某抽水蓄能水电站地下厂房区域初始地应力反演分析

温家华，程亚男

（国网新源控股有限公司技术中心工程技术所，北京市 100161）

某抽水蓄能水电站地下厂房区域初始地应力反演分析

温家华，程亚男

（国网新源控股有限公司技术中心工程技术所，北京市 100161）

抽水蓄能电站多采用地下厂房型式，初始地应力场是地下厂房工程设计和稳定性分析的重要依据。本文根据某抽水蓄能电站地下厂房区域地形地貌、工程地质条件以及实测地应力资料，分析了地下厂房区域地应力分布特征，并在此基础上建立了三维有限元模型，利用ABAQUS数值计算软件对地下厂房区域地应力场进行了反演分析，获得了地下厂房区与初始地应力场分布。

抽水蓄能水电站；地下厂房；初始地应力场；反演分析

0 引言

抽水蓄能电站是利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的一种特殊水电站，大多采用地下厂房结构型式。其地下厂房洞室群的岩体初始地应力场是进行工程设计和岩体稳定性分析的重要依据，也是施工过程中工程开挖设计主要指导因素。

地应力是指岩体中存在的内在应力。从地质年代看，地应力是随空间、时间而变化的非稳定场，但对于工程建设来讲，初始地应力场可视为忽略时间因素的相对稳定的应力场。

所有的地下结构均处于一定的初始应力场中，它们的开挖、支护、稳定等分析研究都与该应力场紧密相关。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要随地应力大小的变化而发生变化，因此初始地应力场的研究是地下结构稳定性研究的前提和必要条件。由于初始地应力场是一个受多种因素相互作用影响的复杂系统，即使在现今，要精确地分析地应力场仍十分困难。因此，如何计算模拟工程关心区域的初始地应力场，使研究结果与客观实际尽可能一致，为洞室开挖、支护等提供可靠依据，并为同类工程提供借鉴和参考，显得非常必要且重要。

1 初始地应力反演原理与方法

随着计算机技术的发展，分析计算理论得到较大的完善。如果实测地应力点布局合理、实测值可靠，以实测地应力点的实测数据为依据，根据工程地质、地形条件，采用合理的理论分析方法，将有限的几个实测地应力值，向空间区域拓展，从而获得工程区域大范围的岩体初始地应力场是合理的，也是完全可行的。目前应用较多的初始应力数值分析方法大致可以分为两类：一类是位移反分析方法；另一类是应力回归分析方法。近年来又陆续出现了神经网络方法和遗传算法回归地应力等方法。

位移反分析法一般指结合现场开挖引起的实测位移，反演岩土初始应力，是一种间接方法，当计算域内缺乏地应力实测资料或实测地应力是扰动地应力时，多采用位移反分析法。目前该方法主要用于地下工程小范围内的岩体初始地应力的反演。

应力分析方法即结合对区域地应力场产生条件的规律性认识，建立该区域地应力场的三维模型，根据工程所在区域少量地应力实测资料进行计算，使得计算应力场与实测应力场达到最优拟合，以求得工程区域初始地应力场。当计算域内已有初始地应力实测资料时，使用该方法较为高效，本文采用应力分析方法对某抽水蓄能店站地下洞室的初始地应力场进行反演分析。

2 某抽水蓄能电站地应力条件

该抽水蓄能电站枢纽工程由上水库、下水库、水道系统和地下厂房系统及开关站等组成。水道系统由引水系统和尾水系统两部分组成。引水系统建筑物包括上水库进/出水口、引水事故闸门井、引水隧洞、引水调压室、高压管道（包括主管、岔管和支管）。尾水系统建筑物包括尾水支管、尾闸洞、尾水混凝土岔管、尾水调压室、尾水隧洞、尾水检修闸门井和下水库进/出水口等。地下厂房位于水道系统中部，洞室群布置在粗粒花岗岩层内，上覆岩体厚度约300m。地下厂房系统由地下厂房、主变压器洞、尾闸洞、交通洞、通风洞、母线洞、排水廊道、排风竖井、出线洞、出线竖井等建筑物组成。地下厂房由副厂房、主机间和安装场组成，呈“一”字形布置，洞室总开挖尺寸为214.5m×25.0m×53.5m（长×宽×高），主变压器洞平行布置在主厂房下游侧，开挖尺寸为226.5m×21m×22m（长×宽×高）。尾闸洞位于主变压器洞下游50m处，闸室轴线与厂房轴线平行，开挖尺寸为180.1m×10.9m×18.65m（长×宽×高）。

2.1 地质条件

地下厂房区域岩性单一，主要为微风化中粗粒花岗岩，岩石饱和抗压强度97.23～135MPa，属于坚硬岩；完整岩体弹性模量试验值28.92～36.72GPa，变形模量试验值15.63～20.46GPa；新鲜完整岩石质量很好，抗变形能力较高，破碎或蚀变岩体强度降低。岩石透水率为0.14～0.64Lu，属于微透水岩体。岩体纵波波速一般为4400～5000m/s，最高为5760m；岩体完整性系数Kv一般在0.5～0.77之间，最高达0.99。综合来看，该区域围岩较完整，岩体以块状结构为主，局部为次块状结构或整体状结构，围岩属Ⅲ类偏好，即以Ⅲa为主，局部为Ⅲb或Ⅲc，断层出露部位为Ⅳ类。

地下厂房区域共揭露大小断层79条，其中Ⅲ级结构面19条，Ⅳ级结构面60条。断层按走向可分为NW、NWW和NNE三组，其中以NNE、NW组较为发育，以中等陡倾角为主，断层带宽度多小于1m，主要由断层泥、碎裂岩、碎粉岩、碎块岩等组成。所揭露断层规模较大的有5个，断层带宽度为1.5～7.5m，裂隙密集带宽度可达40m。厂房区域裂隙较为发育，按走向可分为NE和NW两组，均为共轭的剪切节理，地下厂房和主变压器洞区域其NE向裂隙走向相对集中，主要在35°～55°之间，为中等倾角，偶见缓倾角发育。

2.2 实测地应力

图1 实测地应力测点分布图

该抽水蓄能电站地下厂房区域的地应力测量共布置在5个钻孔处，实地测点分布如图1所示。位于高压管道部位钻孔ZK309、厂房右支洞处钻孔ZK305、ZK307、ZK330中采用水压致裂法测得地应力，在厂房右支洞处的水平孔TXJC-2中采用应力解除法测得地应力，测试结果见表1，经过统计分析，最大与最小水平应力比值（σH/σh）的平均值为1.60，最大水平应力与垂直应力比值（σH/σv）的平均值为1.62，最小水平应力与垂直应力比值（σh/σv）的平均值为1.00。

压力管道位置的钻孔ZK309距离厂房开挖边界的距离约370m，是厂房开挖跨度的15倍，该处应力对厂房开挖的影响很小。对于厂房区的反演分析而言，厂房区钻孔ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2的地应力测量值需着重考虑，这几个钻孔的实测σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分别为1.65、1.74、1.05。

厂房区实测地应力与测点实际埋深的关系见图2，实测地应力、地应力比值与高程的关系分别见图3和图4。

图2 厂房区实测地应力与测点实际埋深的关系

图3 厂房区实测地应力与测点高程的关系

图4 厂房区实测地应力比值与测点高程的关系

表1 某抽水蓄能电站地应力钻孔测段应力值按高程排列汇总

3 三维初始地应力场反演分析

3.1 初始地应力反演区域模型

本文通过ABAQUS软件建立了该工程区域的三维有限元网格整体模型，为较好地模拟工程区域内初始地应力场，模型设计时选取了该区域较大的计算范围，沿X-轴向总长度为1430m，左侧边界距离厂房左端墙600m，右侧边界距离右端墙617m；模型沿Y-轴向总长度为980m，上游边界距离厂房边墙435m，下游边界距离尾闸洞边墙400m。模型沿Z-轴向总高度为610m，上部边界取至自然地表，厂房底距离模型底边界150m。模型人工边界距离洞室开挖边界的距离远超过三倍的洞室跨度，充分满足有限元计算的人工模型边界尺寸要求，见图5。

图5 初始地应力反演区域三维有限元模型图

计算模型模拟了厂房工程区域范围内的主要地形地貌及影响地下厂房区域的主要构造带。共划分三维有限单元约111万个，节点约69万个，岩体采用8节点6面体、6节点5面体和4节点4面体实体单元模拟，其中8节点6面体单元在模型中占绝大多数。

3.2 计算参数与反演过程

岩体计算所用力学参数值如表2所示。

表2 岩体计算参数表

由于压力管道区域的钻孔ZK309距离厂房开挖边界较远，其应力对厂房开挖的影响很小，因此，在地应力反演分析中，着重研究厂房区钻孔ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2处的地应力值。实测地应力点在有限元模型中的位置如图6所示。

图6 有限元模型与地应力测量位置对应的节

反演的主要过程：基于三维有限元模型，向模型施加重力和水平向荷载和位移值，进行多工况试算，计算结果与实测值对比，逐渐修正，直到计算值和实测值在数值和方向均非常接近为止。所形成的应力场即为自重应力场和构造应力场的叠加。

3.3 地应力反演结果及分析

地下厂房区地应力实测值与有限元反演值的对比见表3，绝大多数测点的应力反演值与实测值之间的误差不超过15%。厂房区地应力比值平均值的实测与有限元反演结果对比见表4，厂区钻孔的实测σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分别为1.65、1.74、1.05，相应的有限元反演成果为1.55、1.70、1.10。反演获得的3个主应力比值与实测比值的偏差分别是2%、6%和5%。

表3 厂房区地应力实测值与有限元反演值的对比

图7 有限元反演全场主应力矢量示意（单位：Pa）

反演得出的全场主应力矢量情况见图7。根据反演分析得出的最大水平主应力方向与实测值方向的角度差小于10°。

通过反演分析得出的地下厂房区地应力，3个主应力分布的数值、方向与实测值非常接近，绝大多数测点的应力反演值与实测值之间的误差不超过15%。反演得到最大水平主应力方向与实测值方向的角度差约10°，对于三维空间的地质力学问题而言，地应力反演成果与现场实测的差异已经很小。

表4 厂房区地应力比值平均值的实测与有限元反演结果对比

4 结论

（1）本文对某抽水蓄能电站现场地应力测量成果进行了分析，并基于三维有限元模型，对地应力进行了反演分析。厂房区ZK305、ZK307、ZK330和TXJC-2的实测σH/σh、σH/σv、σh/σv平均值分别为1.65、1.74、1.05。与此相对应的有限元反演成果为1.55、1.70、1.10。

（2）通过反演分析得出的地下厂房区地应力，3个主应力分布的数值、比值和方向均与实测值非常接近，绝大多数测点的应力反演值与实测值之间的误差不超过15%。反演获得的3个主应力比值与实测比值的误差分别是2%、6%和5%。反演得到最大水平主应力方向与实测值方向的角度差小于10°。

（3）地应力反演成果与现场实测的差异较小，能够满足工程计算分析的需要。

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温家华（1986—），男，硕士，工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站工程建设管理、水工技术应用。E-mail: jiahuawen@sgxy.sgcc.com.cn

程亚男（1987—），男，硕士，工程师，主要研究方向：地质工程。

Back analysis of initial geostress field of an underground powerhouse region

WEN Jiahua，CHENG Ya’nan
Technology Center of State Grid Xinyuan Co.LTD，Beijing 100161

The powerhouse of pumped storage power station is designed underground，and the initial geostress field is an important basis for engineering design and stability analysis of underground powerhouse.According to the regional topography,engineering geological conditions and in-situ stress data of underground powerhouse in a pumped storage power station，this paper analyzes the regional stress distribution characteristics of the underground powerhouse，and establishes a three-dimensional finite element model，and the ABAQUS numerical calculation software is used to carry out the inversion analysis.

pumped-storage power station;underground powerhouse;initial geostress field;back analysis