江坪河水电站坝址区初始地应力场三维数值反演分析

周洪福，王春山，聂德新，陈正峰（.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 6008；.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 60059；.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 6005）



江坪河水电站坝址区初始地应力场三维数值反演分析

周洪福1，王春山1，聂德新2，陈正峰3
（1.中国地质调查局成都地质调查中心，四川成都 610081；2.成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都 610059；
3.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川成都 610052）

摘要：在对江坪河水电站区域地应力场特征进行实测分析的基础上，通过对三维模型施加不同的边界载荷，对比分析应力拟合点处的计算应力与实测应力，采用三维数值分析方法对水电工程坝址区初始地应力场进行反演分析。结果表明：江坪河水电站坝址区初始地应力场量值较低，最大主应力为2. 5 MPa，方向为N45°W；最小主应力为1. 5 MPa，方向为N45°E。应力拟合点处应力计算值与实测值较为接近，表明反演得到的坝址区初始地应力场是合理的，符合坝址区地质构造历史背景。

关键词：初始地应力场；三维数值分析；反演分析；边界载荷调整法；江坪河水电站

岩体初始应力场是岩体变形与稳定分析、工程设计与施工的主要依据之一，也是进行围岩稳定性分析的前提[1]。由于岩体初始地应力场的形成与诸多因素有关，其中绝大多数因素至今仍不能精确获知，如何准确反映工程中岩体初始地应力场是一个重要课题[2-3]。了解地应力场最直接的方法是实测法，但受时间、经费、技术等条件的限制不可能进行大量现场测试；另一方面，地应力场受各种外在因素影响较多，现场测量结果在很大程度上只能反映测量点附近的局部应力场[4]，并且测量结果有一定的离散性。为弥补现场实测方法的不足，许多学者采用不同方法从不同角度对地应力场进行了反演分析，取得了较多的研究成果[5-13]。但这些研究多采用地应力场回归反演分析法、应力函数趋势分析法和有限元数学模型回归分析法等，采用边界荷载调整法进行地应力场反演分析的研究相对较少。对于岩体完整性较好、构造相对不发育的地区，边界载荷调整法不失为一种简便、可靠的地应力场反演分析方法。笔者在实测地应力场的基础上，结合地形地质条件，利用三维数值分析计算方法，采用边界载荷调整法对江坪河水电站坝址区小范围内初始地应力场的量值和方向进行反演分析。

1 工程概况

江坪河水电站位于澧水一级支流溇水河上游，地处湖北鹤峰县走马镇江坪河附近。坝址距走马镇16 km，距桑植县城180 km。电站大坝为混凝土面板堆石坝，正常蓄水位为470 m，最大坝高为219 m，装机容量为450 MW，库容为13. 66亿m3，工程规模为大（1）型。工程枢纽由混凝土面板堆石坝、右岸泄水建筑物、左岸引水发电系统等建筑物组成，是溇水河上游唯一的多年调节水库。

江坪河水电站坝址区地貌形态以溶蚀峰丛洼地为主，河谷呈“V”字形，枯水期河水位为290 m，谷宽30～50 m，两岸谷坡坡度50°～55°，局部近直立状。坝址区地层岩性为寒武系中统下统灰岩，夹少量白云质灰岩、泥质白云岩、硅质灰岩（图1），岩溶发育，呈中厚层巨厚层状，产状230°～250°∠10°～15°，岩层走向与河流流向近于正交，倾向上游略偏右岸。统计结果表明，坝址区优势断裂主要有3组，第1组为220°～245°∠68°～85°；第2组为335°～358°∠75°～85°；第3组为顺层的层间错动带。

2 坝址区地应力场特征

由于江坪河水电站临近三峡电站和葛洲坝电站，并且属于同一构造单元（扬子陆块区），在缺少大量可靠地应力实测资料的情况下，可以利用这两个电站的地应力测量结果初步分析江坪河水电站坝址区地应力场特征。三峡、葛洲坝水电站的地应力测量结果见表1。从表1可以看出，长江科学院采用李曼式解除法测得的三斗坪花岗岩最大主应力为5. 36～10. 30 MPa，平均值为7. 36 MPa；中国科学院采用应变片解除法测得葛洲坝粉砂岩最大主应力仅为0. 78～2. 72 MPa。如果最大主应力接近水平方向，取岩体密度2. 6 g/ cm3，则三斗坪和葛洲坝地区大致的最大构造应力分别为4. 5～6 MPa和0. 5～2 MPa。这与四川西部、青藏高原东部构造应力场最大主应力大多超过10 MPa的量值比较，三峡和葛洲坝地区地应力量值较低。

从表1可知，三峡和葛洲坝地区最大主应力方向为NE和NW方向。由于江坪河水电站区域主要构造线呈NE方向展布，最大主应力方向应垂直于主要构造，因此江坪河坝址最大主应力方向应为NW向。

表1 三峡和葛洲坝地区地应力测量结果

3 坝址区初始地应力场反演分析

3. 1 反演步骤

步骤1 在坝址区通过平洞选取典型地段进行地应力测量，将测量地点和测量结果分别作为地应力反演分析的应力拟合点和拟合数值。

步骤2 充分考虑三维计算的精度、边界效应，尽量将应力拟合点置于模型中部，建立地应力场三维反演模型。

步骤3 根据水电站所在区域地应力场方向和量值，确定合理的边界加载方案。

图1 江坪河水电站坝址区地层岩性及构造示意图

步骤4 计算地应力测量点处地应力测量值与计算值之差，测量值与计算值之差最小时的边界应力值即为合理的初始地应力。

3. 2 应力拟合点的确定

在进行地应力反演分析之前，首先应该确定应力拟合点。分别在PD21号平洞214 m处高程321. 3 m和278. 5 m位置进行2组三维地应力测量，测量结果如下：①高程321. 3 m处σx＝2. 92 MPa，σy＝3. 29 MPa，σz＝5. 4 MPa；②高程278. 5 m处σx＝3. 6 MPa，σy＝4. 17 MPa，σz＝6. 6 MPa。

测量结果表明，测量点处地应力量值较低，水平方向地应力量值在2. 9～4. 2 MPa之间，这与坝址所在区域构造应力整体量值较小有关。从地应力测量点所处的位置来看，测量点距离岸坡表部的水平深度和上覆岩层厚度均在200 m以上，受边坡浅表部风化卸荷作用和地形地貌影响较小，可以作为构造应力场反演的应力拟合点。

3. 3 计算范围的确定和计算模型的建立

根据坝址区地形地貌、岩性以及坝基岩体风化程度（图1），为消除边界效应，设计溇水从模型中部通过，建立的地应力反演模型见图2。图中x轴垂直河流方向，指向正南；y轴平行河流方向，指向正西；z轴为垂直方向。模型x轴方向长885 m，y轴方向长575 m。考虑到水电站所在区域地应力方向（最大主应力方向为NW向）和数值（地应力值整体较低），计算模型的边界条件如下：模型底面三面约束，根据区域地应力场特征，模型南面（右侧）和东面（后侧）也为约束边界，模型西面（前侧）和北面（左侧）为加力边界。整个计算模型共有12 374个计算单元，55985个计算节点。根据边坡风化情况一共划分3种材料，分别是微新岩体、弱风化岩体（厚度80～120 m）和强风化岩体（厚度10～30 m），各岩体计算参数见表2。

图2 地应力反演模型

表2 岩体有限元计算物理力学参数

3. 4 边界载荷方案的选取

根据三峡、葛洲坝水电站区域地应力以及江坪河水电站实测地应力资料，江坪河水电站所在区域地应力量值较低。因此在进行多次边界应力加载计算分析以后，施加的边界最大水平主应力分别选取1. 5 MPa、2. 5 MPa、3. 5 MPa，根据前面分析结果，方向取N45°W；最小水平主应力则选择0. 5 MPa、1. 0 MPa、1. 5 MPa，垂直最大主应力方向，取N45°E。这样便可组合形成9种不同的边界载荷方案，如表3所示。

表3 9种边界载荷方案

3. 5 反演结果分析

将表3中不同的边界载荷加载到三维数值分析模型中，计算PD21号平洞214m处不同高程位置地应力测量点的地应力实测值与计算值之差。由于σz量值变化较小（σz主要由自重场引起的，与边界应力的变化关系不大），并且计算值与实测值之差小，不能反映不同加载方案应力测量点处σz的变化情况，因此只对比分析σx和σy在不同加载方案条件下的计算值与实测值之差，计算结果见表4。

表4 不同应力施加方案应力实测值与计算值之差

从表4可以得出以下结论：①不同的加载方案计算得到的σx和σy变化较大。②M6方案计算得到的应力值与实测值之差在2. 34%～9. 09%之间，平均值为5. 59%，是计算值最接近实测值的一个方案；其次是M5方案，应力计算值与实测值之差的平均值为9. 92%，其余加载方案应力计算值与实测值之差的平均值都在10%以上。

根据区域地应力场方向以及数值反演分析结果得到江坪河水电站坝址区初始地应力场方向和量值：最大主应力σ1＝2. 5 MPa，方向为N45°W；最小主应力σ3＝1. 5 MPa，方向为N45°E。

4 结 论

a.江坪河水电站临近三峡电站和葛洲坝电站，并且属于同一构造单元，根据三峡、葛洲坝水电站地应力测量结果初步分析得出江坪河水电站所在区域地应力量值较低。根据区域构造展布特征，江坪河水电站所在区域最大主应力方向应为NW向。

b.根据地应力三维数值计算结果可知，由于区域地应力场量值较低，垂直方向应力量值主要受岩体自重影响，受地应力场影响较小。

c.三维数值反演分析结果表明江坪河水电站坝址区初始地应力场如下：最大主应力方向为N45°W，数值为2. 5 MPa；最小主应力方向为N45°E，数值为1. 5 MPa。

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Three-dimensional numerical inverse analysis of initial geostress field at dam site of Jiangpinghe Hydropower Station/ /

ZHOU Hongfu1，WANG Chunshan1，NIE Dexin2，CHEN Zhengfeng3（1. Chengdu Center，China Geological Survey，Chengdu 610081，China；2. College of Environment and Civil Engineering，Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；3. China Southwest Geotechnical Investigation and Design Institute Co.，Ltd.，Chengdu 610052，China）

Abstract：Based on analysis and measurement of a geostress field at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station，and comparison of calculated and measured stress at the points for stress fitting，inverse analysis of the initial geostress field at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station was conducted using a three-dimensional numerical model with different boundary loading conditions. The results show that the initial geostress is low at the dam site of the Jiangpinghe Hydropower Station，the maximum principal stress is 2. 5 MPa and its direction is N45°W，and the minimum principal stress is 1. 5 MPa with a direction of N45°E. There is agreement between the calculated and measured stress at the points for stress fitting，indicating that the initial geostress field at the dam site obtained by inverse analysis is reasonable and conforms to the historical background of the geological structure.

Key words：initial geostress field；three-dimensional numerical analysis；inverse analysis；boundary loading adjustment method；Jiangpinghe Hydropower Station

收稿日期：（2014 09 24 编辑：骆超）

作者简介：周洪福（1980—），男，高级工程师，博士，主要从事围岩稳定性和地质灾害等研究工作。E-mail：zhf800726@163. com

基金项目：国家自然科学基金（40372127）；中国地质调查局国土资源大调查项目（12120114069501）

中图分类号：TU431

文献标志码：A

文章编号：1006 7647（2016）01 0082 04