金川水电站地下洞室围岩初始地应力分布规律研究

韩 斌 ,肖 清,丁新潮 , 石广斌

(1.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065;2.西安建筑科技大学,西安 710055)

0 前 言

地应力是存在于地壳中的原始力，是未受工程扰动的天然应力[1-2]。大量数据显示地应力是引起地下工程变形和破坏的根本作用力，在地下工程建设中，地应力对开挖岩体的稳定性来说具有重要的影响[3-5]。许多研究者认为大型地下洞群地应力的形成与气压、地质构造、地表腐蚀、地形地貌、岩性等有关[6]。因此，对水电站地下厂房洞室群布置区域开展地应力现场实测，用数值方法进一步分析洞址区地应力分布规律，可为大型水电站地下洞室群布置和开挖施工以及围岩稳定性支护参数确定提供可靠的原始资料[7]。

目前地应力测量方法有很多[8-10]，其中水压致裂法已在深孔地应力测量中被广泛应用[11-13]。即将修建的大渡河金川水电站地下发电洞室群由地下厂房尺寸为183.5 m×25.8 m×65.25 m(长×宽×高)，主变洞为117.2 m×16.5 m×30.8 m(长×宽×高)、尾闸室及其若干条辅助隧洞(洞室)组成，洞室群规模较大，洞址区的岩性为上三叠统杂谷脑组中厚层砂岩与极薄层板岩、千枚岩，洞室群埋深约90～200 m。为了揭示洞室围岩区初始地应力分布规律，本文采用水压致裂法对岩体初始地应力进行量测，通过有限元软件Midas建立大范围三维有限元模型，计算分析初始地应力场分布量级和规律，为地下洞群布置和开挖支护参数的确定提供可靠的原始资料。

1 初始地应力场量测

1.1 初始地应力测量点布置

金川水电站大型地下发电洞室群拟建在左岸岩体中，三维地应力测点布置在地下厂房勘探平硐PD1中，PD1探洞深入左岸岩体约120～180 m，垂直埋深130～170 m，硐底高程约2 166.00 m。由外向内依次布置1、2、3号测点。3处测点距地表垂直距离分别为128.8、176.0、179.7 m；离地表最近水平距离分别为86.0、164.0、238.0 m，测点均由深度35 m、直径76 mm的3个空间交汇的钻孔(1个垂直孔和2个水平孔)组成，测点处围岩地层岩性为杂谷脑组上段T3z2(3)、T3z2(4)岩组的浅灰色中厚层～厚层状变质细砂岩夹薄层状变质细砂岩，微风化～新鲜岩体。地应力量测点平面布置如图1所示。

1.2 初始地应力测量结果

用水压致裂法测得的3个测点的初始地应力值见表1。3个量测点主应力最大值为7.61 MPa，主应力σ1、σ2、σ3平均值分别为6.36、3.69、2.88 MPa，标准差分别为1.10、0.33、0.2。

2 洞室围岩区地应力特征分析

由表1可知，3个测点第1主应力方位均为SW向，而第2和第3主应力方位差异较大。3处测点最大主应力倾角均较缓，表明测点附近以水平方向的构造应力为主，而1、2号测点处中间主应力倾角较大，表明测点附近受到构造应力与自重应力的联合作用，3号测点最小主应力倾角最大，表明测点附近构造应力占主导地位，自重应力影响不明显。

表1 三维应力量测结果

大地直角坐标系下的应力分量与侧压力系数计算结果见表2，南北(SN)方向侧压力系数取0.69～0.85，平均为0.77；东西(EW)方向侧压力系数取1.03～1.28，平均为1.19。侧压力系数与测点埋设和水平进深关系见图 2和图3，测点水平进深是指测点到地表的最近水平距离。南北向侧压力系数随着埋深和水平进深增加而增加；东西方向侧压力系数，在靠近岸边近距离时，是随着埋深和水平进深增加而增加，再往岸里却转变成随着埋深和水平进深增加而呈现降低趋势。

表2 测点处的应力分量

3 洞室围岩区地应力场分布反演分析

3.1 计算分析模型构建

根据地形地貌和建筑物布置，以地下洞室群为中心确定计算区域，三维模型的X轴为东西向(EW)，指向上游墙，与厂房纵轴线垂直；Y轴为SN，与厂房纵轴线重合，指向右端墙；Z轴为竖向，指向上为正。整个模型计算范围东西长1 000 m，南北长900 m，垂直距离570 m。计算假设原始地面为平邑面，在大地构造运动下，高山隆起，河谷下切，形成现在地形地貌地形三维模型见图4,其中几何三维模型见图4(a),模型单元网格见图4(b)。

计算分析时岩体容重取26.0 kN/m3，泊松比取0.25。

3.2 计算技术方法

三维初始地应力场采用分期开挖方式进行反演拟合，反演拟合的初始地应力场应符合下列2条原则：① 计算的初始应力场应保持在实测点处与实测应力值基本保持一致，保证主要建筑物处的点吻合；② 计算的初始应力场应符合地形、地貌和地质条件等因素对地应力场分布规律的影响，即保证地应力场基本吻合。通过改变模型的边界条件，使模型计算范围内的测量点处的计算应力值与实际测点处的应力量测值达到最佳拟合状态。反演分析详细流程见图5。

3.3 自重地应力场

由三维有限元数值法计算得出的地下洞群岩体整体剖面应力分布如图6，岩体自重产生的高程2 166.00 m剖面应力分布如图7，水平地应力较小。由于地下洞室群布置位置的地面高程为2 250.00～2 380.00 m，地势为南高北低，东高西低，厂房洞室地表高程为2 330.00(副厂房端)～2 380.00 m(安装间端)，距离洞顶高程2 186.25 m，垂直距离约为144.0～194.0 m；主变室地表高程为2 270.00～2 345.00 m，距离洞顶高程2 182.10 m，垂直距离约为88.0～163.0 m；尾闸室地表高程为2 250.00～2 335.00 m，距离洞顶高程2 184.00 m，垂直距离约为66.0～151.0 m，受此地形地势影响，三大洞室即主厂房、主变室、尾闸室在竖直方向上，洞室左端应力值要比右端应力值高1.0～3.0 MPa。三维模拟计算得出地应力测量处的垂直应力为3.50～5.23 MPa，此值与量测的垂直应力σz=3.79～4.69 MPa基本一致，但水平正应力的侧压力系数为0.3～0.40，与由初始地应力量测结果得出的侧压力系数相比，具有明显差异，由此可看出，自重应力不是形成洞址区地应力场分布的唯一影响因素。

3.4 地应力场反演分析

考虑岩体自重和构造作用，地下洞群整体剖面应力分布如图8，高程2 166.00 m剖面应力分布见图9。从图9中可以看出，计算值应力分布趋势与量测值分布趋势是基本一致的。数值模拟计算得到的正应力值与实测正应力结果对比如表3。由计算值得出测量点处的南北方向侧压力系平均值为0.86，比量测值的0.77大11.68%;东西方向侧压力系数平均值为1.27, 比量测值的1.19大6.7%。按照F检验法，计算值与量测值之间无显著差异, 因此，反演分析得出地应力场能够反映实际洞址区地应力分布规律和量值，可以作为后期围岩稳定分析原始基础资料。

表3 计算值与量测值比较

地下洞室群围岩附近的初始地应力场中的垂直洞室群高边墙水平正应力范围为4.58～7.68 MPa，平行洞纵轴线方向的水平正应力范围为3.07～5.20 MPa，竖直方向应力范围为2.95～7.11 MPa。主应力为σ1=5.81～8.38 MPa,σ2=3.62～6.52 MPa,σ3=1.20～4.44 MPa。参照GB 50287-2006《水力发电工程地质勘察规范》，厂区原始初始地应力属于低应力地区。

4 结 论

(1) 金川水电站地下洞室岩体水平应力以构造作用为主，竖向应力以覆岩体重力作用为主，南北方向侧压力系数取0.69～0.85，东西方向侧压力系数取1.03～1.28；地下洞室围岩的最大主应力量值为5.81～8.31 MPa，属于低应力地区。

(2) 用F检验法验证了三维有限元反演初始地应力场在地应力测量点处的计算值与量测值之间无显著差异，反演分析得出地应力场能够反映实际洞址区地应力分布规律和量值，可以作为后期洞室开挖围岩稳定分析原始基础资料。