江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場三維數(shù)值反演分析

拉西瓦水電工程壩址區(qū)為高山峽谷地貌,受地質構造應力、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)地應力場及其空間分布特征與多期地質構造運動及河谷演化歷史等因素有關,要合理確定其三維地應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合的方法對工程區(qū)域初始地應力場進行了詳細反演。在此基礎上,深入研究了河谷區(qū)地應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分析,可供我國高地應力區(qū)水電工程建設參考。

巖體初始應力場是影響巖體變形與穩(wěn)定的主要力源,也是巖土工程設計和施工中考慮的主要因素之一,尤其在高地應力地區(qū)顯得尤為重要。根據(jù)官地水電站廠區(qū)的地質條件及地應力實測資料,運用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應力場進行回歸反演分析,計算結果表明:廠區(qū)存在較大的水平向地質構造作用,巖體的地應力由自重和構造應力疊加而成;通過多方案分析論證,實測點的計算應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)三維地應力場是合理的,符合近壩區(qū)地質構造歷史背景,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)地應力實測資料及地質構造條件,考慮邊坡淺表全風化、強風化地層以及斷層破碎帶對壩區(qū)初始地應力場的影響,建立了壩區(qū)初始地應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,求得地應力最優(yōu)回歸系數(shù),較為準確地反演了大崗山壩區(qū)的初始地應力場。計算結果表明,大崗山壩區(qū)初始地應力場是一個在淺部以構造應力為主、在深部以自重應力為主、由構造應力和自重應力聯(lián)合組成的中等偏高的地應力場,研究結果為壩區(qū)邊坡開挖及長期穩(wěn)定性分析提供了重要依據(jù)。

巖體初始地應力場是地下洞室圍巖穩(wěn)定與支護結構設計所需要的基本因素之一,初始地應力場是否可靠將直接影響到工程設計與施工的可靠性與安全性。結合某水電站廠區(qū)的地質條件及地應力實測資料,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)巖體初始應力場進行回歸反演分析。計算結果表明,廠區(qū)存在較大的水平向地質構造作用,巖體的地應力由自重和構造應力疊加而成。實測點的計算應力值與實測值在量值上和方向上都較為接近,表明經(jīng)過回歸得到的地應力場是合理的,從而獲得地下廠房廠區(qū)初始應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力場。

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

結合陰坪水電站廠區(qū)地應力實測資料,以ansys軟件為平臺,構建廠區(qū)地應力反演計算模型,采用位移函數(shù)法對陰坪水電站廠區(qū)巖體地應力進行反演分析,從而獲得了初始應力場資料。同時,對精細模型的主應力分布及擬開挖的地下洞室群附近的各主應力進行了分析,結果表明實測點處地應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,結合工程地質和水文地質資料以及壩區(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。

第23卷第23期巖石力學與工程學報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。 *國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2002cb412708)及中國科學院武漢巖土力學研究所前沿領域基金(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)碩士學位，現(xiàn)為河北大學講師、中國科學院武漢巖土力學研究所在職博士 研究生，主要從事巖石力學數(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)工程地質和試驗洞變形監(jiān)測結果綜合分析的基礎上,建立地質概化和試驗洞施工開挖模型;采用地應力場隨埋深變化呈線性分布的假設,并根據(jù)地應力測試成果,確定地應力場的分布區(qū)間。在此基礎上,采用均勻設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函數(shù),獲得了巖體地應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,在變形趨勢上也基本相同,而且實測與計算所得的地應力值較吻合,表明所獲得的巖體地應力場是基本合理的,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)三維地應力場反演分析——初始地應力場是地下廠房工程設計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，通常工程區(qū)實測地應力點較少，必須在有限的地應力資料基礎上，采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應力場。結合大崗山水電站地形地貌條件和地質結構特征，...

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

初始地應力場是地下廠房工程設計和穩(wěn)定性分析的重要依據(jù),通常工程區(qū)實測地應力點較少,必須在有限的地應力資料基礎上,采用反演分析方法獲得整個工程區(qū)地應力場。結合大崗山水電站地形地貌條件和地質結構特征,基于地下廠房區(qū)地應力實測資料,研究了地下廠房區(qū)地應力場分布特征;在此基礎上,采用有限元數(shù)學模型多元回歸方法,進行了大崗山水電站地下廠房地應力場三維反演分析研究,獲得了地下廠房區(qū)域地應力分布規(guī)律和影響因素的認識。結果表明,大崗山工程區(qū)地應力場分布受構造應力、地質構造和地形地貌的綜合影響,巖性對地應力影響較小,巖脈與斷層影響顯著;在地下廠房區(qū)最大水平主應力σh、最小水平主應力σv、鉛直向應力σh關系為σh>σv>σh,地應力量值中等,側壓力系數(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,是巖土工程設計所需的基本指標。結合錦屏水電站壩區(qū)的工程地質條件以及實測地應力資料,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,表明回歸所得的應力場是合理的,從而獲得壩區(qū)初始地應力場,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力場。

初始地應力是巖土工程設計與施工所要考慮的重要因素之一。由實測地應力資料反演初始地應力場的方法很多,且各有優(yōu)勢。根據(jù)溪洛渡水電站工程壩區(qū)地應力的實測資料,采用有限單元法,結合多元線性回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡方法和遺傳算法,分別反演求得整個壩區(qū)的初始地應力場。比較發(fā)現(xiàn)3種方法反演計算的結果非常接近,且均能模擬實際地應力場的分布規(guī)律。進一步的分析結果表明,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,在結果均能滿足要求的前提下,回歸分析方法與神經(jīng)網(wǎng)絡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)初始地應力場進行反演回歸分析,提出了三維應力函數(shù)擬合方法。比較了考慮斷層和不考慮斷層對初始應力場的影響,得出了初始應力場分布特征,包括側壓系數(shù)、主應力矢量、主應力等值線分布規(guī)律,以及沿探洞軸線斷面應力分量的分布規(guī)律。結果表明,該方法較合理地反映了地形、地貌和實測應力對初始應力場的影響

根據(jù)某水電站廠區(qū)地質條件及地應力實測資料,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)域巖體初始地應力場進行分析。經(jīng)過多方案計算與篩選,為工程結構設計和施工提供了可用的三維初始應力場,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。

地應力場是一個受多種因素相互作用與影響的復雜系統(tǒng).這個系統(tǒng)包含相互聯(lián)系的不同組成部分,如自重,構造運動作用,地形、地勢等地貌情況,斷層、裂隙等地質構造,地質力學參數(shù)等.地應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,也是影響巖體力學行為的主要控制因素,是進行巖體工程問題分析、設計計算和穩(wěn)定性預測評價的初始條件之一,因而在高地應力地區(qū)進行初始地應力場的特征分析是非常必要的.盡管可以通過現(xiàn)場實測地應力來直接準確地為地應力場提供數(shù)據(jù),但由于現(xiàn)場實測地應力的測試費用昂貴、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)和科學的方法對研究區(qū)進行地應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).

初始地應力是巖土工程設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)域實際地質條件以及實測地應力資料,建立了能夠反映研究區(qū)地貌、巖體結構的地質模型.采用快速拉格朗日計算程序flac3d對建立的三維地質概化模型進行計算,在實測點地應力值與計算得到的應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力值與現(xiàn)場實測值的比較,兩者在量值上相當且方向上接近,表明經(jīng)過回歸得到的地應力場是合理的,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)域的三維初始地應力場進行了反演回歸分析,實測點處地應力計算值與實測值吻合較好,表明經(jīng)過回歸得到的地應力場是合理的,可為隧洞設計、穩(wěn)定性分析和確定合理的施工方案提供基礎性資料和科學依據(jù)。

巖體初始地應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中顯得尤為重要。根據(jù)某水電站廠區(qū)的地質條件及地應力實測資料,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力場,為地下廠房的設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)域地應力場較高,局部存在構造破碎帶,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)定及支護設計的長期安全,需要對圍巖的巖體力學參數(shù)和初始應力場進行反演確定。首先,利用現(xiàn)場初始地應力的實測值反演大范圍內的巖體構造地應力場分布,然后,利用洞室分層開挖擾動下,廠房上部關鍵點實測位移檢驗并修正反分析地應力結果,得到了較為準確的三維地應力分布,為后續(xù)地下廠房開挖圍巖的穩(wěn)定性及支護設計和長期安全的評價與預測,提供了基礎數(shù)據(jù),有效地指導了廠房開挖施工。廠房開挖完成后的圍巖位移的實際監(jiān)測結果與采用反演地應力場與巖體參數(shù)得到的廠房圍巖位移值的一致性表明,地應力場反演結果與實際地應力值一致。