藏东南某大型水电站工程区地应力状态及反演分析.pdf

引用格式：李征征，杨文超，张鹏，等，2023.藏东南某大型水电站工程区地应力状态及反演分析 J.地质力学学报，29（3）：442452.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232912Citation:LIZZ，YANGWC，ZHANGP，etal.，2023.In-situstressmeasurementandinversionanalysisofalargehydropowerprojectinsoutheastTibetJ.JournalofGeomechanics，29（3）：442452.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232912藏东南某大型水电站工程区地应力状态及反演分析李征征1，杨文超1，张鹏2，李常虎1，范玉璐2LIZhengzheng1，YANGWenchao1，ZHANGPeng2，LIChanghu1，FANYulu21.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西西安710065；2.中国地质科学院地质力学研究所，北京1000811.Northwest Engineering Corporation Limited,Xian 710065,Shannxi,China;2.Institute of Geomechanics,Chinese Academy of Geological Sciences,Beijing 100081,ChinaIn-situ stress measurement and inversion analysis of a large hydropower project in southeast TibetAbstract:Asacontrolandregulatingproject,thehydropowerstationintheYigongzangbubasinofTibetplaysavitalroleinmeetingtheelectricitydemandoftheTibetanpowergrid.Identifyingthishydropowerstationspresent-dayin-situstressenvironmentandunderstandingthecharacteristicsofin-situstressdistributionatcriticallocationssuchasundergroundplantsanddiversiontunnelsareessentialtoensureitsengineeringsafety.Basedonthetectonicandgeologicalbackgroundandrockconditionsoftheprojectarea,wecarriedouthydraulicfracturingin-situstressmeasurementsbyplacingboreholesandobtainedin-situstressdatafrom4measurementpoints(8boreholes).Afiniteelementthree-dimensionalgeologicalmodelwasestablishedaccordingtotheexistinggeologicalconditions.Themeasuredstressstaterevealedtheloadingconditions,andtheinverseanalysisofthestressfieldintheengineeringareawasmade.Themaximumhorizontalprincipalstressrangesfrom4.17to16.93MPainthe2Dtestand14.2to16.23MPainthe3Dtest.ThemaximumhorizontalprincipalstressorientationisNE38toNE47,andtheNEdirectiondominatesthepresent-daytectonicstressfield.Inthe2995-meterelevationhorizontalplaneoftheundergroundplantareaofthepowerstation,thestressvaluesof1,2,and3rangefrom11.70to12.12MPa,9.81to10.74MPa,and5.22to6.85MPa,respectively.Themaximumprincipalstressvalueof1,2,and3alongthediversiontunnelrangefrom11.8to14.05MPa,10.13to12.83MPa,and4.56to8.49MPa,respectively.The axis direction of this hydropower stations underground plant and the diversion tunnels axisdirectionintersectataslightanglewiththedirectionofthemeasuredmaximumprincipalstress,andthegroundstressfieldisfavorabletothestabilityoftheprojectcavern.Itisnecessarytoconsidertheactualgeologicalconditionsandadoptsuitable tunnel construction technology in the later construction process.The construction monitoring should also bestrengthenedtoensuretheprojectssafeconstruction.Keywords:southeastTibet；hydropowerstation；hydraulicfracturing；in-situstressmeasurement；inverseanalysisofin-situstress；engineeringstability摘 要：某水电站作为西藏易贡藏布流域的控制性调节工程，对满足西藏电网的用电需求发挥重要作用。为查明该水电站现今地应力环境，掌握地下厂房、引水隧洞等关键位置地应力分布特征，保障其工程安全，文章综合考虑工程区构造地质背景、岩体条件等，通过布设钻孔开展水压致裂法地应力测量工作，获得 4 个测点（8 个孔）的地应力数据；依据现有地质条件，建立有限元三维地质模型；通过测得的应力状态，获得加载条件，进行工程区应力场反演分析。结果表明：二维地应力测试结果显示最大水平主应力为 4.1716.93MPa，三维地应力测试结果显示最大主应力为 14.2016.23MPa，最大水平主应力方第一作者：李征征（1991），男，硕士，工程师，主要从事水电工程地质勘察工作。E-mail:通讯作者：张鹏（1986），男，博士，副研究员，主要从事地应力测量与监测工作。E-mail:收稿日期：20230323；修回日期：20230518；责任编辑：王婧第29卷第3期地质力学学报Vol.29No.32023年6月JOURNALOFGEOMECHANICSJun.2023位为 NE38NE47，现今构造应力场以北东向为主导；电站地下厂房区域 2995m 高程水平面最大主应力 1应 力 值 为 11.7012.12MPa，中 间 主 应 力 2应 力 值 为 9.8110.74MPa，最 小 主 应 力 3应 力 值 为5.226.85MPa；引水隧洞沿线最大主应力值 1为 11.814.05MPa，中间主应力值 2为 10.1312.83MPa，最小主应力值 3为 4.568.49MPa；该水电站地下厂房轴线方向和引水隧洞轴线方向与实测最大主应力方向呈小角度相交，地应力场对工程洞室的稳定性有利。后期施工过程中应综合考虑实际地质情况，采用适宜的隧洞施工技术并加强施工监测，从而确保工程安全建设。关键词：藏东南；水电站；水压致裂法；地应力测量；应力场反演分析；工程稳定性中图分类号：TV221；P315.72+7文献标识码：A文章编号：10066616（2023）03044211DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.202329120引言岩体内的初始应力场是影响地下工程围岩变形及破坏形式的主要因素，是水电工程地下厂房、引水隧洞等地下建筑物工程稳定性分析和设计的重要参量（李四光，1973；刘允芳，2000）。地应力值的大小和方向对洞室的稳定性影响比较复杂，其影响因素主要有应力大小、最大主应力与洞室轴线的夹角、洞室横断面内的差应力等（肖本职，2008），因此准确查明工程区内的初始应力场分布规律至关重要。现场实测是了解应力场最直接、最准确的途径，但地应力测试工作耗时耗力，同时还受到现场交通、场地地形、工程投资和工期的制约，故无法进行大批量的测量。为了全面了解工程区的地应力分布特征，利用数值模拟技术，结合少量的实测数据，对整个工程区进行应力场反演分析，是获取大范围应力场分布规律的有效手段（肖蕾等，2019；樊启祥等，2020；程王润等，2021），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技术资料（韩斌等，2022）。这种从局部“点”到宏观“面”的分析方法，在国内外水电、矿山等项目中获得大量的工程实践应用。付成华等（2006）根据溪洛渡水电站坝址区实测地应力对工程区初始应力场进行了反演分析研究；袁风波等（2007）对拉西瓦水电站工程河谷区地应力进行反演分析，得出地应力场的空间分布特征和规律；谢红强等（2008）对锦屏水电站坝址区进行了初始地应力场回归反演分析，为工程高边坡的开挖支护和地下 厂 房 的 稳 定 分 析 提 供 应 力 场 参 数；张 延 新 等（2010）对万福煤矿进行了地应力测试和有限元分析；周勇等（2018）对杨房沟水电站深切河谷地应力场进行反演分析；Renetal.（2021）针对冀北某隧道实测地应力数据偏少的问题，采用三维有限差分法反 演 分 析 了 整 个 工 程 区 域 的 地 应 力 场；Wangetal.（2016）对西藏邦铺矿区开展了地应力测试和应力场有限元分析。因此，水压致裂法地应力测量与应力场反演分析技术在国内外地下工程设计施工与安全运行过程中发挥了重要作用。文章研究的水电站位于西藏自治区那曲市嘉黎县境内的易贡藏布干流，发源于嘉黎县西北面念青唐古拉山脉南麓，流至通麦汇入帕隆藏布。其干流全长 286km，流域面积 13559km2，河口处年平均流量461m3/s，多年平均年径流量 145.1108m3，天然落差 3070m，蕴含极其丰富的水力资源。该水电站枢纽建筑物由混凝土双曲拱坝、泄洪消能建筑物和引水发电建筑物三大系统组成，其中双曲拱坝最大坝高为 270.0m，水电站拟建总装机容量 1020.0MW，最大库容 11.55108m3，具有区域构造条件复杂、初拟坝高较高、地下厂房埋深大等特点，施工难度较大，地质安全问题突出。受印度洋板块向欧亚大陆板块俯冲挤压作用影响（EnglandandMolnar，1997；王二七等，2001），西藏 地 区 区 域 构 造 活 动 强 烈（Harrison et al.,1992；Molnaretal.,1993；Roydenetal.,1997；Tapponnieretal.,2001），高地应力诱发的应力型破坏、强烈岩爆和软岩大变形问题极为突出（侯靖等，2019）。工程区位于西藏东南部，区域构造活动强烈，应力场复杂多变，地层岩性以硬质花岗岩为主，同时为深切峡谷地形，以上条件均有利于孕育高地应力条件