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        文登抽水蓄能電站地下廠房初始地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

        2021-03-12 11:00:52何少云胡紫航衛(wèi)洋波
        水電與抽水蓄能 2021年1期
        關(guān)鍵詞:量值應(yīng)力場(chǎng)主應(yīng)力

        何少云,何 軍,胡紫航,衛(wèi)洋波

        (1.山東文登抽水蓄能有限公司,山東省威海市 264419;2. 長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北省武漢市 430010;3.中國電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京市 100024 )

        0 引言

        文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登市界石鎮(zhèn)境內(nèi),電站總裝機(jī)容量1800MW,年發(fā)電量26.28億kWh,為大(1)型規(guī)模[1-2]。其地下廠房開挖尺寸長214.5m、寬25.0m、高54m,屬于大型地下洞室。電站軸線為近NE65°方向,地下廠房上覆巖體厚度約為350m。

        電站區(qū)域揭露的斷層以近EW走向傾向南的陡傾角斷層為主,優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為NW275°SW∠80°~85°;離地下廠房區(qū)域較近的斷層主要有f202、f203、f1-55、f1-56,這些斷層規(guī)模一般較小,均為長大裂隙型斷層。地下廠房區(qū)域巖體裂隙不甚發(fā)育,完整性好;廠房區(qū)裂隙以近EW走向傾向S/N的陡傾角裂隙為主,優(yōu)勢(shì)產(chǎn)狀為NW275°SW∠60°~90°。

        地應(yīng)力場(chǎng)條件是地下廠房支護(hù)設(shè)計(jì)和施工組織的基本條件,需要充分掌握區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)分布情況[3]。由于地應(yīng)力場(chǎng)是長時(shí)間的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)所致,其分布受地質(zhì)結(jié)構(gòu)、巖性等諸多因素的影響,局部測(cè)點(diǎn)上的地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果一般無法直觀的反映整個(gè)地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)分布特征[4-6]。要想獲得整個(gè)地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)分布情況,往往需要借助于反演分析。

        目前,地應(yīng)力場(chǎng)反演分析方法有較多種,海姆法則、側(cè)壓力系數(shù)法起步較早,但對(duì)地應(yīng)力的計(jì)算偏簡(jiǎn)單,僅在早期的工程應(yīng)用較多;神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法起步時(shí)間相對(duì)較晚,理論方法相對(duì)復(fù)雜,在計(jì)算效率等方面還有諸多需要改進(jìn)的地方,實(shí)際工程上的應(yīng)用也相對(duì)較少[7-10]?;貧w分析法理論相對(duì)較成熟,且適用性更廣,是目前地應(yīng)力場(chǎng)反演分析上應(yīng)用最廣泛的一種方法,在已知的很多國內(nèi)外水利水電工程上均有應(yīng)用[3-6,11-14]。本文將采用回歸分析法來反演文登抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)。

        1 地下廠房區(qū)地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及分析

        在工程可行性研究階段,分別在廠房支洞PD1-1和岔管支洞PD1-2等區(qū)域的鉆孔ZK523、ZK524、ZK525、ZK526開展了地應(yīng)力測(cè)試,地應(yīng)力測(cè)孔位置見圖1所示。其中,在ZK523、ZK525、ZK526三個(gè)鉆孔內(nèi)采用水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力,在ZK524內(nèi)先后分別采用應(yīng)力解除法和水壓致裂法測(cè)試地應(yīng)力。從鉆孔分布位置來看,ZK523靠近廠房安裝間和斷層f202,ZK524靠近副廠房。

        圖1 地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)位置示意圖Figure 1 Location of geostress measuring points

        表1給出了廠房高程范圍內(nèi)不同水壓致列法測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)值。結(jié)果顯示,地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主;最大水平主應(yīng)力大多在-9.35~-19.51MPa,最小水平主應(yīng)力大多在-5.78~-13.01MPa,鉛直應(yīng)力大多在-8.81~-11.95MPa。地應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力在量值上滿足關(guān)系最大水平主應(yīng)力SH>鉛直應(yīng)力Sv>最小水平主應(yīng)力Sh,總體測(cè)區(qū)主應(yīng)力的方位均在NW280°~300°的范圍內(nèi)。

        表1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力值(水壓致裂法)Table 1 Values of measured in-situ geostresses (hydraulic fracturing method)

        表2給出了ZK524應(yīng)力解除法測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力量值和方位。若將坐標(biāo)軸的x軸正向設(shè)為155°方位,即順?biāo)飨?;y軸正向設(shè)為NE65°方位,即廠房縱軸線方向;z軸正向設(shè)為鉛直向上。采用全空間赤平投影技術(shù),可以獲得表2所示地應(yīng)力張量的全空間赤平投影圖和三個(gè)坐標(biāo)平面上的應(yīng)力橢圓圖,如圖2和圖3所示。在水平面上(XY切面),最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W284°,與廠房軸線呈36°小夾角;在XZ切面上,橢圓長軸呈陡傾;在YZ切面上,橢圓長軸與水平面夾角為-12°??傮w上,地下廠房區(qū)域水平應(yīng)力占主導(dǎo)。

        表2 實(shí)測(cè)地應(yīng)力值(應(yīng)力解除法)Table 2 Values of measured in-situ geostresses (stress relief method)

        圖2 ZK524-TXJC全空間赤平投影和切面應(yīng)力橢圓圖Figure 2 Full space stereographic projection of ZK524-TXJC

        圖3 ZK524-TXJC切面應(yīng)力橢圓圖Figure 3 Ellipse diagram of stress on different sections

        2 地應(yīng)力場(chǎng)回歸反演分析

        2.1 多元線性回歸分析的基本原理

        原巖應(yīng)力場(chǎng)主要為自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)組成。根據(jù)疊加原理,地應(yīng)力場(chǎng)可以由自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)擬合獲得:

        式(1)即為多元回歸方程。式中:n為擬合工況的總數(shù);σki為用于擬合的應(yīng)力場(chǎng)的第k個(gè)分量;Li為各應(yīng)力分量的回歸系數(shù);為回歸應(yīng)力場(chǎng)的第k個(gè)分量[3,12]。

        可以采用最小二乘法,使多元回歸方程與所有需要擬合的實(shí)測(cè)值的平方差之和達(dá)到最小。即需要滿足如下公式:

        式中,S為多元回歸方程與所有需要擬合的實(shí)測(cè)值的平方差之和。根據(jù)式(2),一般能獲得一個(gè)線性方程組,通過求解該線性方程組即可獲得對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)Li。然后,將這些回歸系數(shù)帶入式(1),即可得地應(yīng)力場(chǎng)的回歸方程。

        2.2 計(jì)算模型和力學(xué)參數(shù)

        通過對(duì)電站區(qū)域巖體結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的概化,建立了相應(yīng)的三維數(shù)值分析模型,如圖4所示。模型中考慮了離地下廠房較近的4條斷層:f202、f203、f1-55和f1-56。計(jì)算模型整體尺寸為575m×715m×730m(x×y×z),其中,x軸正方向沿順?biāo)飨?;y軸平行于主廠房縱軸線,正方向?yàn)閺?號(hào)機(jī)組指向6號(hào)機(jī)組;z軸鉛直向上,底部高程為0m,坐標(biāo)原點(diǎn)位于副廠房上游邊墻端部。計(jì)算模型共包含211萬個(gè)網(wǎng)格,以及40萬個(gè)節(jié)點(diǎn)。

        圖4 三維數(shù)值分析模型Figure 4 Three-dimensional numerical model

        地下廠房區(qū)域巖性單一,巖體以石英二長巖、二長花崗巖為主,巖體完整性較好,裂隙不發(fā)育;廠房區(qū)域圍巖以Ⅰ~Ⅱ類圍巖為主,有斷層切割部位按Ⅲ類圍巖考慮,巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值見表3。

        表3 巖體物理力學(xué)參數(shù)建議值Table 3 Recommended values for physical and mechanical parameters of rock mass

        2.3 回歸分析結(jié)果

        采用三維有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC 3D來模擬生成自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),應(yīng)力場(chǎng)可通過加載的方式來生成。在加載時(shí),x方向的單向壓縮荷載、y方向的單向壓縮荷載以及xy方向的剪切荷載均采用位移加載方式進(jìn)行,計(jì)算時(shí)設(shè)定邊界上對(duì)應(yīng)的初始速度為10-4m/s,并加載10個(gè)時(shí)間步,然后將邊界速度設(shè)為0,計(jì)算至收斂;對(duì)于z向的自重荷載,設(shè)定重力加速度為9.8m/s2?;谏鲜黾虞d獲得自重應(yīng)力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng),采用2.1所示的回歸方法進(jìn)行多元線性回歸分析,最終獲得x向壓縮荷載、y向壓縮荷載、xy向剪切荷載、z向自重荷載對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)分別為L1=149.3、L2=426.4、L3=80.6、L4=1.27。表4為回歸結(jié)果和對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值,大部分測(cè)點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)在0.9以上,故結(jié)果總體上是合理的。此外,在靠近斷層f202的鉆孔ZK523的測(cè)點(diǎn)上,相關(guān)系數(shù)均在0.94以上,故回歸得到的地應(yīng)力場(chǎng)還能夠充分反映斷層的影響。

        表4 實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比Table 4 Comparison of measured values and numerical values

        3 地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)特征分析

        圖5給出了地下廠房區(qū)域的平切面和橫剖面的地應(yīng)力矢量圖。地應(yīng)力場(chǎng)以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力和最小主應(yīng)力均大致位于水平面上,中間主應(yīng)力大致位于鉛直方向。地應(yīng)力場(chǎng)受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響較為明顯,最大主應(yīng)力與廠房軸線呈約為35°的小夾角,方向與f202、f1-55、f1-56等斷層的整體走向近似平行。此外,地應(yīng)力矢量在斷層部位發(fā)生了明顯偏轉(zhuǎn),這主要是斷層附近較弱的巖體強(qiáng)度影響所致。

        圖5 不同剖面地應(yīng)力矢量圖Figure 5 Geostress vector of different profiles

        圖6給出了地下廠房區(qū)域平切面主應(yīng)力云圖。從應(yīng)力云圖來看,地應(yīng)力場(chǎng)量值及其分布受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和斷層的雙重影響。整體上,地下廠房區(qū)域最大主應(yīng)力量值為-11.6~-18.4MPa,中間主應(yīng)力量值為-8.4~-12.6MPa,最小主應(yīng)力量值為-7.3~-10.5MPa。此外,在斷層附近地應(yīng)力場(chǎng)量值存在較為顯著降低,這與斷層附近巖體強(qiáng)度相對(duì)較低相關(guān)。

        圖6 平切面主應(yīng)力云圖(25m高程)Figure 6 Geostress nephogram of horizontal profile (elevation 25m)

        地下廠房的支護(hù)設(shè)計(jì)和施工過程中,斷層區(qū)域往往是關(guān)注的重點(diǎn)。上述反演結(jié)果在斷層和非斷層區(qū)域的測(cè)點(diǎn)均保有較高的相似度,能夠指導(dǎo)工程實(shí)踐。反演結(jié)果表明,斷層對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的整體方位和局部量值均有較大影響。雖斷層帶中局部地應(yīng)力量值相對(duì)較低,但斷層附近巖體的地應(yīng)力量值仍保持著相對(duì)較高的水平。由于斷層帶的巖體強(qiáng)度相比其他區(qū)域更低,其能承擔(dān)的開挖釋放荷載比例就會(huì)偏低,其附近圍巖承擔(dān)的開挖釋放荷載比例就會(huì)升高。在斷層帶剪切滑移的耦合作用下,斷層帶附近圍巖會(huì)更容易破裂,變形一般也會(huì)更大。此外,地下廠房區(qū)域的裂隙產(chǎn)狀和斷層產(chǎn)狀比較接近,最大主應(yīng)力方位又近似平行于裂隙和斷層走向;地下廠房開挖施工可能會(huì)導(dǎo)致裂隙的劈裂擴(kuò)展和張開,施工過程中應(yīng)予以關(guān)注。

        4 結(jié)束語

        根據(jù)文登抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力實(shí)測(cè)值,基于三維有限差分法,采用多元線性回歸分析,反演了文登抽水蓄能電站地下廠房區(qū)域整體地應(yīng)力場(chǎng),并基于反演結(jié)果分析了地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力特征,獲得主要結(jié)論如下:

        (1)反演獲得的地應(yīng)力場(chǎng),無論是量值還是方位,都與實(shí)測(cè)地應(yīng)力比較吻合,能反映文登抽蓄整個(gè)地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力分布情況。

        (2)反演結(jié)果表明,地下廠房區(qū)域初始地應(yīng)力以水平構(gòu)造應(yīng)力為主,最大主應(yīng)力與斷層f202、f1-55、f1-56整體走向基本一致,且與主廠房縱軸線呈約為35°的小夾角。

        (3)在量值上,地下廠房區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)屬于中等應(yīng)力。最大主應(yīng)力為-11.6~-18.4MPa,最小主應(yīng)力為-7.3~-10.5MPa,中間主應(yīng)力為-8.4~-12.6MPa。

        (4)地應(yīng)力基本隨埋深加大而增大,但地下廠房區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)受地質(zhì)構(gòu)造影響顯著;地應(yīng)力場(chǎng)在斷層附近局部出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象,應(yīng)力矢量也發(fā)生了明顯的偏轉(zhuǎn)。

        (5)斷層區(qū)域是地下廠房支護(hù)設(shè)計(jì)和施工關(guān)注的重點(diǎn)之一,該區(qū)域圍巖一般更容易產(chǎn)生較大變形;同時(shí),斷層區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)分布也較為復(fù)雜;故類似工程的地應(yīng)力測(cè)試中,應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)脑黾訑鄬痈浇鼫y(cè)點(diǎn)的數(shù)量。

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