某抽水蓄能水電站地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力反演分析

溫家華，程亞男

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心工程技術(shù)所，北京市 100161）

某抽水蓄能水電站地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力反演分析

溫家華，程亞男

（國(guó)網(wǎng)新源控股有限公司技術(shù)中心工程技術(shù)所，北京市 100161）

抽水蓄能電站多采用地下廠房型式，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)。本文根據(jù)某抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域地形地貌、工程地質(zhì)條件以及實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，分析了地下廠房區(qū)域地應(yīng)力分布特征，并在此基礎(chǔ)上建立了三維有限元模型，利用ABAQUS數(shù)值計(jì)算軟件對(duì)地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了反演分析，獲得了地下廠房區(qū)與初始地應(yīng)力場(chǎng)分布。

抽水蓄能水電站；地下廠房；初始地應(yīng)力場(chǎng)；反演分析

0 引言

抽水蓄能電站是利用電力負(fù)荷低谷時(shí)的電能抽水至上水庫(kù)，在電力負(fù)荷高峰期再放水至下水庫(kù)發(fā)電的一種特殊水電站，大多采用地下廠房結(jié)構(gòu)型式。其地下廠房洞室群的巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)是進(jìn)行工程設(shè)計(jì)和巖體穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，也是施工過(guò)程中工程開(kāi)挖設(shè)計(jì)主要指導(dǎo)因素。

地應(yīng)力是指巖體中存在的內(nèi)在應(yīng)力。從地質(zhì)年代看，地應(yīng)力是隨空間、時(shí)間而變化的非穩(wěn)定場(chǎng)，但對(duì)于工程建設(shè)來(lái)講，初始地應(yīng)力場(chǎng)可視為忽略時(shí)間因素的相對(duì)穩(wěn)定的應(yīng)力場(chǎng)。

所有的地下結(jié)構(gòu)均處于一定的初始應(yīng)力場(chǎng)中，它們的開(kāi)挖、支護(hù)、穩(wěn)定等分析研究都與該應(yīng)力場(chǎng)緊密相關(guān)。巖體的本構(gòu)關(guān)系、破壞準(zhǔn)則以及巖體中應(yīng)力傳播規(guī)律都要隨地應(yīng)力大小的變化而發(fā)生變化，因此初始地應(yīng)力場(chǎng)的研究是地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究的前提和必要條件。由于初始地應(yīng)力場(chǎng)是一個(gè)受多種因素相互作用影響的復(fù)雜系統(tǒng)，即使在現(xiàn)今，要精確地分析地應(yīng)力場(chǎng)仍十分困難。因此，如何計(jì)算模擬工程關(guān)心區(qū)域的初始地應(yīng)力場(chǎng)，使研究結(jié)果與客觀實(shí)際盡可能一致，為洞室開(kāi)挖、支護(hù)等提供可靠依據(jù)，并為同類(lèi)工程提供借鑒和參考，顯得非常必要且重要。

1 初始地應(yīng)力反演原理與方法

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，分析計(jì)算理論得到較大的完善。如果實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)布局合理、實(shí)測(cè)值可靠，以實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，根據(jù)工程地質(zhì)、地形條件，采用合理的理論分析方法，將有限的幾個(gè)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值，向空間區(qū)域拓展，從而獲得工程區(qū)域大范圍的巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)是合理的，也是完全可行的。目前應(yīng)用較多的初始應(yīng)力數(shù)值分析方法大致可以分為兩類(lèi)：一類(lèi)是位移反分析方法；另一類(lèi)是應(yīng)力回歸分析方法。近年來(lái)又陸續(xù)出現(xiàn)了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法回歸地應(yīng)力等方法。

位移反分析法一般指結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖引起的實(shí)測(cè)位移，反演巖土初始應(yīng)力，是一種間接方法，當(dāng)計(jì)算域內(nèi)缺乏地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料或?qū)崪y(cè)地應(yīng)力是擾動(dòng)地應(yīng)力時(shí)，多采用位移反分析法。目前該方法主要用于地下工程小范圍內(nèi)的巖體初始地應(yīng)力的反演。

應(yīng)力分析方法即結(jié)合對(duì)區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生條件的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，建立該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的三維模型，根據(jù)工程所在區(qū)域少量地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料進(jìn)行計(jì)算，使得計(jì)算應(yīng)力場(chǎng)與實(shí)測(cè)應(yīng)力場(chǎng)達(dá)到最優(yōu)擬合，以求得工程區(qū)域初始地應(yīng)力場(chǎng)。當(dāng)計(jì)算域內(nèi)已有初始地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料時(shí)，使用該方法較為高效，本文采用應(yīng)力分析方法對(duì)某抽水蓄能店站地下洞室的初始地應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行反演分析。

2 某抽水蓄能電站地應(yīng)力條件

該抽水蓄能電站樞紐工程由上水庫(kù)、下水庫(kù)、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)及開(kāi)關(guān)站等組成。水道系統(tǒng)由引水系統(tǒng)和尾水系統(tǒng)兩部分組成。引水系統(tǒng)建筑物包括上水庫(kù)進(jìn)/出水口、引水事故閘門(mén)井、引水隧洞、引水調(diào)壓室、高壓管道（包括主管、岔管和支管）。尾水系統(tǒng)建筑物包括尾水支管、尾閘洞、尾水混凝土岔管、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞、尾水檢修閘門(mén)井和下水庫(kù)進(jìn)/出水口等。地下廠房位于水道系統(tǒng)中部，洞室群布置在粗粒花崗巖層內(nèi)，上覆巖體厚度約300m。地下廠房系統(tǒng)由地下廠房、主變壓器洞、尾閘洞、交通洞、通風(fēng)洞、母線洞、排水廊道、排風(fēng)豎井、出線洞、出線豎井等建筑物組成。地下廠房由副廠房、主機(jī)間和安裝場(chǎng)組成，呈“一”字形布置，洞室總開(kāi)挖尺寸為214.5m×25.0m×53.5m（長(zhǎng)×寬×高），主變壓器洞平行布置在主廠房下游側(cè)，開(kāi)挖尺寸為226.5m×21m×22m（長(zhǎng)×寬×高）。尾閘洞位于主變壓器洞下游50m處，閘室軸線與廠房軸線平行，開(kāi)挖尺寸為180.1m×10.9m×18.65m（長(zhǎng)×寬×高）。

2.1 地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)域巖性單一，主要為微風(fēng)化中粗粒花崗巖，巖石飽和抗壓強(qiáng)度97.23～135MPa，屬于堅(jiān)硬巖；完整巖體彈性模量試驗(yàn)值28.92～36.72GPa，變形模量試驗(yàn)值15.63～20.46GPa；新鮮完整巖石質(zhì)量很好，抗變形能力較高，破碎或蝕變巖體強(qiáng)度降低。巖石透水率為0.14～0.64Lu，屬于微透水巖體。巖體縱波波速一般為4400～5000m/s，最高為5760m；巖體完整性系數(shù)Kv一般在0.5～0.77之間，最高達(dá)0.99。綜合來(lái)看，該區(qū)域圍巖較完整，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為次塊狀結(jié)構(gòu)或整體狀結(jié)構(gòu)，圍巖屬Ⅲ類(lèi)偏好，即以Ⅲa為主，局部為Ⅲb或Ⅲc，斷層出露部位為Ⅳ類(lèi)。

地下廠房區(qū)域共揭露大小斷層79條，其中Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面19條，Ⅳ級(jí)結(jié)構(gòu)面60條。斷層按走向可分為NW、NWW和NNE三組，其中以NNE、NW組較為發(fā)育，以中等陡傾角為主，斷層帶寬度多小于1m，主要由斷層泥、碎裂巖、碎粉巖、碎塊巖等組成。所揭露斷層規(guī)模較大的有5個(gè)，斷層帶寬度為1.5～7.5m，裂隙密集帶寬度可達(dá)40m。廠房區(qū)域裂隙較為發(fā)育，按走向可分為NE和NW兩組，均為共軛的剪切節(jié)理，地下廠房和主變壓器洞區(qū)域其N(xiāo)E向裂隙走向相對(duì)集中，主要在35°～55°之間，為中等傾角，偶見(jiàn)緩傾角發(fā)育。

2.2 實(shí)測(cè)地應(yīng)力

圖1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布圖

該抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力測(cè)量共布置在5個(gè)鉆孔處，實(shí)地測(cè)點(diǎn)分布如圖1所示。位于高壓管道部位鉆孔ZK309、廠房右支洞處鉆孔ZK305、ZK307、ZK330中采用水壓致裂法測(cè)得地應(yīng)力，在廠房右支洞處的水平孔TXJC-2中采用應(yīng)力解除法測(cè)得地應(yīng)力，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，最大與最小水平應(yīng)力比值（σH/σh）的平均值為1.60，最大水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值（σH/σv）的平均值為1.62，最小水平應(yīng)力與垂直應(yīng)力比值（σh/σv）的平均值為1.00。

壓力管道位置的鉆孔ZK309距離廠房開(kāi)挖邊界的距離約370m，是廠房開(kāi)挖跨度的15倍，該處應(yīng)力對(duì)廠房開(kāi)挖的影響很小。對(duì)于廠房區(qū)的反演分析而言，廠房區(qū)鉆孔ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2的地應(yīng)力測(cè)量值需著重考慮，這幾個(gè)鉆孔的實(shí)測(cè)σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分別為1.65、1.74、1.05。

廠房區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)實(shí)際埋深的關(guān)系見(jiàn)圖2，實(shí)測(cè)地應(yīng)力、地應(yīng)力比值與高程的關(guān)系分別見(jiàn)圖3和圖4。

圖2 廠房區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)實(shí)際埋深的關(guān)系

圖3 廠房區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)高程的關(guān)系

圖4 廠房區(qū)實(shí)測(cè)地應(yīng)力比值與測(cè)點(diǎn)高程的關(guān)系

表1 某抽水蓄能電站地應(yīng)力鉆孔測(cè)段應(yīng)力值按高程排列匯總

3 三維初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

3.1 初始地應(yīng)力反演區(qū)域模型

本文通過(guò)ABAQUS軟件建立了該工程區(qū)域的三維有限元網(wǎng)格整體模型，為較好地模擬工程區(qū)域內(nèi)初始地應(yīng)力場(chǎng)，模型設(shè)計(jì)時(shí)選取了該區(qū)域較大的計(jì)算范圍，沿X-軸向總長(zhǎng)度為1430m，左側(cè)邊界距離廠房左端墻600m，右側(cè)邊界距離右端墻617m；模型沿Y-軸向總長(zhǎng)度為980m，上游邊界距離廠房邊墻435m，下游邊界距離尾閘洞邊墻400m。模型沿Z-軸向總高度為610m，上部邊界取至自然地表，廠房底距離模型底邊界150m。模型人工邊界距離洞室開(kāi)挖邊界的距離遠(yuǎn)超過(guò)三倍的洞室跨度，充分滿足有限元計(jì)算的人工模型邊界尺寸要求，見(jiàn)圖5。

圖5 初始地應(yīng)力反演區(qū)域三維有限元模型圖

計(jì)算模型模擬了廠房工程區(qū)域范圍內(nèi)的主要地形地貌及影響地下廠房區(qū)域的主要構(gòu)造帶。共劃分三維有限單元約111萬(wàn)個(gè)，節(jié)點(diǎn)約69萬(wàn)個(gè)，巖體采用8節(jié)點(diǎn)6面體、6節(jié)點(diǎn)5面體和4節(jié)點(diǎn)4面體實(shí)體單元模擬，其中8節(jié)點(diǎn)6面體單元在模型中占絕大多數(shù)。

3.2 計(jì)算參數(shù)與反演過(guò)程

巖體計(jì)算所用力學(xué)參數(shù)值如表2所示。

表2 巖體計(jì)算參數(shù)表

由于壓力管道區(qū)域的鉆孔ZK309距離廠房開(kāi)挖邊界較遠(yuǎn)，其應(yīng)力對(duì)廠房開(kāi)挖的影響很小，因此，在地應(yīng)力反演分析中，著重研究廠房區(qū)鉆孔ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2處的地應(yīng)力值。實(shí)測(cè)地應(yīng)力點(diǎn)在有限元模型中的位置如圖6所示。

圖6 有限元模型與地應(yīng)力測(cè)量位置對(duì)應(yīng)的節(jié)

反演的主要過(guò)程：基于三維有限元模型，向模型施加重力和水平向荷載和位移值，進(jìn)行多工況試算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比，逐漸修正，直到計(jì)算值和實(shí)測(cè)值在數(shù)值和方向均非常接近為止。所形成的應(yīng)力場(chǎng)即為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的疊加。

3.3 地應(yīng)力反演結(jié)果及分析

地下廠房區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元反演值的對(duì)比見(jiàn)表3，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力反演值與實(shí)測(cè)值之間的誤差不超過(guò)15%。廠房區(qū)地應(yīng)力比值平均值的實(shí)測(cè)與有限元反演結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4，廠區(qū)鉆孔的實(shí)測(cè)σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分別為1.65、1.74、1.05，相應(yīng)的有限元反演成果為1.55、1.70、1.10。反演獲得的3個(gè)主應(yīng)力比值與實(shí)測(cè)比值的偏差分別是2%、6%和5%。

表3 廠房區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)值與有限元反演值的對(duì)比

圖7 有限元反演全場(chǎng)主應(yīng)力矢量示意（單位：Pa）

反演得出的全場(chǎng)主應(yīng)力矢量情況見(jiàn)圖7。根據(jù)反演分析得出的最大水平主應(yīng)力方向與實(shí)測(cè)值方向的角度差小于10°。

通過(guò)反演分析得出的地下廠房區(qū)地應(yīng)力，3個(gè)主應(yīng)力分布的數(shù)值、方向與實(shí)測(cè)值非常接近，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力反演值與實(shí)測(cè)值之間的誤差不超過(guò)15%。反演得到最大水平主應(yīng)力方向與實(shí)測(cè)值方向的角度差約10°，對(duì)于三維空間的地質(zhì)力學(xué)問(wèn)題而言，地應(yīng)力反演成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的差異已經(jīng)很小。

表4 廠房區(qū)地應(yīng)力比值平均值的實(shí)測(cè)與有限元反演結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

（1）本文對(duì)某抽水蓄能電站現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量成果進(jìn)行了分析，并基于三維有限元模型，對(duì)地應(yīng)力進(jìn)行了反演分析。廠房區(qū)ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2的實(shí)測(cè)σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分別為1.65、1.74、1.05。與此相對(duì)應(yīng)的有限元反演成果為1.55、1.70、1.10。

（2）通過(guò)反演分析得出的地下廠房區(qū)地應(yīng)力，3個(gè)主應(yīng)力分布的數(shù)值、比值和方向均與實(shí)測(cè)值非常接近，絕大多數(shù)測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力反演值與實(shí)測(cè)值之間的誤差不超過(guò)15%。反演獲得的3個(gè)主應(yīng)力比值與實(shí)測(cè)比值的誤差分別是2%、6%和5%。反演得到最大水平主應(yīng)力方向與實(shí)測(cè)值方向的角度差小于10°。

（3）地應(yīng)力反演成果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的差異較小，能夠滿足工程計(jì)算分析的需要。

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溫家華（1986—），男，碩士，工程師，主要研究方向：抽水蓄能電站工程建設(shè)管理、水工技術(shù)應(yīng)用。E-mail: jiahuawen@sgxy.sgcc.com.cn

程亞男（1987—），男，碩士，工程師，主要研究方向：地質(zhì)工程。

Back analysis of initial geostress field of an underground powerhouse region

WEN Jiahua，CHENG Ya’nan
Technology Center of State Grid Xinyuan Co.LTD，Beijing 100161

The powerhouse of pumped storage power station is designed underground，and the initial geostress field is an important basis for engineering design and stability analysis of underground powerhouse.According to the regional topography,engineering geological conditions and in-situ stress data of underground powerhouse in a pumped storage power station，this paper analyzes the regional stress distribution characteristics of the underground powerhouse，and establishes a three-dimensional finite element model，and the ABAQUS numerical calculation software is used to carry out the inversion analysis.

pumped-storage power station;underground powerhouse;initial geostress field;back analysis