復(fù)雜地質(zhì)條件下洞室圍巖初始地應(yīng)力場研究

馮樹榮，蔣中明，趙海斌

復(fù)雜地質(zhì)條件下洞室圍巖初始地應(yīng)力場研究

馮樹榮1，蔣中明2，趙海斌1

（1.中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，長沙 410014；2.長沙理工大學(xué)水利工程學(xué)院，長沙 410004）

初始地應(yīng)力場的確定是地下洞室穩(wěn)定性評價(jià)的基礎(chǔ)。在對現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力資料分析的基礎(chǔ)上，研究了斷層等地質(zhì)構(gòu)造對初始地應(yīng)力場分布的影響機(jī)理，指出巖體變形模量比是影響應(yīng)力的關(guān)鍵因素之一。研究了能反映斷層引起應(yīng)力釋放效應(yīng)的初始地應(yīng)力場反演分析的變剛度方法?？紤]與不考慮斷層影響情況下的某工程初始地應(yīng)力場的計(jì)算結(jié)果和實(shí)測結(jié)果對比表明，考慮斷層影響的結(jié)果與實(shí)測結(jié)果更接近，從而證明了斷層應(yīng)力釋放效應(yīng)作用及基于巖體變剛度的初始地應(yīng)力反分析方法的合理性。

地下洞室；初始地應(yīng)力場；變剛度；構(gòu)造應(yīng)力釋放效應(yīng)

1 研究背景

初始地應(yīng)力（場）是地下空間穩(wěn)定性及變形分析研究的基礎(chǔ)內(nèi)容之一。地下洞室穩(wěn)定性的合理評價(jià)及加固措施的合理選擇，都取決于是否提供了一個(gè)正確的地應(yīng)力場。從地質(zhì)年代來看，地應(yīng)力是隨空間、時(shí)間而變化的非穩(wěn)定場。從工程建設(shè)角度看，初始應(yīng)力場可視為忽略時(shí)間因素的相對穩(wěn)定應(yīng)力場［1］。

研究區(qū)地應(yīng)力在空間上的分布取決于歷次構(gòu)造運(yùn)動所產(chǎn)生的應(yīng)力，地殼升降運(yùn)動引起的加荷、卸荷，巖漿活動的溫差應(yīng)力，巖體物理力學(xué)性質(zhì)的變化等都可以導(dǎo)致地應(yīng)力場分布發(fā)生重大改變。

國內(nèi)外大量的地應(yīng)力測量結(jié)果表明，不論斷層構(gòu)造規(guī)模大小，都能對其附近的應(yīng)力狀態(tài)產(chǎn)生一定的影響，且這種影響十分復(fù)雜［2－4］。文獻(xiàn)［2－4］研究成果也表明，斷層規(guī)模是影響斷層附近應(yīng)力場的重要因素，規(guī)模越大，其對地應(yīng)力大小和方向的影響越大，應(yīng)力場的擾動范圍與斷層的幾何尺寸密切相關(guān)。文獻(xiàn)［5］應(yīng)用有限元方法研究了斷層及周圍巖石的力學(xué)性質(zhì)彈性模量和泊松比、斷層幾何形態(tài)及區(qū)域應(yīng)力場對其附近地應(yīng)力場的影響，指出巖體斷層附近巖體應(yīng)力的變化與斷層變形模量和周圍巖體變形模量的比值變化相關(guān)。文獻(xiàn)［6］采用二次計(jì)算方法，對研究區(qū)主要斷層對初始地應(yīng)力的影響進(jìn)行了對比研究。研究表明考慮斷層影響的二次計(jì)算可以改善初始地應(yīng)力場，減小計(jì)算相對誤差。文獻(xiàn)［7］也研究了應(yīng)用數(shù)值模擬技術(shù)模擬構(gòu)造裂縫對地應(yīng)力場的影響。巖體初始地應(yīng)力場反演的方法很多，眾多的文獻(xiàn)對此進(jìn)行了大量的研究［8－9］。結(jié)合這些反演分析方法，在地應(yīng)力場反演過程中，可以通過調(diào)整數(shù)值模型中不同區(qū)域的變形模量來反映斷層應(yīng)力釋放效應(yīng)。

2 工程實(shí)測初始地應(yīng)力資料分析

為了解溧陽抽水蓄能電站地下廠房洞室區(qū)的地應(yīng)力分布及量值，選擇在廠區(qū)勘探的平洞PD5－2中2個(gè)鉆孔內(nèi)采用水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力測試，測試成果見表1。成果表明：廠區(qū)地應(yīng)力量級較低，最大平面主應(yīng)力為4.3～6.3 MPa，方位角為NW向（332°～350°）；最小平面主應(yīng)力為3.3～4.6 MPa。為了較準(zhǔn)確地獲得斷層部位的地應(yīng)力大小，在水壓致裂試驗(yàn)過程中，根據(jù)鉆孔巖芯情況，試驗(yàn)時(shí)，將上、下2個(gè)封隔器分別置于斷層兩側(cè)相對完整的巖體中，以保證測試得到的結(jié)果是對斷層性能的真實(shí)反映。

表1 水壓致裂法地應(yīng)力測試成果表Table 1 Measured initial geo-stresses by hydrofracturingmethod

一般而言，隨著埋深的增加，巖體中的地應(yīng)力也隨之增加。由于廠房區(qū)斷層發(fā)育，對局部地應(yīng)力場分布產(chǎn)生較大影響。ZK148中高程－74.6 m位置的應(yīng)力小于高程－67.9 m位置的應(yīng)力，ZK149中高程－71.06 m位置的應(yīng)力小于高程－61.21 m位置的應(yīng)力。ZK148在－74.6 m高程附近有F57斷層穿過，ZK149在－71.06 m高程附近有F88斷層穿過。而其他許多工程實(shí)測地應(yīng)力資料表明，當(dāng)?shù)貞?yīng)力測試點(diǎn)位于斷層及其附近時(shí)，地應(yīng)力測試值明顯小于附近相對較完整巖體內(nèi)的地應(yīng)力。這說明在斷層形成過程中，斷層附近巖體內(nèi)應(yīng)力因地質(zhì)構(gòu)造作用，發(fā)生了應(yīng)力釋放效應(yīng)。所以，地應(yīng)力場反演時(shí)，應(yīng)盡可能反映斷層附近巖體的應(yīng)力釋放特性。

3 基于變剛度的初始地應(yīng)力場反分析方法

3.1 荷載調(diào)整法

目前，為研究地質(zhì)構(gòu)造作用對初始地應(yīng)力場的影響，一般采用在工程建設(shè)地點(diǎn)按數(shù)值計(jì)算的需要截取一定范圍，在兩側(cè)施加上某種規(guī)律分布的水平荷載，利用數(shù)值分析方法求這一水平分布荷載及重力場作用下的應(yīng)力場。由于施加的邊界荷載不可能一蹴而就，因此對邊界荷載需要進(jìn)行逐步調(diào)整，直到數(shù)值分析方法求得的應(yīng)力場在給定的幾個(gè)觀測點(diǎn)位置處等于或接近地應(yīng)力的觀測值，則認(rèn)為所擬合的應(yīng)力場可代表研究區(qū)的初始地應(yīng)力場。當(dāng)然也可以用重力場作為基本荷載以考慮地形的影響，在此基礎(chǔ)上，再加上水平力調(diào)整項(xiàng)，對于主要是由重力及地形條件的作用形成的地應(yīng)力場，這一方法可能取得較好的結(jié)果。

構(gòu)造應(yīng)力的作用是通過在邊界上施加單位力p或位移u來實(shí)現(xiàn)。但反映構(gòu)造運(yùn)動作用力的最終值取決于p或u與相應(yīng)回歸系數(shù)的乘積。P和u的分布，可以是均勻的，線性的、二次型的等。當(dāng)計(jì)算域取得足夠大時(shí)，計(jì)算結(jié)果表明：在河谷附近初始地應(yīng)力場的大小和分布規(guī)律與p或u的分布形式無關(guān)。本文研究采用如圖1所示的應(yīng)力邊界。

3.2 BP型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法

圖1 構(gòu)造初始地應(yīng)力場的邊界模式Fig.1 Boundary mode for the simulation of initial tectonic stress

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型選擇采用BP（Back Propagation）網(wǎng)絡(luò)模型。BP網(wǎng)絡(luò)模型是把一組樣本的輸入、輸出變成非線性優(yōu)化問題，使用優(yōu)化方法中最普遍的梯度下降法，用迭代運(yùn)算求權(quán)，加入隱節(jié)點(diǎn)可使優(yōu)化問題的可調(diào)參數(shù)增加，從而可以逼近精確解。如果輸入層有n個(gè)神經(jīng)元，輸出層有m個(gè)神經(jīng)元，則網(wǎng)絡(luò)是從n維歐氏空間到m維歐氏空間的映射。通過調(diào)整BP網(wǎng)絡(luò)中的連接權(quán)值、網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模（包括n，m和隱層節(jié)點(diǎn)數(shù)），就可以實(shí)現(xiàn)非線性分類、預(yù)測等問題，并且能以任意精度逼近任何非線性函數(shù)。BP網(wǎng)絡(luò)通過對簡單的非線性函數(shù)的復(fù)合來完成映射，用這種方法經(jīng)過少數(shù)的幾次復(fù)合就可以得到極為復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系，進(jìn)而可以表達(dá)復(fù)雜的物理世界現(xiàn)象，使得許多實(shí)際問題都可以轉(zhuǎn)為利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來解決。

BP網(wǎng)絡(luò)由輸入層、輸出層及隱含層組成，隱含層可有一個(gè)或多個(gè)，每層由多個(gè)神經(jīng)元組成。當(dāng)信號輸入時(shí)，首先傳到隱節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過作用函數(shù)后，再把隱節(jié)點(diǎn)的輸出信號傳播到輸出層節(jié)點(diǎn)，經(jīng)過處理后輸出結(jié)果。

4 考慮應(yīng)力釋放效應(yīng)的構(gòu)造初始地應(yīng)力場實(shí)例研究

4.1 數(shù)值模型

三維初始地應(yīng)力場模型的計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件見圖2。數(shù)值模型x方向長度為450 m，y方向長度為510 m，模型下邊界高程－180 m，地面最大高程295.6 m。數(shù)值模型中斷層帶按有厚度的實(shí)體單元進(jìn)行建模。地應(yīng)力反演力學(xué)模型為線彈性模型。數(shù)值計(jì)算過程中，斷層帶單元和其它部位圍巖的變形模量采用不同的比例組合進(jìn)行分析，以達(dá)到調(diào)整研究區(qū)不同部位變形剛度法的目的。經(jīng)過大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的測試點(diǎn)地應(yīng)力值見表2。由于實(shí)測地應(yīng)力的坐標(biāo)系與計(jì)算模型坐標(biāo)系不一致，因此需要進(jìn)行地應(yīng)力測值的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格和邊界條件Fig.2 M eshes and boundary conditions of themodel

表2 坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換后的地應(yīng)力測試成果Table 2 M easured data of initial geo-stress through coordinate conversion

4.2 初始地應(yīng)力場反演

通過改變邊界荷載和計(jì)算區(qū)域內(nèi)巖石力學(xué)參數(shù)（斷層和巖體的變形模量和泊松比），利用FLAC3D程序進(jìn)行正分析計(jì)算，可獲得邊界荷載（用于模擬構(gòu)造應(yīng)力的荷載，三角形分布）作用下應(yīng)力值。將計(jì)算應(yīng)力值作為輸入樣本，把對應(yīng)的邊界荷載、廠房區(qū)圍巖和斷層力學(xué)參數(shù)作為輸出向量T，然后采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法進(jìn)行反分析，即可獲得構(gòu)造初始地應(yīng)力場模擬的邊界荷載、圍巖和斷層的力學(xué)參數(shù)。鑒于初始地應(yīng)力場反演分析過程的文獻(xiàn)已經(jīng)很多，故對反演過程不再重復(fù)。

4.3 初始地應(yīng)力場反演結(jié)果分析

將反演分析得到的水平邊界荷載和材料參數(shù)施加到建立的三維數(shù)值分析模型中進(jìn)行正分析，可得到巖體構(gòu)造初始地應(yīng)力場的分布結(jié)果。表3和表4分別給出了考慮斷層影響和不考慮斷層影響情況下5個(gè)地應(yīng)力實(shí)測點(diǎn)的構(gòu)造初始地應(yīng)力場實(shí)測值與數(shù)值模擬值對比結(jié)果。

由于考慮斷層地應(yīng)力場的影響，5個(gè)實(shí)測點(diǎn)共15個(gè)應(yīng)力點(diǎn)實(shí)測值與模擬值的誤差均小于30%，與不考慮斷層影響情況下（除了ZK149三個(gè)點(diǎn)水平x向的應(yīng)力誤差較大外，其余12點(diǎn)的初始應(yīng)力值平均誤差都較?。┑姆囱莘治鼋Y(jié)果相比，更接近實(shí)測值。表明變剛度法可以更有效模擬斷層引起應(yīng)力釋放效應(yīng)對初始地應(yīng)力場分布的影響。據(jù)國內(nèi)外的統(tǒng)計(jì)資料顯示，初始地應(yīng)力值的測量結(jié)果的誤差達(dá)到25%～30%都可認(rèn)為是合理的。因此上述誤差對于水平應(yīng)力起控制作用的構(gòu)造初始應(yīng)力場來講，也是可以接受的。

初始地應(yīng)力測試點(diǎn)實(shí)測數(shù)值及其位置關(guān)系表明：ZK148中的－74.6 m高程點(diǎn)靠近斷層F57，而ZK148中的－64.38 m以及－71.06 m高程點(diǎn)則靠近斷層F88。2個(gè)應(yīng)力測試孔的初始地應(yīng)力測試值表明：當(dāng)測試點(diǎn)靠近斷層時(shí)，由于受到斷層形成過程中能量釋放的影響，斷層帶及其附近巖體中的應(yīng)力會因斷層構(gòu)造過程中出現(xiàn)的應(yīng)力釋放而在一定程度上有所降低，其應(yīng)力數(shù)值甚至小于埋深比它更淺的部位的巖體初始地應(yīng)力。數(shù)值計(jì)算成果（表3）的數(shù)據(jù)完全可以反映這一現(xiàn)象。

表3 考慮斷層的構(gòu)造初始地應(yīng)力實(shí)測值與數(shù)值解對比Table 3 Com parison between calculated initial tectonic geo-stresses and measured data（in the presence of faults）

表4 不考慮斷層的構(gòu)造初始地應(yīng)力實(shí)測值與數(shù)值解對比Table 4 Com parison of calculated tectonic geo-stress and measured data（in the absence of faults）

圖3（a）和圖3（b）分別為考慮斷層應(yīng)力釋放效應(yīng)和不考慮斷層應(yīng)力效應(yīng)情況下的三維數(shù)值反演第一主應(yīng)力等值分布云圖。

圖3 第一主應(yīng)力等值云圖Fig.3 Contours of first p rincipal stress

由圖可知，巖體中的初始地應(yīng)力分布總體上呈現(xiàn)出隨深度的增加而加大的分布特性。但考慮斷層構(gòu)造引起的應(yīng)力釋放效應(yīng)情況下（圖3（a）），斷層附近巖體的應(yīng)力出現(xiàn)大幅度降低。而不考慮斷層構(gòu)造引起的應(yīng)力釋放效應(yīng)情況下（圖3（b）），巖體中的初始地應(yīng)力分布則不受斷層的影響。由此可見，初始地應(yīng)力場由于考慮斷層影響，斷層附近巖體均明顯出現(xiàn)了一定的應(yīng)力釋放區(qū)。應(yīng)力釋放效應(yīng)對后期地下洞室圍巖變形及穩(wěn)定性數(shù)值分析的結(jié)果將產(chǎn)生重大影響。

5 結(jié) 語

巖體初始地應(yīng)力場的合理確定是巖體開挖工程穩(wěn)定性分析評價(jià)的基礎(chǔ)性工作之一。通過對影響地應(yīng)力大小的因素分布的理論分析和工程現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力資料的研究，得到以下認(rèn)識：

（1）斷層等地質(zhì)構(gòu)造對地應(yīng)力場的分布形態(tài)有重要的影響。斷層附近巖體的構(gòu)造初始地應(yīng)力將因斷層構(gòu)造活動產(chǎn)生應(yīng)力釋放效應(yīng)，導(dǎo)致其初始應(yīng)力值比周圍堅(jiān)硬完整巖體中的初始地應(yīng)力值更低。

（2）結(jié)合構(gòu)造初始地應(yīng)力場的反演分析方法，采用改變斷層及周圍巖體的變形模量比的變剛度方法可以正確合理地模擬斷層應(yīng)力釋放效應(yīng)，且該方法簡單易行。

（3）考慮斷層應(yīng)力釋放效應(yīng)的初始地應(yīng)力場反演分析結(jié)果更加接近于構(gòu)造初始地應(yīng)力場實(shí)測結(jié)果。建議對地下洞室穩(wěn)定性影響較大的斷層進(jìn)行分析時(shí)，應(yīng)考慮斷層構(gòu)造運(yùn)動對圍巖應(yīng)力分布的影響。

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（編輯：姜小蘭）

Initial Geostress Field of the Surrounding Rock of Underground Cavern Under Com plex Geological Condition

FENG Shu-rong1，JIANG Zhong-ming2，ZHAO Hai-bin1
（1.Hydro China Zhongnan Engineering Corporation，Changsha 410014，China；2.School of Hydraulic Engineering，Changsha University of Science＆Technology，Changsha 410004，China）

The determination of initial geo-stress of rock mass is the basis of stability assessment for underground cavern.By analyzing the in-situ measurements of geo-stress，we investigated the effect of geological structure such as fault on the initial geostress distribution，and found that the deformation modulus ratio of the surrounding rock mass is one of themost important factors affecting the initial geo-stress.We also presented a back analysismethod in consideration of the variable stiffnesswhich reflects the stress release induced by faults.The calculation results of initial geostress involving and not involving the effect of fault effect are compared with the measured values，and it’s found that the result considering the fault effect ismore consistentwith themeasured result，which verifies the rationality of thismethod.

underground cavern；initial geo-stress field；variable stiffness；tectonic-stress release effect of fault

TV221.2

A

1001－5485（2012）12－0073－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.12.015 2012，29（12）：73－77

2011－11－4；

2012－2－21

中國水電顧問集團(tuán)科技計(jì)劃項(xiàng)目（2010680）

馮樹榮（1963－），男，江蘇江都人，教授級高級工程師，博士，主要從事巖土工程及水電工程設(shè)計(jì)研究工作，（電話）0731－85073316（電子信箱）fengsr＠m(xù)sdi.cn。

蔣中明（1969－），男，重慶璧山人，教授，博士，主要從事水工巖土工程教學(xué)及科研工作，（電話）0731－85258470（電子信箱）zzmmjiang＠163.com。