深切河谷區(qū)水電站廠址初始應(yīng)力場規(guī)律研究及對(duì)地下廠房布置的思考
1 引 言
我國已建或在建的許多大型水利水電工程主要分布于西部高山峽谷地區(qū)，其中多數(shù)采用了地下洞室群作為電站廠房的布置形式。而我國西部地區(qū)現(xiàn)代地殼活動(dòng)強(qiáng)烈，在地質(zhì)擠壓、切割和抬升作用下形成特有的高山峽谷地形地貌條件，使該地區(qū)形成了復(fù)雜地質(zhì)條件和高地應(yīng)力場。在這種復(fù)雜賦存環(huán)境中修建大型地下廠房洞室群，其工程設(shè)計(jì)與施工均遇到了前所未有的挑戰(zhàn)。通常情況下，水電站地下廠房布置在河谷較低高程，距岸坡水平距離100～400 m，而該距離是深切河谷區(qū)地應(yīng)力場影響顯著的區(qū)域。因此，在對(duì)地下廠房洞室群進(jìn)行布置設(shè)計(jì)時(shí)，需充分認(rèn)識(shí)和把握工程區(qū)域的初始應(yīng)力場分布規(guī)律。
從深切河谷地區(qū)地質(zhì)歷史發(fā)展的過程看，河谷演化(如地表剝蝕下切等)作用對(duì)地應(yīng)力的改造顯著，可以在一定范圍內(nèi)改變初始應(yīng)力狀態(tài)，形成一種特殊區(qū)域的初始應(yīng)力場分布。對(duì)河谷地區(qū)初始應(yīng)力場的研究也發(fā)現(xiàn)，除考慮自重和地質(zhì)構(gòu)造作用外，尚需考慮河谷發(fā)育演化作用對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力場影響，由此獲得的河谷地應(yīng)力分布具有成因分區(qū)、分帶性，與河谷現(xiàn)今初始應(yīng)力分布的一般規(guī)律較為一致。為獲得河谷地區(qū)合理的地應(yīng)力場分布特征，在對(duì)初始應(yīng)力場進(jìn)行模擬分析時(shí)，通常考慮了河谷演化規(guī)律，為此相繼提出了基于正交設(shè)計(jì)的河谷地應(yīng)力場數(shù)值分析法、河谷地應(yīng)力場的回歸分析法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值分析法等。這些方法在工程應(yīng)用中都取得了一定的成果，但尚需進(jìn)一步對(duì)河谷初始應(yīng)力場模擬理論進(jìn)行完善和實(shí)踐檢驗(yàn)。另一方面，現(xiàn)有水電站地下廠房地應(yīng)力場模擬方法通常將初始應(yīng)力場量化模型和地下廠房洞室群開挖精細(xì)計(jì)算模型相分離，也即先采用大模型(粗網(wǎng)格)進(jìn)行地應(yīng)力場模擬，然后采用應(yīng)力插值的方法，將大模型中的地應(yīng)力場轉(zhuǎn)換到地下廠房洞室群開挖精細(xì)計(jì)算的小模型(細(xì)網(wǎng)格)中，作為洞室群穩(wěn)定性分析時(shí)的初始應(yīng)力場。此類做法在三維模擬計(jì)算技術(shù)發(fā)展初期，曾取得重要進(jìn)展，但對(duì)于復(fù)雜地質(zhì)條件下地下廠房地應(yīng)力場模擬而言，具有一定的局限性，主要體現(xiàn)在不僅對(duì)地下廠房不良地質(zhì)體和巖體結(jié)構(gòu)模擬的不精細(xì)性，會(huì)引起結(jié)構(gòu)體周邊地應(yīng)力場量化的失真，而且在將大模型中的地應(yīng)力場插值到地下廠房洞室群開挖精細(xì)計(jì)算小模型過程中，還將產(chǎn)生新的誤差。隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，將初始應(yīng)力場量化模型與地下廠房洞室群精細(xì)計(jì)算模型結(jié)合起來，形成地下廠房地應(yīng)力場量化精細(xì)計(jì)算模型已經(jīng)具備條件。
錦屏一級(jí)水電站地下廠房布置于雅礱江右岸，河谷高差為千米級(jí)，斷面呈現(xiàn)出典型的深切“V”型河谷形態(tài)。工程區(qū)右岸為順向邊坡，在地貌上為臺(tái)階狀且呈陡緩相間分布。地下廠房洞室群工程區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜，巖體強(qiáng)度相對(duì)較低，初始應(yīng)力高，f13，f14，f18三大斷層和煌斑巖脈橫穿地下廠房區(qū)。根據(jù)施工期現(xiàn)場監(jiān)測和物探資料等綜合判讀，廠房洞室群變形以及松弛圈深度與同類埋深和規(guī)模的地下廠房相比，普遍偏大，且支護(hù)如錨桿和錨索)載荷超載比例相對(duì)較高，所呈現(xiàn)出的圍巖這些變形特征與力學(xué)行為超出現(xiàn)有的工程經(jīng)驗(yàn)，而這些與廠區(qū)初始應(yīng)力場分布以及地下廠房位置關(guān)系密切。所以，識(shí)別廠區(qū)初始應(yīng)力場分布規(guī)律是解譯施工期圍巖大變形破壞現(xiàn)象的`基礎(chǔ)和依據(jù)。
錦屏一級(jí)水電站地下廠房的主洞室距河岸坡水平距離較近，受深切河谷地應(yīng)力場影響明顯，具有典型的代表性。另外，由高地應(yīng)力、中等強(qiáng)度巖石條件、不良地質(zhì)體發(fā)育及地下廠房布置交互作用所誘發(fā)的一系列工程問題尚需進(jìn)一步探討。鑒于此，本文針對(duì)深切河谷水電站地下廠房區(qū)初始應(yīng)力空間分布及與洞室群布置相對(duì)關(guān)系識(shí)別問題，結(jié)合深切河谷歷史發(fā)展過程分析、應(yīng)力張量空間解析法和多核并行計(jì)算技術(shù)等，將復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下三維地應(yīng)力場模型與洞室群精細(xì)開挖計(jì)算模型相耦合，提出了考慮河谷演化規(guī)律的廠址區(qū)地應(yīng)力場量化精細(xì)數(shù)值模型的建立方法和分析思路;運(yùn)用上述模擬分析方法和層狀巖體力學(xué)模型，以錦屏一級(jí)水電站地下廠房為工程研究對(duì)象，通過廠房區(qū)地質(zhì)構(gòu)造以及河谷演化規(guī)律的解讀，對(duì)廠址初始應(yīng)力場規(guī)律進(jìn)行識(shí)別，建立了廠址區(qū)初始應(yīng)力場量化精細(xì)數(shù)值模型，后續(xù)地下廠房洞室群大規(guī)模三維計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)場圍巖變形破壞規(guī)律驗(yàn)證了初始應(yīng)力場量化模型的合理性。在此基礎(chǔ)上，對(duì)深切河谷區(qū)水電站大型地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。本文的一些認(rèn)識(shí)或建議可為我國西部類似工程設(shè)計(jì)和建設(shè)提供借鑒。
2 河谷應(yīng)力場模擬方法與分析思路
2.1 河谷應(yīng)力場模擬中一些問題分析及解決途徑
在進(jìn)行河谷初始應(yīng)力場模擬時(shí)，合理考慮河谷演化過程中的卸荷效應(yīng)對(duì)正確評(píng)價(jià)高山峽谷區(qū)地應(yīng)力場的分布狀態(tài)是必要的。為此，需要考慮 4 個(gè)假設(shè)：(1) 假設(shè)河谷形成前的遠(yuǎn)古地形相對(duì)平坦，即河谷形成前的原始地應(yīng)力場與一般平坦地區(qū)的地應(yīng)力場基本相同，主應(yīng)力分量中的2 個(gè)基本水平、一個(gè)垂直，其中垂直主應(yīng)力大小與巖體自重相當(dāng)，最大主應(yīng)力方向保持與工程區(qū)最大壓應(yīng)力方向一致;(2) 遠(yuǎn)古時(shí)期巖體原始地應(yīng)力場由巖體自重應(yīng)力和構(gòu)造應(yīng)力組成，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)在河谷發(fā)育演化前完成;(3) 工程區(qū)巖體中現(xiàn)存地應(yīng)力場主要是在遠(yuǎn)古原始地應(yīng)力場條件下，經(jīng)過長期區(qū)域性地表剝蝕下切、河流侵蝕等河谷演化作用形成;(4) 河谷淺部巖體力學(xué)特性在歷史上與現(xiàn)今邊坡深部巖體力學(xué)特性基本相同。
2.2 考慮河谷演化的地應(yīng)力場模擬方法實(shí)施步驟
具體步驟可以歸納為：
(1) 對(duì)資料進(jìn)行收集和整理，分析前期探硐變形破壞資料(或施工過程中的地下洞室變形破壞資料)和鉆孔巖芯餅化資料等，解譯地下洞室應(yīng)力型變形破壞現(xiàn)象及其發(fā)生規(guī)律等。
(2) 對(duì)實(shí)測地應(yīng)力分析，主要包括對(duì)研究區(qū)地應(yīng)力場的宏觀分析，初步判斷區(qū)域地應(yīng)力場方位和量值;同時(shí)采用應(yīng)力張量空間解析方法對(duì)地應(yīng)力測點(diǎn)應(yīng)力量值和方位特征進(jìn)行量化分析，對(duì)地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀。
(3) 對(duì)河谷演化過程分析，論證河谷侵蝕下切的演化模式，并根據(jù)河床與河谷兩岸形成地階梯狀階地，確定河谷侵蝕下切分層數(shù)量和厚度，建立考慮河谷演化過程的計(jì)算模型。
(4) 考慮河谷演化規(guī)律的數(shù)值計(jì)算模型邊界條件反演：在計(jì)算模型邊界條件反演分析時(shí)，可采用映射網(wǎng)絡(luò)+數(shù)值計(jì)算方法或者優(yōu)化方法+數(shù)值計(jì)算方法等反演方法。
(5) 初始應(yīng)力場模擬的正算模擬分析：將邊界條件代入計(jì)算模型中進(jìn)行正算，根據(jù) 3 個(gè)約束條件判斷正算結(jié)果的合理性，如果合理，停止計(jì)算;如果不合理，返回第(4)步，重新設(shè)置邊界條件范圍，至到獲得合理的初始應(yīng)力場。最后，在獲得的合理初始應(yīng)力場的基礎(chǔ)上，分析工程區(qū)的地應(yīng)力場空間分布規(guī)律以及工程開挖形成的二次應(yīng)力擾動(dòng)規(guī)律。
3 工程區(qū)構(gòu)造地質(zhì)及河谷的演化規(guī)律
3.1 地質(zhì)構(gòu)造背景分析
根據(jù)現(xiàn)今活動(dòng)斷裂構(gòu)造的分布格局，錦屏一級(jí)水電站工程區(qū)位于“川滇菱形斷塊”東部，該斷塊由安寧河斷裂帶、鮮水河斷裂帶、金沙江—紅河斷裂帶和則木河—小江斷裂帶等多期繼承性活動(dòng)的斷裂帶所圍。由于歐亞板塊受印度洋板塊強(qiáng)烈地推擠，導(dǎo)致川滇菱形斷塊向南東方向不斷推移，同時(shí)青藏高原急劇抬升，強(qiáng)烈的水平剪切錯(cuò)動(dòng)在各邊界的斷裂帶發(fā)生，是形成現(xiàn)代地震活動(dòng)發(fā)震構(gòu)造的主因。工程區(qū)的三灘向斜總體上為 NNE 向，而在平面上展布為舒緩的“S”型。該向斜平均寬度約為 2 km，其長度約為 15 km，控制著工程區(qū)巖層的產(chǎn)狀及其空間分布，導(dǎo)致壩區(qū)部位的向斜翼部地層向左岸傾斜，其平均產(chǎn)狀約為 N30°E，NW∠35°。
3.2 河谷演化規(guī)律分析
錦屏一級(jí)水電站工程區(qū)地貌上右岸呈陡緩相間的臺(tái)階狀，該區(qū)域的現(xiàn)代地形和地貌是在喜山運(yùn)動(dòng)作用下演化而來的。根據(jù)工程區(qū)的地形和地貌發(fā)育特征，可以大體上將工程區(qū)河谷地形和地貌的演化階段，劃分為 3 個(gè)主要演化時(shí)期，即準(zhǔn)平原期、寬谷期以及峽谷期。其中在準(zhǔn)平原期，現(xiàn)今工程區(qū)所存留的一級(jí)夷平面為在上新世準(zhǔn)平原時(shí)期被抬升、解體而成的夷平面;而在寬谷期，隨著青藏高原的抬升和川滇菱形斷塊向東擠出，發(fā)育成寬谷，河流縱比降小;在峽谷期，出現(xiàn) VII 和 VI 級(jí)階地，形成典型的高山峽谷地貌。
4 地下廠房區(qū)初始應(yīng)力場識(shí)別
4.1 地下廠房工程概況
錦屏一級(jí)水電站引水發(fā)電系統(tǒng)的地下洞室群主要包括引水隧洞、主廠房(包括副廠房、安裝間等)、母線洞、主變室、尾水管、尾水調(diào)壓室和尾水洞等約40 個(gè)洞室，其中的三大洞室如主廠房、主變室和尾調(diào)室呈平行布置(見圖 4[13])，主洞室縱軸線方位為N65°W，主廠房全長約 277 m，開挖高度 68.80 m，吊車梁以上開挖跨度28.90m，以下開挖跨度25.60m;主機(jī)間的尺寸為 204.52 m×25.90 m×68.80 m(長×寬×高)，頂拱的高程為 1 675.10 m。主變室位于主廠房下游，廠房和主變室之間的巖柱厚度為45m，主變室的尺寸為197.10 m×19.30 m×32.70 m(長×寬×高)，頂拱的高程 1 679.20 m。
4.2 地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果分析
根據(jù)廠房布置方案，地應(yīng)力測點(diǎn)主要布置在相應(yīng)平洞中，采用孔徑法多組測試成果。采用全空間赤平投影方法和平面投影應(yīng)力解析對(duì)廠址區(qū) 7 組地應(yīng)力測點(diǎn)的應(yīng)力張量特征進(jìn)行量化分析，并與前期勘探平硐變形破壞現(xiàn)象的力學(xué)定性分析成果進(jìn)行對(duì)比研究和論證，對(duì)地應(yīng)力測試結(jié)果進(jìn)行解析(見圖 7，其中圓圈、方塊、菱形分別表示第一、二、三主方向單位矢量，投影平面應(yīng)力橢圓中長軸為最大主應(yīng)力，短軸為最小主應(yīng)力)。將地應(yīng)力實(shí)測值轉(zhuǎn)換到計(jì)算坐標(biāo)系下，獲得了廠區(qū)地應(yīng)力測點(diǎn)平面主應(yīng)力比值和應(yīng)力矢量特征角。
5 初始應(yīng)力場分布規(guī)律及驗(yàn)證
對(duì)所獲得的廠址區(qū)地應(yīng)力場量化精細(xì)模型進(jìn)行解讀，該區(qū)域地應(yīng)力場的總體特征：工程區(qū)的地應(yīng)力場分布受河谷演化和斷層及煌斑巖脈的雙重影響，從宏觀上可以分為 5 個(gè)區(qū)域，主要包括河谷底部的應(yīng)力集中區(qū)、岸坡淺表層的應(yīng)力卸荷區(qū)、巖體深部的原巖應(yīng)力區(qū)、應(yīng)力卸荷區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)之間的應(yīng)力過渡區(qū)以及斷層等構(gòu)造影響的斷層應(yīng)力影響區(qū)。
6 對(duì)地下廠房布置的一些思考
我國西部修建的水電站地下廠房主洞室(跨度在 30 m 左右，高跨比平均約 2.35)因裝機(jī)規(guī)模大而超過一般主洞室，且洞室地應(yīng)力高、地質(zhì)條件復(fù)雜，給高地應(yīng)力區(qū)地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)提出了新的挑戰(zhàn)。工程實(shí)踐表明，最大主應(yīng)力以及規(guī)模較大結(jié)構(gòu)面(如斷層、錯(cuò)動(dòng)帶等)是廠房洞室群布置需要考慮的主導(dǎo)因素[16]。所以，在常規(guī)的水電站地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)理念中，通常要求主洞室軸線與最大主應(yīng)力成較小夾角，與結(jié)構(gòu)面呈較大夾角[17-19]。目前的深切河谷區(qū)地下廠房布置也遵循了這一設(shè)計(jì)理念。然而，諸如上述的錦屏一級(jí)水電站等深切河谷區(qū)大型地下廠房在施工過程中，洞室開挖卸荷后出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的圍巖變形破壞現(xiàn)象(如圍巖松弛卸荷深度大、圍巖大變形、時(shí)效顯著等)，增加了工程技術(shù)上的風(fēng)險(xiǎn)，威脅著工程的安全。從圍巖變形破壞的機(jī)制來看，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比、三維地應(yīng)力場等成為影響深切河谷區(qū)大型地下廠房洞室群安全的關(guān)鍵因素[8]。所以，在深切河谷區(qū)地下廠房洞室群結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)時(shí)，除應(yīng)考慮常規(guī)洞室群布置的基本要求外，尚需考慮巖石強(qiáng)度應(yīng)力比和三維地應(yīng)力場的影響。在對(duì)深切河谷區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，建議一種基于三維地應(yīng)力、巖體結(jié)構(gòu)特征和巖石強(qiáng)度應(yīng)力比的深切河谷區(qū)地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)方法。
7 結(jié) 論
本文依托錦屏一級(jí)水電站地下廠房工程，在工程區(qū)地質(zhì)構(gòu)造和河谷演化規(guī)律分析的基礎(chǔ)上，建立了廠址區(qū)地應(yīng)力場量化模型并識(shí)別了初始應(yīng)力場規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)深切河谷高地應(yīng)力區(qū)地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)方面提出了一些認(rèn)識(shí)和建議，主要的一些認(rèn)識(shí)如下：
(1) 本文給出的考慮河谷演化規(guī)律的地應(yīng)力場模擬方法和具體實(shí)施步驟，可用于解決地應(yīng)力張量空間分布特征及其與洞室群布置相對(duì)關(guān)系的問題;同時(shí)利用多核并行計(jì)算技術(shù)，將復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下三維地應(yīng)力場模型與洞室群精細(xì)開挖計(jì)算模型相耦合，建立地下廠房地應(yīng)力場量化精細(xì)計(jì)算模型的研究方法，為水電站地下廠房洞室群地應(yīng)力場量化模型的建立提供了一種新思路。
(2) 在建立的廠址區(qū)地應(yīng)力場量化模型基礎(chǔ)上，劃分了河谷初始應(yīng)力場不同區(qū)域，結(jié)果表明，錦屏一級(jí)地下廠房洞室群位于深切河谷附近應(yīng)力變化較大且應(yīng)力水平相對(duì)較高的應(yīng)力過渡區(qū)，該區(qū)的初始高地應(yīng)力環(huán)境是源于河谷地應(yīng)力場與斷層等構(gòu)造的耦合作用，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比為 1.5～3.0，主應(yīng)力比為 1.9～2.5。在這種高地應(yīng)力–低強(qiáng)度應(yīng)力比且高主應(yīng)力比聯(lián)動(dòng)效應(yīng)下，在主廠房和主變室等主洞室圍巖中出現(xiàn)的大變形分布范圍及卸荷松弛深度超過同等規(guī)模的地下廠房洞室群。而施工期地下廠房洞室出現(xiàn)的諸多應(yīng)力型的變形破壞模式的出現(xiàn)位置和分布特征，則佐證了反演出的廠址初始應(yīng)力場的合理性，同時(shí)也驗(yàn)證了所給出的考慮河谷演化規(guī)律地應(yīng)力場模擬方法的科學(xué)性和可行性。
(3) 在對(duì)高地應(yīng)力區(qū)三維地應(yīng)力場特征認(rèn)識(shí)和錦屏一級(jí)等水電站地下廠房工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，提出了一種考慮三維地應(yīng)力、巖石強(qiáng)度應(yīng)力比和巖體結(jié)構(gòu)特征的高山峽谷高地應(yīng)力區(qū)地下廠房洞室群結(jié)構(gòu)布置設(shè)計(jì)方法，本質(zhì)上體現(xiàn)了地下洞室群荷載特征(三維地應(yīng)力)、圍巖結(jié)構(gòu)特征及承載能力(巖石強(qiáng)度)等因素的協(xié)同耦合作用，不僅兼容了傳統(tǒng)布置設(shè)計(jì)要求，同時(shí)考慮三維地應(yīng)力特征(不僅考慮最大主應(yīng)力量值和方位，而且增加考慮地應(yīng)力場分布、主應(yīng)力比等)、巖石強(qiáng)度應(yīng)力比等重要因素。根據(jù)這一布置設(shè)計(jì)方法，從定性角度建議了洞室位置、洞室縱軸線、洞室間距和洞型等確定的一些原則和思路。
目前，尚未見針對(duì)高地應(yīng)力環(huán)境中水電站地下廠房洞室群布置設(shè)計(jì)方面較為系統(tǒng)的研究成果。本文也僅僅根據(jù)已有研究成果和工程實(shí)踐對(duì)高地應(yīng)力區(qū)地下廠房洞室群布置提出一些定性的思考和建議，下一步尚需針對(duì)巖石強(qiáng)度應(yīng)力比、主應(yīng)力比等指標(biāo)提出具體量值，定量化開展高地應(yīng)力區(qū)地下廠房洞室群結(jié)構(gòu)布置的研究。
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