深切河谷區(qū)水電站廠址初始應(yīng)力場(chǎng)規(guī)律研究及對(duì)地下廠房布置的思考
1 引 言
我國(guó)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(guó)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(chǎng)。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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布。對(duì)河谷地區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)分布特征，在對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)數(shù)值分析法、河谷地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)模擬方法通常將初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)。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(chǎng)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(chǎng)量化的失真，而且在將大模型中的地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)監(jiān)測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)規(guī)律進(jìn)行識(shí)別，建立了廠址區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)圍巖變形破壞規(guī)律驗(yàn)證了初始應(yīng)力場(chǎng)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(guó)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(chǎng)模擬方法與分析思路
2.1 河谷應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)與一般平坦地區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)主要是在遠(yuǎn)古原始地應(yīng)力場(chǎng)條件下，經(jīng)過長(zhǎng)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(chǎng)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(cè)地應(yīng)力分析，主要包括對(duì)研究區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的宏觀分析，初步判斷區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)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(cè)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(cè)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(chǎng)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(chǎng)。最后，在獲得的合理初始應(yīng)力場(chǎng)的基礎(chǔ)上，分析工程區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)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(zhǎng)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(chǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)×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(zhǎng)×寬×高)，頂拱的高程 1 679.20 m。
4.2 地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析
根據(jù)廠房布置方案，地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)主要布置在相應(yīng)平洞中，采用孔徑法多組測(cè)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(cè)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(cè)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(zhǎng)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(cè)值轉(zhuǎn)換到計(jì)算坐標(biāo)系下，獲得了廠區(qū)地應(yīng)力測(cè)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(chǎng)分布規(guī)律及驗(yàn)證
對(duì)所獲得的廠址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)量化精細(xì)模型進(jìn)行解讀，該區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)的總體特征：工程區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)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(guó)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(chǎng)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(chǎng)的影響。在對(duì)深切河谷區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)量化模型并識(shí)別了初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)量化模型基礎(chǔ)上，劃分了河谷初始應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)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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