地应力场的回归分析与工程应用实例_潘盼.pdf

第 36 卷第 1 期2023 年 2 月常 州 工 学 院 学 报Journal of Changzhou Institute of TechnologyVol 36No 1Feb 2023doi:10 3969/j issn 1671-0436 2023 01 002收稿日期:2022-12-09作者简介:潘盼(1989)，女，江苏常州人，工程师，pan2425 qq com，主要研究方向为水利工程建设管理。地应力场的回归分析与工程应用实例潘盼，管文尧(常州市河道湖泊管理处，江苏 常州 213000)摘要:分析地应力场产生的原因及影响因素，阐述地应力场的回归分析方法，以地应力测点实测资料为基础，建立三维地质模型和数值计算模型，对安徽响水涧抽水蓄能电站厂址区域地应力场进行多元线性回归反演分析。对比实测应力与反演所得应力，两者数值上的差值最大为 1 28MPa，总体误差较小。说明采用应力回归计算求得的初始地应力场能够较真实地反映工程实际情况，可为设计、施工提供有效参考。关键词:地应力场;回归分析;有限元;三维模型;抽水蓄能电站中图分类号:TV743;TV731+6文献标志码:A文章编号:1671-0436(2023)01-0007-05egression Analysis and Engineering Application of In-situ Stress FieldPAN Pan，GUAN Wenyao(Changzhou iver and Lake Management Office，Changzhou 213000)Abstract:The causes and influencing factors of in-situ stress field are analyzed，and the regression a-nalysis method of in-situ stress field is expounded Based on the measured data of in-situ stress measurementpoints，a three-dimensional geological model and a numerical calculation model are established to analyzethe in-situ stress field of Anhui Xiangshui Jian pumped storage power station site area by multiple linear re-gression inversion Comparing the measured stress with the inverse stress，the maximum difference betweenthe two values is 1 28 MPa，and the overall error is small It indicates that the initial stress field obtained bystress regression calculation can reflect the actual situation of the project more realistically and can provideeffective reference for design and constructionKey words:in-situ stress field;regression analysis;finite element method;three-dimensional model;pumped storage power station0引言我国地下水电站建设与世界各国相比，起步较晚，通过多年来的工程实践，在岩体力学试验和测试、地质力学模型试验、弹塑性理论的应用、有限单元法的分析计算、地下厂房洞室支护设计等方面从理论到实践均积累了一定的经验，但面对规模巨大的地下工程设计，依然会遇到许多新的挑战。安徽响水涧抽水蓄能电站(以下简称电站)地下厂房洞室群规模大，数量多，主副厂房洞、主变洞均为大跨度洞室，与母线洞、尾水洞、出线洞、交通洞、排水廊道等纵横交错，布置复杂，地质条件也较为复杂。为了确定合理的洞室群布置，评价地下厂房围岩的安全性和稳定性，确定合理的支护方案，研究分层开挖对洞室围岩稳定的影响，需进行响水涧地常州工学院学报2023 年下厂房洞室群的地应力场分析。1地应力场的反演原理与应用方法地应力场即初始地应力场，是赋存于天然岩体内部的应力状态在地壳内随空间点的变化，主要由重力和地质构造运动作用形成，又由于岩体的物理特性和风化、剥蚀等作用，其应力在不断地释放和重分布，形成当前的残留应力状态1。在初始地应力反演分析时，考虑自重及构造运动两因素，主要通过以下 6 个应力场来模拟:根据岩体密度计算自重应力得到的自重应力场;X 向水平均匀挤压构造运动产生的应力场;Y 向水平均匀挤压构造运动产生的应力场;水平面内的均匀剪切变形构造运动产生的应力场;X 向垂直平面内的竖直均匀剪切变形构造运动产生的应力场;Y 向垂直平面内的竖直均匀剪切变形构造运动产生的应力场。从定性和定量角度对岩体初始地应力场进行认识，可采取地质学法、原岩地应力测量方法、数值计算模拟法等。对岩体初始地应力场的计算反演方法主要有海姆法则、侧压力系数法、边界荷载调整法、有限元数学模型回归分析方法、地应力场的应力函数趋势分析法、地应力场的应力函数回归分析法等，每种方法均有其适用条件和范围2 3。对于大多数岩土工程，根据工程范围内部分控制点的实测应力值，考虑地形、地质、岩性等因素，对相应数值进行分析反演、回归和模拟，推断地应力量值和初始地应力场，是一种重要且较为有效的方法。回归分析法在国内外很多水利水电工程中均有实际应用，是 目 前 最 广 泛 的 地 应 力 场 反 演 分 析 方法4 7。所获得的初始应力场能符合地应力场的实际分布规律，即符合 2 条原则:计算的初始地应力场在实测点处与实测应力值基本一致;计算的初始应力场符合地形、地貌和地质构造等因素对地应力场分布的影响规律，即保证整个区域应力场分布规律的吻合。2地应力场多元线性回归分析2 1回归模型8 10 针对电站厂址区域地形地貌特征，一般可以认为，厂址区域的实测初始地应力及其所反映的初始地应力场 是下列变量的函数:=f(x，y，z，E，U，V，W，T，)式中:为初始地应力值;x、y、z 为地形和地质体空间位置坐标数据;E、为岩体的弹性模量、泊松比和容重;为自重因素;U、V、W 为地质构造作用因素;T 为温度因素。假定岩体区域处在弹性工作状态下，依据线性叠加原理可得第 k 点初始地应力场表达式:=L1+L2U+L3V+L4W+L5T+k式中:Li(i=1，2，3，)为回归系数;k为观测误差。假定有 n 种不同的工况，地应力回归计算值作为因变量，把数值计算求得的自重应力场和各分项因素下的构造应力场相应于实测点处的应力计算值作为自变量，可建立回归方程:jk=ni=1Liijk式中:k 为观测点的序号;应力分量 j 为 1 n，分别对应于 n 个应力分量;jk为第 k 个观测点的应力分量回归计算值;ijk为 i 分项荷载模式下 k 观测点 j 应力分量的数值计算值。2 2回归分析方法以地应力测点实测资料为基础，建立三维地质模型和数值计算模型，进行电站厂址区域地应力场的多元线性回归反演分析，具体计算分析可分为以下几个步骤:根据现场实际勘测数据，利用软件建立有限元模型;对 6 类初始影响因素的基本工况开展有限元计算，可得应力测点处的 6 个应力分量计算值;根据应力测点的应力计算值和实测值，用多元逐步回归分析，得到回归方程后，可计算出地应力场整体分布情况。3电站实例地应力场回归分析工程实例中的电站为抽水蓄能电站，在电网中承担调峰、填谷、调频、调相和事故备用等任务，8第 1 期潘盼，等:地应力场的回归分析与工程应用实例以缓解系统严重的调峰矛盾，改善系统火电、核电机组运行状况，提高系统供电质量，为电网安全运行提供保障。电站枢纽主要建筑物包括上水库、下水库、输水系统、地下厂房和开关站等，其中，输水系统和地下厂房位于上下水库间的山体内。输水隧洞采用“一洞一机”的布置方案，布置 4 条输水隧洞。地下厂房布置在山体内，厂房轴线方向为 N30E，主要洞室有主副厂房洞、主变洞、母线洞、电缆出线洞、通风兼安全洞等，采用直墙曲拱型，主副厂房洞和主变洞平行布置，两大洞室相距 35 m，山体内主要洞室三维模型见图 1。图 1洞室三维模型3 1地应力场计算范围和单元剖分建立有限元计算坐标系:顺水流方向为 X轴，机组轴线方向为 Z 轴，竖直向上为 Y 轴，计算原点位于副厂房右端墙，高程 59 35 m 处。X轴范围为(232 542，367 458)，Z 轴范围为(469 399，280 601)，地下厂房工程地质整体三维计算网格见图 2。图 2地质整体三维网格图3 2地应力场计算参数3 2 1围岩分类地下厂房围岩分别按照水电地下工程围岩分类法、巴顿 Q 系统法和比尼奥斯基方法(M)进行分类。根据电站可行性研究复核报告内工程地质实际情况，分类结果分别为 II 类、评价好和评价 优，综 合 确 定 地 下 厂 房 区 围 岩 类 别 为II 类11。3 2 2计算参数选取电站地下厂房区岩体物理力学参数表采用地质勘测报告提供的建议值，参见表 1，计算时选取变形模量 16 GPa，密度 2 5 g/cm3，泊松比 0 22，弹性模量 25 GPa。表 1地下洞室岩石(体)物理力学参数岩体参数III 类岩体II 类岩体湿容重/(kNm3)245 25025 0饱和抗压强度 b/MPa70 90100变形模量/GPa8 1016 20泊松比 0 25022坚固性系数 fk4 78 10单位弹性抗力系数KO/(MPacm1)35 7080 120混凝土抗剪强度 f/Mpa1051 2岩抗剪强度 c/Mpa101 3外水压力折减系数04 0 83 2 3地应力场计算和分析输水发电系统三维地应力测试共完成 4 组孔，地下厂房区平洞 PD7(洞深 115 350 99 m段)中的 PD7-1a(70 m 测点)、PD7-1b(洞端测点)、PD7-2(洞端测点)、PD7-3(洞底高程约 15 m测点)，试验采用水压致裂法。各孔组的三维地应力成果汇总见表 2。表中 1、2、3为大地坐标应力分量，倾角向上为正，向下为负。表 2钻孔三维地应力测试计算结果汇总表测点位置主应力 /MPa方位角/()倾角/()PD7-1a1=9 991=23581=2122=5 622=13052=3423=4 713=35133=481PD7-21=10 151=25551=1532=7 082=35092=1903=3 733=12913=653PD7-1b1=9 751=23641=512=6 212=32952=3073=3 513=13803=588PD7-31=9 261=5761=2182=6 052=31342=3163=3 503=17613=501因实测值所在坐标系与计算坐标系不一致，9常州工学院学报2023 年需要将实测的 4 个孔组的应力进行坐标转换，得到计算模型中的应力分量。2 个坐标系转换公式如下:li=cos icos imi=cos isin ini=sin i式中:li、mi、ni分别为 i对 X、Y、Z 轴的方向余弦;为主应力在水平面上的投影方位角，正北为0，顺时针为正;为主应力的倾角。根据每组实测主应力值及上述计算得到的方向余弦，再通过下式即可将主应力转换成计算坐标应力:x=l211+l222+l233y=m211+m222+m233z=n211+n222+n233经计算得到各个测点在计算模型中的坐标及其正应力值见表 3。表 3测点在计算模型中的坐标及其正应