū)進行初始地應(yīng)力場的特征分析是非常必要的.盡管可以通過現(xiàn)場實測地應(yīng)力來直接準(zhǔn)確地為地應(yīng)力場提供數(shù)據(jù),但由于現(xiàn)場實測地應(yīng)力的測試費用昂貴、測試所需時間長和現(xiàn)場試驗條件艱苦等原因,不可能進行大量的測量,因而利用有限的數(shù)據(jù)和科學(xué)的方法對研究區(qū)進行地應(yīng)力場的反演分析十分重要,為實際工程活動提供可靠依據(jù).

初始地應(yīng)力是巖土工程設(shè)計與施工所要考慮的重要因素之一.根據(jù)雙江口水電站工程區(qū)域?qū)嶋H地質(zhì)條件以及實測地應(yīng)力資料,建立了能夠反映研究區(qū)地貌、巖體結(jié)構(gòu)的地質(zhì)模型.采用快速拉格朗日計算程序flac3d對建立的三維地質(zhì)概化模型進行計算,在實測點地應(yīng)力值與計算得到的應(yīng)力值之間建立多元回歸模型,通過多元回歸分析,求出最優(yōu)回歸系數(shù).通過實測點的計算應(yīng)力值與現(xiàn)場實測值的比較,兩者在量值上相當(dāng)且方向上接近,表明經(jīng)過回歸得到的地應(yīng)力場是合理的,為雙江口水電站地下廠房的開挖模擬及長期穩(wěn)定性分析提供了合理的三維初始地應(yīng)力場.

本文采用三維有限元法對錦屏二級水電站引水隧洞區(qū)域的三維初始地應(yīng)力場進行了反演回歸分析,實測點處地應(yīng)力計算值與實測值吻合較好,表明經(jīng)過回歸得到的地應(yīng)力場是合理的,可為隧洞設(shè)計、穩(wěn)定性分析和確定合理的施工方案提供基礎(chǔ)性資料和科學(xué)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,運用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應(yīng)力場進行了回歸反演分析,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。

介紹了東焦河水電站概況及壩址區(qū)的地質(zhì)條件,通過對壩址、壩型比較和分析,確定在中壩址建漿砌石重力壩的可行性和合理性。

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。