金川水電站地下洞室圍巖初始地應(yīng)力分布規(guī)律研究

韓 斌 ,肖 清,丁新潮 , 石廣斌

(1.中國電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大學(xué),西安 710055)

0 前 言

地應(yīng)力是存在于地殼中的原始力，是未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)力[1-2]。大量數(shù)據(jù)顯示地應(yīng)力是引起地下工程變形和破壞的根本作用力，在地下工程建設(shè)中，地應(yīng)力對(duì)開挖巖體的穩(wěn)定性來說具有重要的影響[3-5]。許多研究者認(rèn)為大型地下洞群地應(yīng)力的形成與氣壓、地質(zhì)構(gòu)造、地表腐蝕、地形地貌、巖性等有關(guān)[6]。因此，對(duì)水電站地下廠房洞室群布置區(qū)域開展地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，用數(shù)值方法進(jìn)一步分析洞址區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，可為大型水電站地下洞室群布置和開挖施工以及圍巖穩(wěn)定性支護(hù)參數(shù)確定提供可靠的原始資料[7]。

目前地應(yīng)力測(cè)量方法有很多[8-10]，其中水壓致裂法已在深孔地應(yīng)力測(cè)量中被廣泛應(yīng)用[11-13]。即將修建的大渡河金川水電站地下發(fā)電洞室群由地下廠房尺寸為183.5 m×25.8 m×65.25 m(長(zhǎng)×寬×高)，主變洞為117.2 m×16.5 m×30.8 m(長(zhǎng)×寬×高)、尾閘室及其若干條輔助隧洞(洞室)組成，洞室群規(guī)模較大，洞址區(qū)的巖性為上三疊統(tǒng)雜谷腦組中厚層砂巖與極薄層板巖、千枚巖，洞室群埋深約90～200 m。為了揭示洞室圍巖區(qū)初始地應(yīng)力分布規(guī)律，本文采用水壓致裂法對(duì)巖體初始地應(yīng)力進(jìn)行量測(cè)，通過有限元軟件Midas建立大范圍三維有限元模型，計(jì)算分析初始地應(yīng)力場(chǎng)分布量級(jí)和規(guī)律，為地下洞群布置和開挖支護(hù)參數(shù)的確定提供可靠的原始資料。

1 初始地應(yīng)力場(chǎng)量測(cè)

1.1 初始地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)布置

金川水電站大型地下發(fā)電洞室群擬建在左岸巖體中，三維地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)布置在地下廠房勘探平硐PD1中，PD1探洞深入左岸巖體約120～180 m，垂直埋深130～170 m，硐底高程約2 166.00 m。由外向內(nèi)依次布置1、2、3號(hào)測(cè)點(diǎn)。3處測(cè)點(diǎn)距地表垂直距離分別為128.8、176.0、179.7 m；離地表最近水平距離分別為86.0、164.0、238.0 m，測(cè)點(diǎn)均由深度35 m、直徑76 mm的3個(gè)空間交匯的鉆孔(1個(gè)垂直孔和2個(gè)水平孔)組成，測(cè)點(diǎn)處圍巖地層巖性為雜谷腦組上段T3z2(3)、T3z2(4)巖組的淺灰色中厚層～厚層狀變質(zhì)細(xì)砂巖夾薄層狀變質(zhì)細(xì)砂巖，微風(fēng)化～新鮮巖體。地應(yīng)力量測(cè)點(diǎn)平面布置如圖1所示。

1.2 初始地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

用水壓致裂法測(cè)得的3個(gè)測(cè)點(diǎn)的初始地應(yīng)力值見表1。3個(gè)量測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力最大值為7.61 MPa，主應(yīng)力σ1、σ2、σ3平均值分別為6.36、3.69、2.88 MPa，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.10、0.33、0.2。

2 洞室圍巖區(qū)地應(yīng)力特征分析

由表1可知，3個(gè)測(cè)點(diǎn)第1主應(yīng)力方位均為SW向，而第2和第3主應(yīng)力方位差異較大。3處測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力傾角均較緩，表明測(cè)點(diǎn)附近以水平方向的構(gòu)造應(yīng)力為主，而1、2號(hào)測(cè)點(diǎn)處中間主應(yīng)力傾角較大，表明測(cè)點(diǎn)附近受到構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力的聯(lián)合作用，3號(hào)測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力傾角最大，表明測(cè)點(diǎn)附近構(gòu)造應(yīng)力占主導(dǎo)地位，自重應(yīng)力影響不明顯。

表1 三維應(yīng)力量測(cè)結(jié)果

大地直角坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量與側(cè)壓力系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表2，南北(SN)方向側(cè)壓力系數(shù)取0.69～0.85，平均為0.77；東西(EW)方向側(cè)壓力系數(shù)取1.03～1.28，平均為1.19。側(cè)壓力系數(shù)與測(cè)點(diǎn)埋設(shè)和水平進(jìn)深關(guān)系見圖 2和圖3，測(cè)點(diǎn)水平進(jìn)深是指測(cè)點(diǎn)到地表的最近水平距離。南北向側(cè)壓力系數(shù)隨著埋深和水平進(jìn)深增加而增加；東西方向側(cè)壓力系數(shù)，在靠近岸邊近距離時(shí)，是隨著埋深和水平進(jìn)深增加而增加，再往岸里卻轉(zhuǎn)變成隨著埋深和水平進(jìn)深增加而呈現(xiàn)降低趨勢(shì)。

表2 測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力分量

3 洞室圍巖區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布反演分析

3.1 計(jì)算分析模型構(gòu)建

根據(jù)地形地貌和建筑物布置，以地下洞室群為中心確定計(jì)算區(qū)域，三維模型的X軸為東西向(EW)，指向上游墻，與廠房縱軸線垂直；Y軸為SN，與廠房縱軸線重合，指向右端墻；Z軸為豎向，指向上為正。整個(gè)模型計(jì)算范圍東西長(zhǎng)1 000 m，南北長(zhǎng)900 m，垂直距離570 m。計(jì)算假設(shè)原始地面為平邑面，在大地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，高山隆起，河谷下切，形成現(xiàn)在地形地貌地形三維模型見圖4,其中幾何三維模型見圖4(a),模型單元網(wǎng)格見圖4(b)。

計(jì)算分析時(shí)巖體容重取26.0 kN/m3，泊松比取0.25。

3.2 計(jì)算技術(shù)方法

三維初始地應(yīng)力場(chǎng)采用分期開挖方式進(jìn)行反演擬合，反演擬合的初始地應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)符合下列2條原則：① 計(jì)算的初始應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)保持在實(shí)測(cè)點(diǎn)處與實(shí)測(cè)應(yīng)力值基本保持一致，保證主要建筑物處的點(diǎn)吻合；② 計(jì)算的初始應(yīng)力場(chǎng)應(yīng)符合地形、地貌和地質(zhì)條件等因素對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響，即保證地應(yīng)力場(chǎng)基本吻合。通過改變模型的邊界條件，使模型計(jì)算范圍內(nèi)的測(cè)量點(diǎn)處的計(jì)算應(yīng)力值與實(shí)際測(cè)點(diǎn)處的應(yīng)力量測(cè)值達(dá)到最佳擬合狀態(tài)。反演分析詳細(xì)流程見圖5。

3.3 自重地應(yīng)力場(chǎng)

由三維有限元數(shù)值法計(jì)算得出的地下洞群巖體整體剖面應(yīng)力分布如圖6，巖體自重產(chǎn)生的高程2 166.00 m剖面應(yīng)力分布如圖7，水平地應(yīng)力較小。由于地下洞室群布置位置的地面高程為2 250.00～2 380.00 m，地勢(shì)為南高北低，東高西低，廠房洞室地表高程為2 330.00(副廠房端)～2 380.00 m(安裝間端)，距離洞頂高程2 186.25 m，垂直距離約為144.0～194.0 m；主變室地表高程為2 270.00～2 345.00 m，距離洞頂高程2 182.10 m，垂直距離約為88.0～163.0 m；尾閘室地表高程為2 250.00～2 335.00 m，距離洞頂高程2 184.00 m，垂直距離約為66.0～151.0 m，受此地形地勢(shì)影響，三大洞室即主廠房、主變室、尾閘室在豎直方向上，洞室左端應(yīng)力值要比右端應(yīng)力值高1.0～3.0 MPa。三維模擬計(jì)算得出地應(yīng)力測(cè)量處的垂直應(yīng)力為3.50～5.23 MPa，此值與量測(cè)的垂直應(yīng)力σz=3.79～4.69 MPa基本一致，但水平正應(yīng)力的側(cè)壓力系數(shù)為0.3～0.40，與由初始地應(yīng)力量測(cè)結(jié)果得出的側(cè)壓力系數(shù)相比，具有明顯差異，由此可看出，自重應(yīng)力不是形成洞址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布的唯一影響因素。

3.4 地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

考慮巖體自重和構(gòu)造作用，地下洞群整體剖面應(yīng)力分布如圖8，高程2 166.00 m剖面應(yīng)力分布見圖9。從圖9中可以看出，計(jì)算值應(yīng)力分布趨勢(shì)與量測(cè)值分布趨勢(shì)是基本一致的。數(shù)值模擬計(jì)算得到的正應(yīng)力值與實(shí)測(cè)正應(yīng)力結(jié)果對(duì)比如表3。由計(jì)算值得出測(cè)量點(diǎn)處的南北方向側(cè)壓力系平均值為0.86，比量測(cè)值的0.77大11.68%;東西方向側(cè)壓力系數(shù)平均值為1.27, 比量測(cè)值的1.19大6.7%。按照F檢驗(yàn)法，計(jì)算值與量測(cè)值之間無顯著差異, 因此，反演分析得出地應(yīng)力場(chǎng)能夠反映實(shí)際洞址區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律和量值，可以作為后期圍巖穩(wěn)定分析原始基礎(chǔ)資料。

表3 計(jì)算值與量測(cè)值比較

地下洞室群圍巖附近的初始地應(yīng)力場(chǎng)中的垂直洞室群高邊墻水平正應(yīng)力范圍為4.58～7.68 MPa，平行洞縱軸線方向的水平正應(yīng)力范圍為3.07～5.20 MPa，豎直方向應(yīng)力范圍為2.95～7.11 MPa。主應(yīng)力為σ1=5.81～8.38 MPa,σ2=3.62～6.52 MPa,σ3=1.20～4.44 MPa。參照GB 50287-2006《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》，廠區(qū)原始初始地應(yīng)力屬于低應(yīng)力地區(qū)。

4 結(jié) 論

(1) 金川水電站地下洞室?guī)r體水平應(yīng)力以構(gòu)造作用為主，豎向應(yīng)力以覆巖體重力作用為主，南北方向側(cè)壓力系數(shù)取0.69～0.85，東西方向側(cè)壓力系數(shù)取1.03～1.28；地下洞室圍巖的最大主應(yīng)力量值為5.81～8.31 MPa，屬于低應(yīng)力地區(qū)。

(2) 用F檢驗(yàn)法驗(yàn)證了三維有限元反演初始地應(yīng)力場(chǎng)在地應(yīng)力測(cè)量點(diǎn)處的計(jì)算值與量測(cè)值之間無顯著差異，反演分析得出地應(yīng)力場(chǎng)能夠反映實(shí)際洞址區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律和量值，可以作為后期洞室開挖圍巖穩(wěn)定分析原始基礎(chǔ)資料。