馬玉巖，沈 陽(yáng)，侯東奇

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 611130）

0 前 言

人們認(rèn)識(shí)地應(yīng)力的歷史只有近百年，對(duì)大型地下工程而言，初始地應(yīng)力場(chǎng)的特征和分布規(guī)律對(duì)設(shè)計(jì)和施工都非常重要，目前最為有效的分析模式是考慮工程區(qū)域的地形、地質(zhì)的特點(diǎn)，以現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用理論或數(shù)值分析的方法進(jìn)行反演、回歸和模擬，得到初始地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律與量值。

付成華等（2006）［1］以溪洛渡水電站為例，依據(jù)地應(yīng)力的實(shí)測(cè)資料，利用多元線性回歸方法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法和遺傳算法，采用有限單元法求得整個(gè)壩區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。袁風(fēng)波（2007）［2］以黃河拉西瓦水電站為例，根據(jù)“反演正算”原理，研究并提出了河谷區(qū)高地應(yīng)力場(chǎng)的一種非線性反演方法。景鋒等（2011）［3］總結(jié)了常用原位地應(yīng)力測(cè)量法及工程區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)分析研究方面所取得的進(jìn)展。王成虎（2014）［4］總結(jié)了廣泛應(yīng)用的26種地應(yīng)力測(cè)試方法、基本力學(xué)原理及發(fā)展史。王金安、李飛（2015）［5］總結(jié)了國(guó)內(nèi)外學(xué)者在地應(yīng)力反演算法和工程運(yùn)用中作出的改進(jìn)和創(chuàng)新，提出了替代模型加速優(yōu)化算法。張社榮等（2017）［6］以黃登水電站為例，分別采用傳統(tǒng)多元線性回歸方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法與考慮地質(zhì)歷史過(guò)程的基于逐步回歸原理耦合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性智能方法，獲得廠址區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)。蒙偉等（2021）［7］以斑竹林隧道為例，分別應(yīng)用聲值法檢驗(yàn)、F檢驗(yàn)、f檢驗(yàn)反演巖體初始地應(yīng)力場(chǎng)，驗(yàn)證了所采用回歸模型和系數(shù)的可靠性。

本文以地處雅礱江地形急劇變化地帶的兩河口電站工程為例，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和地層剝蝕原理對(duì)其廠區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的進(jìn)行非線性反演研究，并通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探洞圍巖破壞、區(qū)域構(gòu)造背景分析等對(duì)反演成果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。

1 工程概況

兩河口水電站是雅礱江中下游的“龍頭”水庫(kù)，位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)，引水發(fā)電系統(tǒng)布置于雅礱江干流右岸山體中，廠房?jī)?nèi)共布置有6臺(tái)水輪發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)3 000 MW，其建筑物包括主廠房、副廠房、主變室、出線洞、通風(fēng)洞、交通洞、排水廊道和開(kāi)關(guān)站等，為大型地下洞室群。

兩河口水電站所處的雅礱江、鮮水河及其支流河谷狹窄、谷坡陡峻，谷肩相對(duì)高差達(dá)500～1 000 m，廠址區(qū)域地形陡峻，為典型的高山峽谷地貌。工程區(qū)位于鮮水河-安寧河-則木河-小江斷裂帶和金沙江-紅河斷裂帶所圍限的“川滇巨型菱形斷塊”內(nèi)，由鮮水河斷裂帶、玉農(nóng)希斷裂帶、理塘-德巫斷裂帶、甘孜-理塘斷裂帶所圍限的次級(jí)斷塊“雅江-理塘菱形斷塊”中部歷史上經(jīng)歷過(guò)復(fù)雜的多次構(gòu)造內(nèi)動(dòng)力地質(zhì)過(guò)程，新生代后受到過(guò)強(qiáng)烈的外動(dòng)力地質(zhì)作用，巖體內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)較為復(fù)雜。

廠區(qū)地下洞室群布置于T3lh1（4）層～T3lh2（2）層堅(jiān)硬的砂板巖中，巖體微風(fēng)化-新鮮，以Ⅲ1類(lèi)圍巖為主，部分Ⅲ2類(lèi)。廠區(qū)水平埋深約350～700 m，垂直埋深400～450 m，廠房縱軸線方位為NE3°。廠區(qū)主要發(fā)育有F9、F10、F11斷層和節(jié)理裂隙等地質(zhì)構(gòu)造，地下水不發(fā)育。廠區(qū)實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力σ1為18.09～30.44 MPa，平均21.5 MPa，方向區(qū)間為N20.3°～57.7°E，平均N41.9°E，傾向坡外，略緩于岸坡。

2 計(jì)算原理

2.1 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本原理與算法

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的核心是模擬人腦的知識(shí)獲取和組織過(guò)程，目前應(yīng)用最廣泛也是發(fā)展最成熟的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它是按層次結(jié)構(gòu)構(gòu)造的，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括一個(gè)輸入層、一個(gè)輸出層和一個(gè)或多個(gè)隱含層，一層的神經(jīng)元只與緊鄰的上一層、下一層的各神經(jīng)元連接。

圖1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

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。BP算法是一種快速梯度下降的方法，通過(guò)調(diào)整連接權(quán)值、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模（包括n、m和隱含層神經(jīng)元數(shù)）實(shí)現(xiàn)任意精度逼近任何非線性函數(shù)。

2.2 地應(yīng)力場(chǎng)非線性反演方法

將反演地應(yīng)力的邊界條件與應(yīng)力值之間的非線性關(guān)系用一組神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（n，h1，…，hp，m）描述如下：

式中，P=（p1，p2，…，pn）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入節(jié)點(diǎn)表達(dá)；D=（d1，d2，…，dn）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出節(jié)點(diǎn)表達(dá)；NN（n，h1，…，hp，m）是建立的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其中n，h1，…，hp，m為輸入層Fx、隱含層F1、…、層隱含F(xiàn)p和輸出層Fy的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立邊界條件與工程區(qū)域?qū)崪y(cè)點(diǎn)應(yīng)力值間的映射關(guān)系，實(shí)施方法如下：

（1）建立有限差分計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)從邊界條件到實(shí)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力值的正分析過(guò)程。

（2）按均勻設(shè)計(jì)原理構(gòu)建邊界條件參數(shù)組合表［8］。

（3）將步驟（2）生成的參數(shù)組合帶入步驟（1）進(jìn)行計(jì)算，得到相應(yīng)的應(yīng)力值樣本。

（4）將步驟（2）與步驟（3）得到的地應(yīng)力值和邊界條件參數(shù)，分別作為輸入向量和輸出向量，通過(guò)遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及連接權(quán)值，建立遺傳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（5）利用樣本訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行檢驗(yàn)。

（6）網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和訓(xùn)練次數(shù)成熟時(shí)，將地應(yīng)力實(shí)測(cè)值作為輸入向量，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得輸出向量，即可采用的邊界條件。

（7）將上一步得到的可采用邊界條件代入數(shù)值計(jì)算軟件，通過(guò)一次正向計(jì)算獲得區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)。

2.3 地表剝蝕原理

在河谷形成過(guò)程中，隨著地表侵蝕、河谷剝蝕等長(zhǎng)期地質(zhì)強(qiáng)烈的卸荷作用破壞了河谷形成前區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的相對(duì)平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巖體內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)變及能量調(diào)整，并達(dá)到新的平衡狀態(tài)。因此，在高山峽谷區(qū)域的河谷地應(yīng)力反演中，考慮地表剝蝕卸荷效應(yīng)對(duì)準(zhǔn)確獲得區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是必要的。

為考慮地表剝蝕卸荷效應(yīng)，作如下假定：

（1）假定遠(yuǎn)古時(shí)期地面是無(wú)起伏的平地，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在遠(yuǎn)古時(shí)期完成；

（2）初始地應(yīng)力場(chǎng)由巖體自重應(yīng)力和區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的構(gòu)造應(yīng)力組成；

（3）現(xiàn)有地應(yīng)力場(chǎng)是在遠(yuǎn)古初始地應(yīng)力場(chǎng)基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的地形剝蝕、沖淘形成的。

為反映地表剝蝕和河流侵蝕下切作用，模擬獲得河谷岸坡初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布，地應(yīng)力反演時(shí)采用基于彈塑性計(jì)算的過(guò)程分層開(kāi)挖形成河谷（如圖2所示），計(jì)算中的分層剝蝕高度一般依據(jù)現(xiàn)今河谷殘留階地確定。

圖2 考慮地表剝蝕河谷下切作用所加邊界條件

其模擬過(guò)程主要有：

（1）考慮研究區(qū)域的地形、地質(zhì)構(gòu)造、地層介質(zhì)不均勻性等自然因素，在現(xiàn)狀地形的基礎(chǔ)上，以計(jì)算范圍最高點(diǎn)為基準(zhǔn)形成遠(yuǎn)古平坦地形；

（2）通過(guò)修正容重的系數(shù)參變量獲得自重應(yīng)力，通過(guò)在計(jì)算區(qū)域施加位移邊界形成構(gòu)造應(yīng)力；

（3）對(duì)巖體采用彈塑性本構(gòu)模型，通過(guò)逐步開(kāi)挖模擬實(shí)現(xiàn)地表剝蝕卸荷效應(yīng)。

3 地應(yīng)力場(chǎng)反演分析

3.1 三維數(shù)值計(jì)算模型

采用三維有限差分模型進(jìn)行地應(yīng)力場(chǎng)反演分析，計(jì)算模型的坐標(biāo)原點(diǎn)選在主廠房機(jī)窩位置，模型坐標(biāo)原點(diǎn)位于主變室與進(jìn)場(chǎng)交通洞的交叉點(diǎn)。計(jì)算模型沿X軸和Y軸的計(jì)算范圍分別為1 500 m和1 800 m，豎直方向從海拔2 000 m到山頂，其區(qū)域位置如圖3所示。由于工程洞群區(qū)域遠(yuǎn)河流側(cè)一定范圍內(nèi)無(wú)地形等高線數(shù)據(jù)，故建模時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研進(jìn)行了簡(jiǎn)化補(bǔ)充，其地形如圖4所示。

圖3 數(shù)值計(jì)算模型區(qū)域示意

圖4 模型中的廠址區(qū)地形起伏示意

根據(jù)地形圖提供的地表等高線圖，建立計(jì)算區(qū)域的三維模型如圖5所示，共含有123.1萬(wàn)單元，27.5萬(wàn)節(jié)點(diǎn)。考慮到地應(yīng)力反演的主要目的是獲得廠區(qū)地應(yīng)力分布特征，故模型中對(duì)廠房區(qū)域?qū)ζ鋺?yīng)力場(chǎng)和洞室穩(wěn)定性影響顯著的f3、f9、f10、f12、f25等條斷層采用實(shí)體單元，同時(shí)考慮了廠址區(qū)域等地層。

圖5 三維計(jì)算模型

此外為驗(yàn)證地應(yīng)力反演結(jié)果的合理性，模型中還包含有廠區(qū)探洞PD12和上支洞，如圖6所示。為考慮地層剝蝕效應(yīng)，模型還考慮了雅礱江“V”型河谷形成過(guò)程的剝蝕階地，如圖7所示。

圖6 廠區(qū)探洞

圖7 考慮地層剝蝕的三維模型

3.2 巖體本構(gòu)模型與參數(shù)

兩河口廠址區(qū)PD12和PD12上支洞調(diào)查揭示工程區(qū)主要出露地層為T(mén)3hl1（3）～T3hl1（5）和T3hl2（1）～T3hl2（3）層的變質(zhì)砂巖、變質(zhì)粉砂巖、粉砂質(zhì)板巖等。巖石力學(xué)試驗(yàn)［9］調(diào)查表明，巖層各向異性系數(shù)（平行層理參數(shù)／垂直層理參數(shù)）為：干抗壓強(qiáng)度0.70、濕抗壓強(qiáng)度0.69、彈性模量1.07?？梢?jiàn)該工程巖體的各項(xiàng)異性主要是強(qiáng)度的各項(xiàng)異性，而變形的各項(xiàng)異性一定程度上不十分明顯。因此，地應(yīng)力反演分層采用的是考慮層狀結(jié)構(gòu)面分布的層狀巖體彈塑性力學(xué)模型。

兩河口水電站廠址區(qū)域雅礱江深切河谷岸坡是遠(yuǎn)古地表受地表剝蝕和河流侵蝕下切及地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)綜合作用的結(jié)果，岸坡巖體經(jīng)歷了不同程度的卸荷作用過(guò)程，此過(guò)程伴隨著巖體發(fā)生不同程度的彈塑性變形，在該過(guò)程中巖體可能出現(xiàn)壓剪和張拉破壞。故計(jì)算中采用考慮巖體和層面分別屈服的莫爾—庫(kù)侖與拉破壞準(zhǔn)則結(jié)合的復(fù)合準(zhǔn)則，模擬這種外動(dòng)力作用導(dǎo)致淺層層狀巖體不可恢復(fù)的變形。計(jì)算過(guò)程中的巖體力學(xué)參數(shù)取值見(jiàn)表1～2。

表1 巖體變形參數(shù)建議值［9］

表2 巖體強(qiáng)度參數(shù)建議值［9］

3.3 地應(yīng)力場(chǎng)非線性反演計(jì)算

3.3.1計(jì)算工況

首先將實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)的主應(yīng)力與主應(yīng)力方向轉(zhuǎn)換到計(jì)算坐標(biāo)下的6個(gè)應(yīng)力分量值。通過(guò)多方案的三維數(shù)值試算比較與各種構(gòu)造因素的敏感性回歸分析表明：Z-Y面上豎直剪切構(gòu)造因素和Z-X面上豎直剪切構(gòu)造因素不明顯，而自重和其他構(gòu)造因素作用顯著，最后確定地應(yīng)力場(chǎng)形成的構(gòu)造模式為：①自重、②X向擠壓構(gòu)造、③Y向擠壓構(gòu)造、④水平X向剪切構(gòu)造、⑤水平Y(jié)向剪切構(gòu)造（水平X向剪切=水平Y(jié)向剪切）。

3.3.2 基于均勻設(shè)計(jì)的樣本構(gòu)造

以“反演正算”的思路進(jìn)行兩河口廠址區(qū)域的地應(yīng)力場(chǎng)的非線性反演。根據(jù)對(duì)兩河口廠址區(qū)域模型的試算分析、實(shí)測(cè)地應(yīng)力特征和工程地質(zhì)分析，采用均勻設(shè)計(jì)方法將數(shù)值計(jì)算的位移邊界條件和重力修正系數(shù)共5個(gè)參數(shù)各分為5個(gè)水平（見(jiàn)表3），由此構(gòu)造了30組學(xué)習(xí)訓(xùn)練樣本試驗(yàn)組合方案，并另外構(gòu)造了5組測(cè)試樣本用于測(cè)試網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)效果，如表4所示。

表3 樣本水平設(shè)計(jì)

表4 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)測(cè)試樣本

3.3.3計(jì)算過(guò)程及結(jié)果

將以上邊界條件各組樣本方案代入FLAC 3D進(jìn)行計(jì)算，獲得每個(gè)樣本的應(yīng)力計(jì)算值作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)訓(xùn)練的輸入值，將設(shè)定的邊界條件作為對(duì)應(yīng)輸出值，建立測(cè)點(diǎn)應(yīng)力分量和邊界條件非線性映射關(guān)系的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。在這一過(guò)程中，采用遺傳算法優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和連接權(quán)值。經(jīng)計(jì)算得到的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最佳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為30-48-13-5，即：輸入層為30個(gè)節(jié)點(diǎn)，中間隱含層為兩層，第一隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為48，傳遞函數(shù)tansig；第二隱含層的節(jié)點(diǎn)數(shù)為13，傳遞函數(shù)logsig；最后輸出層為5個(gè)節(jié)點(diǎn)，傳遞函數(shù)purelin。利用該訓(xùn)練好的進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，輸入各個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)應(yīng)力分量值，得到了地應(yīng)力場(chǎng)的位移邊界條件和重力修正系數(shù)，如表5所示。

表5 由進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)得到的位移邊界條件和重力修正系數(shù)

利用非線性回歸反演得到的邊界條件進(jìn)行有限差分正算，并由此獲得了兩河口水電站廠址區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征，統(tǒng)計(jì)分析可知協(xié)方差Q=61.2，復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.952，表明從反演結(jié)果本身來(lái)看本次反演有效。

3.4 地應(yīng)力反演結(jié)果檢驗(yàn)分析

各測(cè)點(diǎn)處的地應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值之間的對(duì)比關(guān)系如表6所示。從這些非線性回歸反演的結(jié)果可以看出，非線性回歸反演結(jié)果與實(shí)測(cè)的地應(yīng)力在規(guī)律上保持一致性，三個(gè)方向的正應(yīng)力相對(duì)誤差均約為13.9%，數(shù)值吻合較好。

表6 實(shí)測(cè)地應(yīng)力與回歸計(jì)算地應(yīng)力對(duì)比 單位：MPa

對(duì)比分析反演計(jì)算模型中PD12探洞和PD12-上支洞的計(jì)算圍巖破壞特征與現(xiàn)場(chǎng)探洞圍巖實(shí)際破壞特征可見(jiàn)，兩者總體也較為一致，分別如圖8～9所示。計(jì)算結(jié)果顯示探洞PD12左側(cè)墻腳區(qū)破壞接近度較大，這實(shí)際上是因?yàn)樘蕉碢D12（探洞軸線近EW向）左側(cè)邊墻巖體為反傾層面，在廠區(qū)巖體初始地應(yīng)力為NE向作用下產(chǎn)生層狀巖體的結(jié)構(gòu)—應(yīng)力型破壞，與現(xiàn)場(chǎng)圍巖的實(shí)際破壞基本吻合。對(duì)PD12-上支洞，計(jì)算結(jié)果顯示探洞近河谷側(cè)頂拱破壞接近度較大，與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際的臨河谷側(cè)產(chǎn)生應(yīng)力型片幫剝落現(xiàn)象較為一致。

圖8 地應(yīng)力反演模型中廠址區(qū)PD12圍巖結(jié)構(gòu)-應(yīng)力型破壞與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比

通過(guò)上述測(cè)點(diǎn)位置實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與反演值的對(duì)比、現(xiàn)場(chǎng)探洞圍巖應(yīng)力型破壞特征與地應(yīng)力反演計(jì)算模型中探洞破壞特征對(duì)比驗(yàn)證可見(jiàn)，總體上來(lái)說(shuō)，本次反演得到的地應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果是合理的，這也證實(shí)了進(jìn)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在地應(yīng)力場(chǎng)非線性反演中具有優(yōu)越性。

圖9 地應(yīng)力反演模型中廠址區(qū)PD12-上支洞圍巖應(yīng)力型破壞與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際對(duì)比

4 結(jié) 論

（1）基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）的非線性反演研究方法能夠考慮多種地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的荷載或位移作用模式和自重的影響，更好地建立實(shí)測(cè)地應(yīng)力值與模型邊界條件的非線性映射關(guān)系。

（2）從地質(zhì)演化的角度來(lái)看，兩河口廠址區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)是在遠(yuǎn)古構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，隨著深切河谷形成過(guò)程中強(qiáng)烈的侵蝕、剝蝕和沖淘等地質(zhì)作用下和長(zhǎng)期卸荷的結(jié)果?？紤]地層剝蝕卸荷效應(yīng)對(duì)于正確認(rèn)識(shí)和評(píng)估區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的應(yīng)力分布和狀態(tài)是非常有必要的。

（3）通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)探洞圍巖破壞、區(qū)域構(gòu)造背景分析等對(duì)反演成果的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。本次反演得到的地應(yīng)力場(chǎng)分布結(jié)果是合理的，基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和地層剝蝕原理的地應(yīng)力反演方法適用于河谷地應(yīng)力場(chǎng)。