溫家華，程亞男

（國網(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)力場是地下廠房工程設(shè)計和穩(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)條件以及實測地應(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)值計算軟件對地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場進行了反演分析，獲得了地下廠房區(qū)與初始地應(yīng)力場分布。

抽水蓄能水電站；地下廠房；初始地應(yīng)力場；反演分析

0 引言

抽水蓄能電站是利用電力負荷低谷時的電能抽水至上水庫，在電力負荷高峰期再放水至下水庫發(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)力場是進行工程設(shè)計和巖體穩(wěn)定性分析的重要依據(jù)，也是施工過程中工程開挖設(shè)計主要指導(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、時間而變化的非穩(wěn)定場，但對于工程建設(shè)來講，初始地應(yīng)力場可視為忽略時間因素的相對穩(wěn)定的應(yīng)力場。

所有的地下結(jié)構(gòu)均處于一定的初始應(yīng)力場中，它們的開挖、支護、穩(wěn)定等分析研究都與該應(yīng)力場緊密相關(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)力場是一個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)力場仍十分困難。因此，如何計算模擬工程關(guān)心區(qū)域的初始地應(yīng)力場，使研究結(jié)果與客觀實際盡可能一致，為洞室開挖、支護等提供可靠依據(jù)，并為同類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

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，分析計算理論得到較大的完善。如果實測地應(yīng)力點布局合理、實測值可靠，以實測地應(yīng)力點的實測數(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，將有限的幾個實測地應(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：一類是位移反分析方法；另一類是應(yīng)力回歸分析方法。近年來又陸續(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)場開挖引起的實測位移，反演巖土初始應(yīng)力，是一種間接方法，當(dāng)計算域內(nèi)缺乏地應(yīng)力實測資料或?qū)崪y地應(yīng)力是擾動地應(yīng)力時，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)合對區(qū)域地應(yīng)力場產(chǎn)生條件的規(guī)律性認識，建立該區(qū)域地應(yīng)力場的三維模型，根據(jù)工程所在區(qū)域少量地應(yīng)力實測資料進行計算，使得計算應(yīng)力場與實測應(yīng)力場達到最優(yōu)擬合，以求得工程區(qū)域初始地應(yīng)力場。當(dāng)計算域內(nèi)已有初始地應(yīng)力實測資料時，使用該方法較為高效，本文采用應(yīng)力分析方法對某抽水蓄能店站地下洞室的初始地應(yīng)力場進行反演分析。

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、下水庫、水道系統(tǒng)和地下廠房系統(tǒng)及開關(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)建筑物包括上水庫進/出水口、引水事故閘門井、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、尾水檢修閘門井和下水庫進/出水口等。地下廠房位于水道系統(tǒng)中部，洞室群布置在粗?；◢弾r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、主機間和安裝場組成，呈“一”字形布置，洞室總開挖尺寸為214.5m×25.0m×53.5m（長×寬×高），主變壓器洞平行布置在主廠房下游側(cè)，開挖尺寸為226.5m×21m×22m（長×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，開挖尺寸為180.1m×10.9m×18.65m（長×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?；◢弾r，巖石飽和抗壓強度97.23～135MPa，屬于堅硬巖；完整巖體彈性模量試驗值28.92～36.72GPa，變形模量試驗值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0.99。綜合來看，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類偏好，即以Ⅲa為主，局部為Ⅲb或Ⅲc，斷層出露部位為Ⅳ類。

地下廠房區(qū)域共揭露大小斷層79條，其中Ⅲ級結(jié)構(gòu)面19條，Ⅳ級結(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，斷層帶寬度為1.5～7.5m，裂隙密集帶寬度可達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NE向裂隙走向相對集中，主要在35°～55°之間，為中等傾角，偶見緩傾角發(fā)育。

2.2 實測地應(yīng)力

圖1 實測地應(yīng)力測點分布圖

該抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力測量共布置在5個鉆孔處，實地測點分布如圖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)力解除法測得地應(yīng)力，測試結(jié)果見表1，經(jīng)過統(tǒng)計分析，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距離廠房開挖邊界的距離約370m，是廠房開挖跨度的15倍，該處應(yīng)力對廠房開挖的影響很小。對于廠房區(qū)的反演分析而言，廠房區(qū)鉆孔ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2的地應(yīng)力測量值需著重考慮，這幾個鉆孔的實測σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分別為1.65、1.74、1.05。

廠房區(qū)實測地應(yīng)力與測點實際埋深的關(guān)系見圖2，實測地應(yīng)力、地應(yīng)力比值與高程的關(guān)系分別見圖3和圖4。

圖2 廠房區(qū)實測地應(yīng)力與測點實際埋深的關(guān)系

圖3 廠房區(qū)實測地應(yīng)力與測點高程的關(guān)系

圖4 廠房區(qū)實測地應(yīng)力比值與測點高程的關(guān)系

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

3 三維初始地應(yīng)力場反演分析

3.1 初始地應(yīng)力反演區(qū)域模型

本文通過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，模型設(shè)計時選取了該區(qū)域較大的計算范圍，沿X-軸向總長度為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挖邊界的距離遠超過三倍的洞室跨度，充分滿足有限元計算的人工模型邊界尺寸要求，見圖5。

圖5 初始地應(yīng)力反演區(qū)域三維有限元模型圖

計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111萬個，節(jié)點約69萬個，巖體采用8節(jié)點6面體、6節(jié)點5面體和4節(jié)點4面體實體單元模擬，其中8節(jié)點6面體單元在模型中占絕大多數(shù)。

3.2 計算參數(shù)與反演過程

巖體計算所用力學(xué)參數(shù)值如表2所示。

表2 巖體計算參數(shù)表

由于壓力管道區(qū)域的鉆孔ZK309距離廠房開挖邊界較遠，其應(yīng)力對廠房開挖的影響很小，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。實測地應(yīng)力點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)力測量位置對應(yīng)的節(jié)

反演的主要過程：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，進行多工況試算，計算結(jié)果與實測值對比，逐漸修正，直到計算值和實測值在數(shù)值和方向均非常接近為止。所形成的應(yīng)力場即為自重應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場的疊加。

3.3 地應(yīng)力反演結(jié)果及分析

地下廠房區(qū)地應(yīng)力實測值與有限元反演值的對比見表3，絕大多數(shù)測點的應(yīng)力反演值與實測值之間的誤差不超過15%。廠房區(qū)地應(yīng)力比值平均值的實測與有限元反演結(jié)果對比見表4，廠區(qū)鉆孔的實測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個主應(yīng)力比值與實測比值的偏差分別是2%、6%和5%。

表3 廠房區(qū)地應(yīng)力實測值與有限元反演值的對比

圖7 有限元反演全場主應(yīng)力矢量示意（單位：Pa）

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

通過反演分析得出的地下廠房區(qū)地應(yīng)力，3個主應(yīng)力分布的數(shù)值、方向與實測值非常接近，絕大多數(shù)測點的應(yīng)力反演值與實測值之間的誤差不超過15%。反演得到最大水平主應(yīng)力方向與實測值方向的角度差約10°，對于三維空間的地質(zhì)力學(xué)問題而言，地應(yīng)力反演成果與現(xiàn)場實測的差異已經(jīng)很小。

表4 廠房區(qū)地應(yīng)力比值平均值的實測與有限元反演結(jié)果對比

4 結(jié)論

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

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

（3）地應(yīng)力反演成果與現(xiàn)場實測的差異較小，能夠滿足工程計算分析的需要。

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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