小灣水電站壩址區(qū)三維初始地應(yīng)力場(chǎng)反演回歸分析

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(chǎng)及其空間分布特征與多期地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)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(duì)工程區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)的空間分布特征與規(guī)律,并就其形成機(jī)理開(kāi)展了多因素影響效應(yīng)分析,可供我國(guó)高地應(yīng)力區(qū)水電工程建設(shè)參考。

巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)是地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所需要的基本因素之一,初始地應(yīng)力場(chǎng)是否可靠將直接影響到工程設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(jì)算模型gm(0,3)對(duì)廠區(qū)巖體初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行回歸反演分析。計(jì)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(shí)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)值在量值上和方向上都較為接近,表明經(jīng)過(guò)回歸得到的地應(yīng)力場(chǎng)是合理的,從而獲得地下廠房廠區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)較為合理的分布規(guī)律,為地下廠房的開(kāi)挖模擬及穩(wěn)定性分析提供了合理的初始應(yīng)力場(chǎng)。

巖體初始應(yīng)力場(chǎng)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(jì)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(shí)測(cè)資料,運(yùn)用有限元數(shù)值分析方法,對(duì)壩址區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行回歸反演分析,計(jì)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(guò)多方案分析論證,實(shí)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)測(cè)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(chǎng)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(duì)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(shí)測(cè)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(duì)壩區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)的影響,建立了壩區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)三維回歸計(jì)算分析模型。通過(guò)多元回歸三維數(shù)值計(jì)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(chǎng)。計(jì)算結(jié)果表明,大崗山壩區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)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(chǎng),研究結(jié)果為壩區(qū)邊坡開(kāi)挖及長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供了重要依據(jù)。

初始地應(yīng)力場(chǎng)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(jì)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(shí)測(cè)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(duì)壩區(qū)的初始應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行回歸分析,求出最優(yōu)回歸系數(shù);實(shí)測(cè)點(diǎn)回歸值與實(shí)測(cè)值的對(duì)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(chǎng)是合理的,從而獲得壩區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng),為壩區(qū)高邊坡、地下廠房的開(kāi)挖模擬及長(zhǎng)期穩(wěn)定性提供了合理的三維初始應(yīng)力場(chǎng)。

采用三維有限元對(duì)錦屏二級(jí)水電站壩址處山區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)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(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響,得出了初始應(yīng)力場(chǎng)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(shí)測(cè)應(yīng)力對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響

以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料為依據(jù),結(jié)合震源機(jī)制解方法,對(duì)某水電站右岸實(shí)測(cè)地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了分析,擬合了地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(yùn)動(dòng),地應(yīng)力場(chǎng)主要受區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響,這種影響對(duì)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(chǎng)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。

用有限元法對(duì)某水電站壩址區(qū)的滲流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)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(yàn),反演得到了各覆蓋層的滲透系數(shù),并計(jì)算了整個(gè)壩址區(qū)的滲流場(chǎng),為大壩建成后運(yùn)營(yíng)期的滲流場(chǎng)計(jì)算提供了基礎(chǔ)。

第23卷第23期巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)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(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(973)項(xiàng)目(2002cb412708)及中國(guó)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(jiǎn)介：男，29歲，2001年于長(zhǎng)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(guó)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(jì)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(chǎng)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(yàn)洞變形監(jiān)測(cè)結(jié)果綜合分析的基礎(chǔ)上,建立地質(zhì)概化和試驗(yàn)洞施工開(kāi)挖模型;采用地應(yīng)力場(chǎng)隨埋深變化呈線性分布的假設(shè),并根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試成果,確定地應(yīng)力場(chǎng)的分布區(qū)間。在此基礎(chǔ)上,采用均勻設(shè)計(jì)方法和三維顯式有限差分法,通過(guò)模擬試驗(yàn)洞的開(kāi)挖變形,對(duì)龍灘水電站廠房區(qū)巖體地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了三維變形反演分析。對(duì)比計(jì)算位移和監(jiān)測(cè)位移,計(jì)算各方案的位移目標(biāo)函數(shù),獲得了巖體地應(yīng)力場(chǎng)沿深度的分布規(guī)律。比較監(jiān)測(cè)與計(jì)算位移,兩者在量值上相當(dāng),在變形趨勢(shì)上也基本相同,而且實(shí)測(cè)與計(jì)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(chǎng)是基本合理的,同時(shí)說(shuō)明此反演方法簡(jiǎn)便、有效。

大崗山水電站地下廠房區(qū)三維地應(yīng)力場(chǎng)反演分析——初始地應(yīng)力場(chǎng)是地下廠房工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，通常工程區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)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(gè)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。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(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上,建立了三維地質(zhì)概化模型。對(duì)現(xiàn)有地應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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(duì)比,確定采用施加位移邊界條件模擬構(gòu)造作用。同時(shí)考慮到研究區(qū)域總體地應(yīng)力水平較低的實(shí)際情況,通過(guò)試算確定了模擬各構(gòu)造作用的位移邊界值的大小。通過(guò)模擬計(jì)算,獲得了影響地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)并提取得到測(cè)點(diǎn)處的計(jì)算應(yīng)力值,繼而形成回歸分析樣本數(shù)據(jù),由此建立實(shí)測(cè)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(duì)比實(shí)測(cè)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(chǎng)的規(guī)律性與依據(jù)實(shí)測(cè)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(kāi)挖穩(wěn)定性分析。

初始地應(yīng)力場(chǎng)是地下廠房工程設(shè)計(jì)和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù),通常工程區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)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(gè)工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。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(shí)測(cè)資料,研究了地下廠房區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)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(jìn)行了大崗山水電站地下廠房地應(yīng)力場(chǎng)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(shí)。結(jié)果表明,大崗山工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)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(duì)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?yàn)?.5～0.6,軸線方向?yàn)?.1～1.3。

采用巖體滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)耦合分析的多重裂隙網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)小灣水電站壩區(qū)建壩蓄水后的滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了三維有限元分析與計(jì)算。計(jì)算結(jié)果可知,建壩蓄水使壩區(qū)滲流場(chǎng)的補(bǔ)給關(guān)系發(fā)生變化,且使大壩附近的壩基巖體豎向有效應(yīng)力增大,也使壩肩巖體的拉應(yīng)力增大

本文采用三維有限元法對(duì)錦屏二級(jí)水電站引水隧洞區(qū)域的三維初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了反演回歸分析,實(shí)測(cè)點(diǎn)處地應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值吻合較好,表明經(jīng)過(guò)回歸得到的地應(yīng)力場(chǎng)是合理的,可為隧洞設(shè)計(jì)、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)。

初始地應(yīng)力是巖土工程設(shè)計(jì)與施工所要考慮的重要因素之一。由實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料反演初始地應(yīng)力場(chǎng)的方法很多,且各有優(yōu)勢(shì)。根據(jù)溪洛渡水電站工程壩區(qū)地應(yīng)力的實(shí)測(cè)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(gè)壩區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。比較發(fā)現(xiàn)3種方法反演計(jì)算的結(jié)果非常接近,且均能模擬實(shí)際地應(yīng)力場(chǎng)的分布規(guī)律。進(jìn)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(chǎng)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(shí),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(shì)。

結(jié)合陰坪水電站廠區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料,以ansys軟件為平臺(tái),構(gòu)建廠區(qū)地應(yīng)力反演計(jì)算模型,采用位移函數(shù)法對(duì)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(chǎng)資料。同時(shí),對(duì)精細(xì)模型的主應(yīng)力分布及擬開(kāi)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(shí)測(cè)點(diǎn)處地應(yīng)力的計(jì)算值與實(shí)測(cè)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。

初始地應(yīng)力是巖土工程設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)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(jì)算程序flac3d對(duì)建立的三維地質(zhì)概化模型進(jìn)行計(jì)算,在實(shí)測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力值與計(jì)算得到的應(yīng)力值之間建立多元回歸模型,通過(guò)多元回歸分析,求出最優(yōu)回歸系數(shù).通過(guò)實(shí)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的比較,兩者在量值上相當(dāng)且方向上接近,表明經(jīng)過(guò)回歸得到的地應(yīng)力場(chǎng)是合理的,為雙江口水電站地下廠房的開(kāi)挖模擬及長(zhǎng)期穩(wěn)定性分析提供了合理的三維初始地應(yīng)力場(chǎng).

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

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(shí)測(cè)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(jì)算工具,計(jì)算各影響因素下廠區(qū)地應(yīng)力值;在實(shí)測(cè)點(diǎn)勘察獲得的地應(yīng)力值與計(jì)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(chǎng)分布規(guī)律,為地下廠房設(shè)計(jì)與開(kāi)挖施工提供了合理的三維初始地應(yīng)力場(chǎng).

金沙江下游擬建的白鶴灘水電站上接烏東德梯級(jí),下鄰溪洛渡梯級(jí),是繼三峽和溪洛渡之后又一座千萬(wàn)千瓦級(jí)的水電站。白鶴灘水電站采用地下式廠房,其廠房的高度和跨度分別為78.5m和32m。為了保證地下洞室群圍巖的穩(wěn)定性,需要準(zhǔn)確掌握初始地應(yīng)力場(chǎng)的方向和大小。依據(jù)地質(zhì)構(gòu)造作用和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方法分析發(fā)現(xiàn),白鶴灘水電站左、右岸的初始地應(yīng)力場(chǎng),由于受到河流侵蝕和岸坡卸荷等因素影響,兩岸廠區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)方向在局部產(chǎn)生一定的偏轉(zhuǎn),從該地區(qū)的nww方向變?yōu)閚e方向,通過(guò)數(shù)值反演方法對(duì)計(jì)算區(qū)域的邊界條件進(jìn)行回歸,與實(shí)測(cè)值比較確定回歸邊界條件的合理性和準(zhǔn)確性。

為了評(píng)價(jià)小灣水電站壩基巖體開(kāi)挖后的卸荷松弛效應(yīng)、確定卸荷深度和研究卸荷巖體的應(yīng)力分布特征,同時(shí)采用鉆孔彈模法和水壓致裂法在壩基開(kāi)挖面進(jìn)行了5個(gè)深度20~30m鉆孔的巖體變形與地應(yīng)力測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明開(kāi)挖卸荷影響較明顯,鉆孔淺部(深度小于11m)彈模明顯降低;壩基巖體表層20m以內(nèi)的最大水平應(yīng)力一般小于10mpa,顯示了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其次,根據(jù)卸荷帶劃分結(jié)果和工程地質(zhì)條件進(jìn)行了二維彈塑性有限元應(yīng)力場(chǎng)模擬分析。分析結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果一致,表層開(kāi)挖卸荷巖體中應(yīng)力有所釋放,河床以下20~50m范圍存在明顯應(yīng)力集中。