金川水電站地下洞室圍巖初始地應力分布規律研究

韓 斌 ,肖 清,丁新潮 , 石廣斌

(1.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大學,西安 710055)

0 前 言

地應力是存在于地殼中的原始力，是未受工程擾動的天然應力[1-2]。大量數據顯示地應力是引起地下工程變形和破壞的根本作用力，在地下工程建設中，地應力對開挖巖體的穩定性來說具有重要的影響[3-5]。許多研究者認為大型地下洞群地應力的形成與氣壓、地質構造、地表腐蝕、地形地貌、巖性等有關[6]。因此，對水電站地下廠房洞室群布置區域開展地應力現場實測，用數值方法進一步分析洞址區地應力分布規律，可為大型水電站地下洞室群布置和開挖施工以及圍巖穩定性支護參數確定提供可靠的原始資料[7]。

目前地應力測量方法有很多[8-10]，其中水壓致裂法已在深孔地應力測量中被廣泛應用[11-13]。即將修建的大渡河金川水電站地下發電洞室群由地下廠房尺寸為183.5 m×25.8 m×65.25 m(長×寬×高)，主變洞為117.2 m×16.5 m×30.8 m(長×寬×高)、尾閘室及其若干條輔助隧洞(洞室)組成，洞室群規模較大，洞址區的巖性為上三疊統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初始地應力分布規律，本文采用水壓致裂法對巖體初始地應力進行量測，通過有限元軟件Midas建立大范圍三維有限元模型，計算分析初始地應力場分布量級和規律，為地下洞群布置和開挖支護參數的確定提供可靠的原始資料。

1 初始地應力場量測

1.1 初始地應力測量點布置

金川水電站大型地下發電洞室群擬建在左岸巖體中，三維地應力測點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。由外向內依次布置1、2、3號測點。3處測點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，測點均由深度35 m、直徑76 mm的3個空間交匯的鉆孔(1個垂直孔和2個水平孔)組成，測點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～厚層狀變質細砂巖夾薄層狀變質細砂巖，微風化～新鮮巖體。地應力量測點平面布置如圖1所示。

1.2 初始地應力測量結果

用水壓致裂法測得的3個測點的初始地應力值見表1。3個量測點主應力最大值為7.61 MPa，主應力σ1、σ2、σ3平均值分別為6.36、3.69、2.88 MPa，標準差分別為1.10、0.33、0.2。

2 洞室圍巖區地應力特征分析

由表1可知，3個測點第1主應力方位均為SW向，而第2和第3主應力方位差異較大。3處測點最大主應力傾角均較緩，表明測點附近以水平方向的構造應力為主，而1、2號測點處中間主應力傾角較大，表明測點附近受到構造應力與自重應力的聯合作用，3號測點最小主應力傾角最大，表明測點附近構造應力占主導地位，自重應力影響不明顯。

表1 三維應力量測結果

大地直角坐標系下的應力分量與側壓力系數計算結果見表2，南北(SN)方向側壓力系數取0.69～0.85，平均為0.77；東西(EW)方向側壓力系數取1.03～1.28，平均為1.19。側壓力系數與測點埋設和水平進深關系見圖 2和圖3，測點水平進深是指測點到地表的最近水平距離。南北向側壓力系數隨著埋深和水平進深增加而增加；東西方向側壓力系數，在靠近岸邊近距離時，是隨著埋深和水平進深增加而增加，再往岸里卻轉變成隨著埋深和水平進深增加而呈現降低趨勢。

表2 測點處的應力分量

3 洞室圍巖區地應力場分布反演分析

3.1 計算分析模型構建

根據地形地貌和建筑物布置，以地下洞室群為中心確定計算區域，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。整個模型計算范圍東西長1 000 m，南北長900 m，垂直距離570 m。計算假設原始地面為平邑面，在大地構造運動下，高山隆起，河谷下切，形成現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),模型單元網格見圖4(b)。

計算分析時巖體容重取26.0 kN/m3，泊松比取0.25。

3.2 計算技術方法

三維初始地應力場采用分期開挖方式進行反演擬合，反演擬合的初始地應力場應符合下列2條原則：① 計算的初始應力場應保持在實測點處與實測應力值基本保持一致，保證主要建筑物處的點吻合；② 計算的初始應力場應符合地形、地貌和地質條件等因素對地應力場分布規律的影響，即保證地應力場基本吻合。通過改變模型的邊界條件，使模型計算范圍內的測量點處的計算應力值與實際測點處的應力量測值達到最佳擬合狀態。反演分析詳細流程見圖5。

3.3 自重地應力場

由三維有限元數值法計算得出的地下洞群巖體整體剖面應力分布如圖6，巖體自重產生的高程2 166.00 m剖面應力分布如圖7，水平地應力較小。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，洞室左端應力值要比右端應力值高1.0～3.0 MPa。三維模擬計算得出地應力測量處的垂直應力為3.50～5.23 MPa，此值與量測的垂直應力σz=3.79～4.69 MPa基本一致，但水平正應力的側壓力系數為0.3～0.40，與由初始地應力量測結果得出的側壓力系數相比，具有明顯差異，由此可看出，自重應力不是形成洞址區地應力場分布的唯一影響因素。

3.4 地應力場反演分析

考慮巖體自重和構造作用，地下洞群整體剖面應力分布如圖8，高程2 166.00 m剖面應力分布見圖9。從圖9中可以看出，計算值應力分布趨勢與量測值分布趨勢是基本一致的。數值模擬計算得到的正應力值與實測正應力結果對比如表3。由計算值得出測量點處的南北方向側壓力系平均值為0.86，比量測值的0.77大11.68%;東西方向側壓力系數平均值為1.27, 比量測值的1.19大6.7%。按照F檢驗法，計算值與量測值之間無顯著差異, 因此，反演分析得出地應力場能夠反映實際洞址區地應力分布規律和量值，可以作為后期圍巖穩定分析原始基礎資料。

表3 計算值與量測值比較

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

4 結 論

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

(2) 用F檢驗法驗證了三維有限元反演初始地應力場在地應力測量點處的計算值與量測值之間無顯著差異，反演分析得出地應力場能夠反映實際洞址區地應力分布規律和量值，可以作為后期洞室開挖圍巖穩定分析原始基礎資料。