深切河谷區水電站廠(chǎng)址初始應力場(chǎng)規律研究及對地下廠(chǎng)房布置的思考
1 引 言
我國已建或在建的許多大型水利水電工程主要分布于西部高山峽谷地區，其中多數采用了地下洞室群作為電站廠(chǎng)房的布置形式。而我國西部地區現代地殼活動(dòng)強烈，在地質(zhì)擠壓、切割和抬升作用下形成特有的高山峽谷地形地貌條件，使該地區形成了復雜地質(zhì)條件和高地應力場(chǎng)。在這種復雜賦存環(huán)境中修建大型地下廠(chǎng)房洞室群，其工程設計與施工均遇到了前所未有的挑戰。通常情況下，水電站地下廠(chǎng)房布置在河谷較低高程，距岸坡水平距離100～400 m，而該距離是深切河谷區地應力場(chǎng)影響顯著(zhù)的區域。因此，在對地下廠(chǎng)房洞室群進(jìn)行布置設計時(shí)，需充分認識和把握工程區域的初始應力場(chǎng)分布規律。
從深切河谷地區地質(zhì)歷史發(fā)展的過(guò)程看，河谷演化(如地表剝蝕下切等)作用對地應力的改造顯著(zhù)，可以在一定范圍內改變初始應力狀態(tài)，形成一種特殊區域的初始應力場(chǎng)分布。對河谷地區初始應力場(chǎng)的研究也發(fā)現，除考慮自重和地質(zhì)構造作用外，尚需考慮河谷發(fā)育演化作用對現今地應力場(chǎng)影響，由此獲得的河谷地應力分布具有成因分區、分帶性，與河谷現今初始應力分布的一般規律較為一致。為獲得河谷地區合理的地應力場(chǎng)分布特征，在對初始應力場(chǎng)進(jìn)行模擬分析時(shí)，通�？紤]了河谷演化規律，為此相繼提出了基于正交設計的河谷地應力場(chǎng)數值分析法、河谷地應力場(chǎng)的回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )數值分析法等。這些方法在工程應用中都取得了一定的成果，但尚需進(jìn)一步對河谷初始應力場(chǎng)模擬理論進(jìn)行完善和實(shí)踐檢驗。另一方面，現有水電站地下廠(chǎng)房地應力場(chǎng)模擬方法通常將初始應力場(chǎng)量化模型和地下廠(chǎng)房洞室群開(kāi)挖精細計算模型相分離，也即先采用大模型(粗網(wǎng)格)進(jìn)行地應力場(chǎng)模擬，然后采用應力插值的方法，將大模型中的地應力場(chǎng)轉換到地下廠(chǎng)房洞室群開(kāi)挖精細計算的小模型(細網(wǎng)格)中，作為洞室群穩定性分析時(shí)的初始應力場(chǎng)。此類(lèi)做法在三維模擬計算技術(shù)發(fā)展初期，曾取得重要進(jìn)展，但對于復雜地質(zhì)條件下地下廠(chǎng)房地應力場(chǎng)模擬而言，具有一定的局限性，主要體現在不僅對地下廠(chǎng)房不良地質(zhì)體和巖體結構模擬的不精細性，會(huì )引起結構體周邊地應力場(chǎng)量化的失真，而且在將大模型中的地應力場(chǎng)插值到地下廠(chǎng)房洞室群開(kāi)挖精細計算小模型過(guò)程中，還將產(chǎn)生新的誤差。隨著(zhù)計算技術(shù)的發(fā)展，將初始應力場(chǎng)量化模型與地下廠(chǎng)房洞室群精細計算模型結合起來(lái)，形成地下廠(chǎng)房地應力場(chǎng)量化精細計算模型已經(jīng)具備條件。
錦屏一級水電站地下廠(chǎng)房布置于雅礱江右岸，河谷高差為千米級，斷面呈現出典型的深切“V”型河谷形態(tài)。工程區右岸為順向邊坡，在地貌上為臺階狀且呈陡緩相間分布。地下廠(chǎng)房洞室群工程區地質(zhì)條件復雜，巖體強度相對較低，初始應力高，f13，f14，f18三大斷層和煌斑巖脈橫穿地下廠(chǎng)房區。根據施工期現場(chǎng)監測和物探資料等綜合判讀，廠(chǎng)房洞室群變形以及松弛圈深度與同類(lèi)埋深和規模的地下廠(chǎng)房相比，普遍偏大，且支護如錨桿和錨索)載荷超載比例相對較高，所呈現出的圍巖這些變形特征與力學(xué)行為超出現有的工程經(jīng)驗，而這些與廠(chǎng)區初始應力場(chǎng)分布以及地下廠(chǎng)房位置關(guān)系密切。所以，識別廠(chǎng)區初始應力場(chǎng)分布規律是解譯施工期圍巖大變形破壞現象的`基礎和依據。
錦屏一級水電站地下廠(chǎng)房的主洞室距河岸坡水平距離較近，受深切河谷地應力場(chǎng)影響明顯，具有典型的代表性。另外，由高地應力、中等強度巖石條件、不良地質(zhì)體發(fā)育及地下廠(chǎng)房布置交互作用所誘發(fā)的一系列工程問(wèn)題尚需進(jìn)一步探討。鑒于此，本文針對深切河谷水電站地下廠(chǎng)房區初始應力空間分布及與洞室群布置相對關(guān)系識別問(wèn)題，結合深切河谷歷史發(fā)展過(guò)程分析、應力張量空間解析法和多核并行計算技術(shù)等，將復雜地質(zhì)環(huán)境下三維地應力場(chǎng)模型與洞室群精細開(kāi)挖計算模型相耦合，提出了考慮河谷演化規律的廠(chǎng)址區地應力場(chǎng)量化精細數值模型的建立方法和分析思路;運用上述模擬分析方法和層狀巖體力學(xué)模型，以錦屏一級水電站地下廠(chǎng)房為工程研究對象，通過(guò)廠(chǎng)房區地質(zhì)構造以及河谷演化規律的解讀，對廠(chǎng)址初始應力場(chǎng)規律進(jìn)行識別，建立了廠(chǎng)址區初始應力場(chǎng)量化精細數值模型，后續地下廠(chǎng)房洞室群大規模三維計算結果及現場(chǎng)圍巖變形破壞規律驗證了初始應力場(chǎng)量化模型的合理性。在此基礎上，對深切河谷區水電站大型地下廠(chǎng)房洞室群布置設計進(jìn)行探討。本文的一些認識或建議可為我國西部類(lèi)似工程設計和建設提供借鑒。
2 河谷應力場(chǎng)模擬方法與分析思路
2.1 河谷應力場(chǎng)模擬中一些問(wèn)題分析及解決途徑
在進(jìn)行河谷初始應力場(chǎng)模擬時(shí)，合理考慮河谷演化過(guò)程中的卸荷效應對正確評價(jià)高山峽谷區地應力場(chǎng)的分布狀態(tài)是必要的。為此，需要考慮 4 個(gè)假設：(1) 假設河谷形成前的遠古地形相對平坦，即河谷形成前的原始地應力場(chǎng)與一般平坦地區的地應力場(chǎng)基本相同，主應力分量中的2 個(gè)基本水平、一個(gè)垂直，其中垂直主應力大小與巖體自重相當，最大主應力方向保持與工程區最大壓應力方向一致;(2) 遠古時(shí)期巖體原始地應力場(chǎng)由巖體自重應力和構造應力組成，構造運動(dòng)在河谷發(fā)育演化前完成;(3) 工程區巖體中現存地應力場(chǎng)主要是在遠古原始地應力場(chǎng)條件下，經(jīng)過(guò)長(cháng)期區域性地表剝蝕下切、河流侵蝕等河谷演化作用形成;(4) 河谷淺部巖體力學(xué)特性在歷史上與現今邊坡深部巖體力學(xué)特性基本相同。
2.2 考慮河谷演化的地應力場(chǎng)模擬方法實(shí)施步驟
具體步驟可以歸納為：
(1) 對資料進(jìn)行收集和整理，分析前期探硐變形破壞資料(或施工過(guò)程中的地下洞室變形破壞資料)和鉆孔巖芯餅化資料等，解譯地下洞室應力型變形破壞現象及其發(fā)生規律等。
(2) 對實(shí)測地應力分析，主要包括對研究區地應力場(chǎng)的宏觀(guān)分析，初步判斷區域地應力場(chǎng)方位和量值;同時(shí)采用應力張量空間解析方法對地應力測點(diǎn)應力量值和方位特征進(jìn)行量化分析，對地應力測試數據進(jìn)行解讀。
(3) 對河谷演化過(guò)程分析，論證河谷侵蝕下切的演化模式，并根據河床與河谷兩岸形成地階梯狀階地，確定河谷侵蝕下切分層數量和厚度，建立考慮河谷演化過(guò)程的計算模型。
(4) 考慮河谷演化規律的數值計算模型邊界條件反演：在計算模型邊界條件反演分析時(shí)，可采用映射網(wǎng)絡(luò )+數值計算方法或者優(yōu)化方法+數值計算方法等反演方法。
(5) 初始應力場(chǎng)模擬的正算模擬分析：將邊界條件代入計算模型中進(jìn)行正算，根據 3 個(gè)約束條件判斷正算結果的合理性，如果合理，停止計算;如果不合理，返回第(4)步，重新設置邊界條件范圍，至到獲得合理的初始應力場(chǎng)。最后，在獲得的合理初始應力場(chǎng)的基礎上，分析工程區的地應力場(chǎng)空間分布規律以及工程開(kāi)挖形成的二次應力擾動(dòng)規律。
3 工程區構造地質(zhì)及河谷的演化規律
3.1 地質(zhì)構造背景分析
根據現今活動(dòng)斷裂構造的分布格局，錦屏一級水電站工程區位于“川滇菱形斷塊”東部，該斷塊由安寧河斷裂帶、鮮水河斷裂帶、金沙江—紅河斷裂帶和則木河—小江斷裂帶等多期繼承性活動(dòng)的斷裂帶所圍。由于歐亞板塊受印度洋板塊強烈地推擠，導致川滇菱形斷塊向南東方向不斷推移，同時(shí)青藏高原急劇抬升，強烈的水平剪切錯動(dòng)在各邊界的斷裂帶發(fā)生，是形成現代地震活動(dòng)發(fā)震構造的主因。工程區的三灘向斜總體上為 NNE 向，而在平面上展布為舒緩的“S”型。該向斜平均寬度約為 2 km，其長(cháng)度約為 15 km，控制著(zhù)工程區巖層的產(chǎn)狀及其空間分布，導致壩區部位的向斜翼部地層向左岸傾斜，其平均產(chǎn)狀約為 N30°E，NW∠35°。
3.2 河谷演化規律分析
錦屏一級水電站工程區地貌上右岸呈陡緩相間的臺階狀，該區域的現代地形和地貌是在喜山運動(dòng)作用下演化而來(lái)的。根據工程區的地形和地貌發(fā)育特征，可以大體上將工程區河谷地形和地貌的演化階段，劃分為 3 個(gè)主要演化時(shí)期，即準平原期、寬谷期以及峽谷期。其中在準平原期，現今工程區所存留的一級夷平面為在上新世準平原時(shí)期被抬升、解體而成的夷平面;而在寬谷期，隨著(zhù)青藏高原的抬升和川滇菱形斷塊向東擠出，發(fā)育成寬谷，河流縱比降小;在峽谷期，出現 VII 和 VI 級階地，形成典型的高山峽谷地貌。
4 地下廠(chǎng)房區初始應力場(chǎng)識別
4.1 地下廠(chǎng)房工程概況
錦屏一級水電站引水發(fā)電系統的地下洞室群主要包括引水隧洞、主廠(chǎng)房(包括副廠(chǎng)房、安裝間等)、母線(xiàn)洞、主變室、尾水管、尾水調壓室和尾水洞等約40 個(gè)洞室，其中的三大洞室如主廠(chǎng)房、主變室和尾調室呈平行布置(見(jiàn)圖 4[13])，主洞室縱軸線(xiàn)方位為N65°W，主廠(chǎng)房全長(cháng)約 277 m，開(kāi)挖高度 68.80 m，吊車(chē)梁以上開(kāi)挖跨度28.90m，以下開(kāi)挖跨度25.60m;主機間的尺寸為 204.52 m×25.90 m×68.80 m(長(cháng)×寬×高)，頂拱的高程為 1 675.10 m。主變室位于主廠(chǎng)房下游，廠(chǎng)房和主變室之間的巖柱厚度為45m，主變室的尺寸為197.10 m×19.30 m×32.70 m(長(cháng)×寬×高)，頂拱的高程 1 679.20 m。
4.2 地應力實(shí)測結果分析
根據廠(chǎng)房布置方案，地應力測點(diǎn)主要布置在相應平洞中，采用孔徑法多組測試成果。采用全空間赤平投影方法和平面投影應力解析對廠(chǎng)址區 7 組地應力測點(diǎn)的應力張量特征進(jìn)行量化分析，并與前期勘探平硐變形破壞現象的力學(xué)定性分析成果進(jìn)行對比研究和論證，對地應力測試結果進(jìn)行解析(見(jiàn)圖 7，其中圓圈、方塊、菱形分別表示第一、二、三主方向單位矢量，投影平面應力橢圓中長(cháng)軸為最大主應力，短軸為最小主應力)。將地應力實(shí)測值轉換到計算坐標系下，獲得了廠(chǎng)區地應力測點(diǎn)平面主應力比值和應力矢量特征角。
5 初始應力場(chǎng)分布規律及驗證
對所獲得的廠(chǎng)址區地應力場(chǎng)量化精細模型進(jìn)行解讀，該區域地應力場(chǎng)的總體特征：工程區的地應力場(chǎng)分布受河谷演化和斷層及煌斑巖脈的雙重影響，從宏觀(guān)上可以分為 5 個(gè)區域，主要包括河谷底部的應力集中區、岸坡淺表層的應力卸荷區、巖體深部的原巖應力區、應力卸荷區和原巖應力區之間的應力過(guò)渡區以及斷層等構造影響的斷層應力影響區。
6 對地下廠(chǎng)房布置的一些思考
我國西部修建的水電站地下廠(chǎng)房主洞室(跨度在 30 m 左右，高跨比平均約 2.35)因裝機規模大而超過(guò)一般主洞室，且洞室地應力高、地質(zhì)條件復雜，給高地應力區地下廠(chǎng)房洞室群布置設計提出了新的挑戰。工程實(shí)踐表明，最大主應力以及規模較大結構面(如斷層、錯動(dòng)帶等)是廠(chǎng)房洞室群布置需要考慮的主導因素[16]。所以，在常規的水電站地下廠(chǎng)房洞室群布置設計理念中，通常要求主洞室軸線(xiàn)與最大主應力成較小夾角，與結構面呈較大夾角[17-19]。目前的深切河谷區地下廠(chǎng)房布置也遵循了這一設計理念。然而，諸如上述的錦屏一級水電站等深切河谷區大型地下廠(chǎng)房在施工過(guò)程中，洞室開(kāi)挖卸荷后出現了較為嚴重的圍巖變形破壞現象(如圍巖松弛卸荷深度大、圍巖大變形、時(shí)效顯著(zhù)等)，增加了工程技術(shù)上的風(fēng)險，威脅著(zhù)工程的安全。從圍巖變形破壞的機制來(lái)看，巖石強度應力比、三維地應力場(chǎng)等成為影響深切河谷區大型地下廠(chǎng)房洞室群安全的關(guān)鍵因素[8]。所以，在深切河谷區地下廠(chǎng)房洞室群結構布置設計時(shí)，除應考慮常規洞室群布置的基本要求外，尚需考慮巖石強度應力比和三維地應力場(chǎng)的影響。在對深切河谷區地應力場(chǎng)分布規律認識的基礎上，建議一種基于三維地應力、巖體結構特征和巖石強度應力比的深切河谷區地下廠(chǎng)房洞室群布置設計方法。
7 結 論
本文依托錦屏一級水電站地下廠(chǎng)房工程，在工程區地質(zhì)構造和河谷演化規律分析的基礎上，建立了廠(chǎng)址區地應力場(chǎng)量化模型并識別了初始應力場(chǎng)規律，并在此基礎上，對深切河谷高地應力區地下廠(chǎng)房洞室群布置設計方面提出了一些認識和建議，主要的一些認識如下：
(1) 本文給出的考慮河谷演化規律的地應力場(chǎng)模擬方法和具體實(shí)施步驟，可用于解決地應力張量空間分布特征及其與洞室群布置相對關(guān)系的問(wèn)題;同時(shí)利用多核并行計算技術(shù)，將復雜地質(zhì)環(huán)境下三維地應力場(chǎng)模型與洞室群精細開(kāi)挖計算模型相耦合，建立地下廠(chǎng)房地應力場(chǎng)量化精細計算模型的研究方法，為水電站地下廠(chǎng)房洞室群地應力場(chǎng)量化模型的建立提供了一種新思路。
(2) 在建立的廠(chǎng)址區地應力場(chǎng)量化模型基礎上，劃分了河谷初始應力場(chǎng)不同區域，結果表明，錦屏一級地下廠(chǎng)房洞室群位于深切河谷附近應力變化較大且應力水平相對較高的應力過(guò)渡區，該區的初始高地應力環(huán)境是源于河谷地應力場(chǎng)與斷層等構造的耦合作用，巖石強度應力比為 1.5～3.0，主應力比為 1.9～2.5。在這種高地應力–低強度應力比且高主應力比聯(lián)動(dòng)效應下，在主廠(chǎng)房和主變室等主洞室圍巖中出現的大變形分布范圍及卸荷松弛深度超過(guò)同等規模的地下廠(chǎng)房洞室群。而施工期地下廠(chǎng)房洞室出現的諸多應力型的變形破壞模式的出現位置和分布特征，則佐證了反演出的廠(chǎng)址初始應力場(chǎng)的合理性，同時(shí)也驗證了所給出的考慮河谷演化規律地應力場(chǎng)模擬方法的科學(xué)性和可行性。
(3) 在對高地應力區三維地應力場(chǎng)特征認識和錦屏一級等水電站地下廠(chǎng)房工程實(shí)踐的基礎上，提出了一種考慮三維地應力、巖石強度應力比和巖體結構特征的高山峽谷高地應力區地下廠(chǎng)房洞室群結構布置設計方法，本質(zhì)上體現了地下洞室群荷載特征(三維地應力)、圍巖結構特征及承載能力(巖石強度)等因素的協(xié)同耦合作用，不僅兼容了傳統布置設計要求，同時(shí)考慮三維地應力特征(不僅考慮最大主應力量值和方位，而且增加考慮地應力場(chǎng)分布、主應力比等)、巖石強度應力比等重要因素。根據這一布置設計方法，從定性角度建議了洞室位置、洞室縱軸線(xiàn)、洞室間距和洞型等確定的一些原則和思路。
目前，尚未見(jiàn)針對高地應力環(huán)境中水電站地下廠(chǎng)房洞室群布置設計方面較為系統的研究成果。本文也僅僅根據已有研究成果和工程實(shí)踐對高地應力區地下廠(chǎng)房洞室群布置提出一些定性的思考和建議，下一步尚需針對巖石強度應力比、主應力比等指標提出具體量值，定量化開(kāi)展高地應力區地下廠(chǎng)房洞室群結構布置的研究。
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