江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場三維數(shù)值反演分析

周洪福，王春山，聶德新，陳正峰（.中國地質調查局成都地質調查中心，四川成都 6008；.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 60059；.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 6005）

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江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場三維數(shù)值反演分析

周洪福1，王春山1，聶德新2，陳正峰3
（1.中國地質調查局成都地質調查中心，四川成都 610081；2.成都理工大學環(huán)境與土木工程學院，四川成都 610059；
3.中國建筑西南勘察設計研究院有限公司，四川成都 610052）

摘要：在對江坪河水電站區(qū)域地應力場特征進行實測分析的基礎上，通過對三維模型施加不同的邊界載荷，對比分析應力擬合點處的計算應力與實測應力，采用三維數(shù)值分析方法對水電工程壩址區(qū)初始地應力場進行反演分析。結果表明：江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場量值較低，最大主應力為2. 5 MPa，方向為N45°W；最小主應力為1. 5 MPa，方向為N45°E。應力擬合點處應力計算值與實測值較為接近，表明反演得到的壩址區(qū)初始地應力場是合理的，符合壩址區(qū)地質構造歷史背景。

關鍵詞：初始地應力場；三維數(shù)值分析；反演分析；邊界載荷調整法；江坪河水電站

巖體初始應力場是巖體變形與穩(wěn)定分析、工程設計與施工的主要依據(jù)之一，也是進行圍巖穩(wěn)定性分析的前提[1]。由于巖體初始地應力場的形成與諸多因素有關，其中絕大多數(shù)因素至今仍不能精確獲知，如何準確反映工程中巖體初始地應力場是一個重要課題[2-3]。了解地應力場最直接的方法是實測法，但受時間、經(jīng)費、技術等條件的限制不可能進行大量現(xiàn)場測試；另一方面，地應力場受各種外在因素影響較多，現(xiàn)場測量結果在很大程度上只能反映測量點附近的局部應力場[4]，并且測量結果有一定的離散性。為彌補現(xiàn)場實測方法的不足，許多學者采用不同方法從不同角度對地應力場進行了反演分析，取得了較多的研究成果[5-13]。但這些研究多采用地應力場回歸反演分析法、應力函數(shù)趨勢分析法和有限元數(shù)學模型回歸分析法等，采用邊界荷載調整法進行地應力場反演分析的研究相對較少。對于巖體完整性較好、構造相對不發(fā)育的地區(qū)，邊界載荷調整法不失為一種簡便、可靠的地應力場反演分析方法。筆者在實測地應力場的基礎上，結合地形地質條件，利用三維數(shù)值分析計算方法，采用邊界載荷調整法對江坪河水電站壩址區(qū)小范圍內初始地應力場的量值和方向進行反演分析。

1 工程概況

江坪河水電站位于澧水一級支流溇水河上游，地處湖北鶴峰縣走馬鎮(zhèn)江坪河附近。壩址距走馬鎮(zhèn)16 km，距桑植縣城180 km。電站大壩為混凝土面板堆石壩，正常蓄水位為470 m，最大壩高為219 m，裝機容量為450 MW，庫容為13. 66億m3，工程規(guī)模為大（1）型。工程樞紐由混凝土面板堆石壩、右岸泄水建筑物、左岸引水發(fā)電系統(tǒng)等建筑物組成，是溇水河上游唯一的多年調節(jié)水庫。

江坪河水電站壩址區(qū)地貌形態(tài)以溶蝕峰叢洼地為主，河谷呈“V”字形，枯水期河水位為290 m，谷寬30～50 m，兩岸谷坡坡度50°～55°，局部近直立狀。壩址區(qū)地層巖性為寒武系中統(tǒng)下統(tǒng)灰?guī)r，夾少量白云質灰?guī)r、泥質白云巖、硅質灰?guī)r（圖1），巖溶發(fā)育，呈中厚層巨厚層狀，產(chǎn)狀230°～250°∠10°～15°，巖層走向與河流流向近于正交，傾向上游略偏右岸。統(tǒng)計結果表明，壩址區(qū)優(yōu)勢斷裂主要有3組，第1組為220°～245°∠68°～85°；第2組為335°～358°∠75°～85°；第3組為順層的層間錯動帶。

2 壩址區(qū)地應力場特征

由于江坪河水電站臨近三峽電站和葛洲壩電站，并且屬于同一構造單元（揚子陸塊區(qū)），在缺少大量可靠地應力實測資料的情況下，可以利用這兩個電站的地應力測量結果初步分析江坪河水電站壩址區(qū)地應力場特征。三峽、葛洲壩水電站的地應力測量結果見表1。從表1可以看出，長江科學院采用李曼式解除法測得的三斗坪花崗巖最大主應力為5. 36～10. 30 MPa，平均值為7. 36 MPa；中國科學院采用應變片解除法測得葛洲壩粉砂巖最大主應力僅為0. 78～2. 72 MPa。如果最大主應力接近水平方向，取巖體密度2. 6 g/ cm3，則三斗坪和葛洲壩地區(qū)大致的最大構造應力分別為4. 5～6 MPa和0. 5～2 MPa。這與四川西部、青藏高原東部構造應力場最大主應力大多超過10 MPa的量值比較，三峽和葛洲壩地區(qū)地應力量值較低。

從表1可知，三峽和葛洲壩地區(qū)最大主應力方向為NE和NW方向。由于江坪河水電站區(qū)域主要構造線呈NE方向展布，最大主應力方向應垂直于主要構造，因此江坪河壩址最大主應力方向應為NW向。

表1 三峽和葛洲壩地區(qū)地應力測量結果

3 壩址區(qū)初始地應力場反演分析

3. 1 反演步驟

步驟1 在壩址區(qū)通過平洞選取典型地段進行地應力測量，將測量地點和測量結果分別作為地應力反演分析的應力擬合點和擬合數(shù)值。

步驟2 充分考慮三維計算的精度、邊界效應，盡量將應力擬合點置于模型中部，建立地應力場三維反演模型。

步驟3 根據(jù)水電站所在區(qū)域地應力場方向和量值，確定合理的邊界加載方案。

圖1 江坪河水電站壩址區(qū)地層巖性及構造示意圖

步驟4 計算地應力測量點處地應力測量值與計算值之差，測量值與計算值之差最小時的邊界應力值即為合理的初始地應力。

3. 2 應力擬合點的確定

在進行地應力反演分析之前，首先應該確定應力擬合點。分別在PD21號平洞214 m處高程321. 3 m和278. 5 m位置進行2組三維地應力測量，測量結果如下：①高程321. 3 m處σx＝2. 92 MPa，σy＝3. 29 MPa，σz＝5. 4 MPa；②高程278. 5 m處σx＝3. 6 MPa，σy＝4. 17 MPa，σz＝6. 6 MPa。

測量結果表明，測量點處地應力量值較低，水平方向地應力量值在2. 9～4. 2 MPa之間，這與壩址所在區(qū)域構造應力整體量值較小有關。從地應力測量點所處的位置來看，測量點距離岸坡表部的水平深度和上覆巖層厚度均在200 m以上，受邊坡淺表部風化卸荷作用和地形地貌影響較小，可以作為構造應力場反演的應力擬合點。

3. 3 計算范圍的確定和計算模型的建立

根據(jù)壩址區(qū)地形地貌、巖性以及壩基巖體風化程度（圖1），為消除邊界效應，設計溇水從模型中部通過，建立的地應力反演模型見圖2。圖中x軸垂直河流方向，指向正南；y軸平行河流方向，指向正西；z軸為垂直方向。模型x軸方向長885 m，y軸方向長575 m。考慮到水電站所在區(qū)域地應力方向（最大主應力方向為NW向）和數(shù)值（地應力值整體較低），計算模型的邊界條件如下：模型底面三面約束，根據(jù)區(qū)域地應力場特征，模型南面（右側）和東面（后側）也為約束邊界，模型西面（前側）和北面（左側）為加力邊界。整個計算模型共有12 374個計算單元，55985個計算節(jié)點。根據(jù)邊坡風化情況一共劃分3種材料，分別是微新巖體、弱風化巖體（厚度80～120 m）和強風化巖體（厚度10～30 m），各巖體計算參數(shù)見表2。

圖2 地應力反演模型

表2 巖體有限元計算物理力學參數(shù)

3. 4 邊界載荷方案的選取

根據(jù)三峽、葛洲壩水電站區(qū)域地應力以及江坪河水電站實測地應力資料，江坪河水電站所在區(qū)域地應力量值較低。因此在進行多次邊界應力加載計算分析以后，施加的邊界最大水平主應力分別選取1. 5 MPa、2. 5 MPa、3. 5 MPa，根據(jù)前面分析結果，方向取N45°W；最小水平主應力則選擇0. 5 MPa、1. 0 MPa、1. 5 MPa，垂直最大主應力方向，取N45°E。這樣便可組合形成9種不同的邊界載荷方案，如表3所示。

表3 9種邊界載荷方案

3. 5 反演結果分析

將表3中不同的邊界載荷加載到三維數(shù)值分析模型中，計算PD21號平洞214m處不同高程位置地應力測量點的地應力實測值與計算值之差。由于σz量值變化較?。é襷主要由自重場引起的，與邊界應力的變化關系不大），并且計算值與實測值之差小，不能反映不同加載方案應力測量點處σz的變化情況，因此只對比分析σx和σy在不同加載方案條件下的計算值與實測值之差，計算結果見表4。

表4 不同應力施加方案應力實測值與計算值之差

從表4可以得出以下結論：①不同的加載方案計算得到的σx和σy變化較大。②M6方案計算得到的應力值與實測值之差在2. 34%～9. 09%之間，平均值為5. 59%，是計算值最接近實測值的一個方案；其次是M5方案，應力計算值與實測值之差的平均值為9. 92%，其余加載方案應力計算值與實測值之差的平均值都在10%以上。

根據(jù)區(qū)域地應力場方向以及數(shù)值反演分析結果得到江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場方向和量值：最大主應力σ1＝2. 5 MPa，方向為N45°W；最小主應力σ3＝1. 5 MPa，方向為N45°E。

4 結 論

a.江坪河水電站臨近三峽電站和葛洲壩電站，并且屬于同一構造單元，根據(jù)三峽、葛洲壩水電站地應力測量結果初步分析得出江坪河水電站所在區(qū)域地應力量值較低。根據(jù)區(qū)域構造展布特征，江坪河水電站所在區(qū)域最大主應力方向應為NW向。

b.根據(jù)地應力三維數(shù)值計算結果可知，由于區(qū)域地應力場量值較低，垂直方向應力量值主要受巖體自重影響，受地應力場影響較小。

c.三維數(shù)值反演分析結果表明江坪河水電站壩址區(qū)初始地應力場如下：最大主應力方向為N45°W，數(shù)值為2. 5 MPa；最小主應力方向為N45°E，數(shù)值為1. 5 MPa。

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Three-dimensional numerical inverse analysis of initial geostress field at dam site of Jiangpinghe Hydropower Station/ /

ZHOU Hongfu1，WANG Chunshan1，NIE Dexin2，CHEN Zhengfeng3（1. Chengdu Center，China Geological Survey，Chengdu 610081，China；2. College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3. China Southwest Geotechnical Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610052，China）

Abstract：Based on analysis and measurement of a geostress field at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station，and comparison of calculated and measured stress at the points for stress fitting，inverse analysis of the initial geostress field at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station was conducted using a three-dimensional numerical model with different boundary loading conditions. The results show that the initial geostress is low at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station，the maximum principal stress is 2. 5 MPa and its direction is N45°W，and the minimum principal stress is 1. 5 MPa with a direction of N45°E. There is agreement between the calculated and measured stress at the points for stress fitting，indicating that the initial geostress field at the dam site obtained by inverse analysis is reasonable and conforms to the historical background of the geological structure.

Key words：initial geostress field；three-dimensional numerical analysis；inverse analysis；boundary loading adjustment method；Jiangpinghe Hydropower Station

收稿日期：（2014 09 24 編輯：駱超）

作者簡介：周洪福（1980—），男，高級工程師，博士，主要從事圍巖穩(wěn)定性和地質災害等研究工作。E-mail：zhf800726@163. com

基金項目：國家自然科學基金（40372127）；中國地質調查局國土資源大調查項目（12120114069501）

中圖分類號：TU431

文獻標志碼：A

文章編號：1006 7647（2016）01 0082 04