文登抽水蓄能电站地下厂房初始地应力场反演分析

2021-03-12何少云胡紫航卫洋波

水电与抽水蓄能 2021年1期

何少云，何军，胡紫航，卫洋波

（1.山东文登抽水蓄能有限公司，山东省威海市 264419；2. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，湖北省武汉市 430010；3.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京市 100024 ）

0 引言

文登抽水蓄能电站位于山东省胶东地区文登市界石镇境内，电站总装机容量1800MW，年发电量26.28亿kWh，为大（1）型规模[1-2]。其地下厂房开挖尺寸长214.5m、宽25.0m、高54m，属于大型地下洞室。电站轴线为近NE65°方向，地下厂房上覆岩体厚度约为350m。

电站区域揭露的断层以近EW走向倾向南的陡倾角断层为主，优势产状为NW275°SW∠80°～85°；离地下厂房区域较近的断层主要有f202、f203、f1-55、f1-56，这些断层规模一般较小，均为长大裂隙型断层。地下厂房区域岩体裂隙不甚发育，完整性好；厂房区裂隙以近EW走向倾向S/N的陡倾角裂隙为主，优势产状为NW275°SW∠60°～90°。

地应力场条件是地下厂房支护设计和施工组织的基本条件，需要充分掌握区域的地应力场分布情况[3]。由于地应力场是长时间的地质构造运动所致，其分布受地质结构、岩性等诸多因素的影响，局部测点上的地应力测试结果一般无法直观的反映整个地下厂房区域的地应力场分布特征[4-6]。要想获得整个地下厂房区域的地应力场分布情况，往往需要借助于反演分析。

目前，地应力场反演分析方法有较多种，海姆法则、侧压力系数法起步较早，但对地应力的计算偏简单，仅在早期的工程应用较多；神经网络法和遗传算法起步时间相对较晚，理论方法相对复杂，在计算效率等方面还有诸多需要改进的地方，实际工程上的应用也相对较少[7-10]。回归分析法理论相对较成熟，且适用性更广，是目前地应力场反演分析上应用最广泛的一种方法，在已知的很多国内外水利水电工程上均有应用[3-6，11-14]。本文将采用回归分析法来反演文登抽水蓄能电站地下厂房区域的地应力场。

1 地下厂房区地应力现场测试及分析

在工程可行性研究阶段，分别在厂房支洞PD1-1和岔管支洞PD1-2等区域的钻孔ZK523、ZK524、ZK525、ZK526开展了地应力测试，地应力测孔位置见图1所示。其中，在ZK523、ZK525、ZK526三个钻孔内采用水压致裂法测试地应力，在ZK524内先后分别采用应力解除法和水压致裂法测试地应力。从钻孔分布位置来看，ZK523靠近厂房安装间和断层f202，ZK524靠近副厂房。

图1 地应力测点位置示意图Figure 1 Location of geostress measuring points

表1给出了厂房高程范围内不同水压致列法测点的地应力实测值。结果显示，地下厂房区域的地应力场以水平构造应力为主；最大水平主应力大多在-9.35～-19.51MPa，最小水平主应力大多在-5.78～-13.01MPa，铅直应力大多在-8.81～-11.95MPa。地应力三个主应力在量值上满足关系最大水平主应力SH＞铅直应力Sv＞最小水平主应力Sh，总体测区主应力的方位均在NW280°～300°的范围内。

表1 实测地应力值（水压致裂法）Table 1 Values of measured in-situ geostresses （hydraulic fracturing method）

表2给出了ZK524应力解除法测点的主应力量值和方位。若将坐标轴的x轴正向设为155°方位，即顺水流向；y轴正向设为NE65°方位，即厂房纵轴线方向；z轴正向设为铅直向上。采用全空间赤平投影技术，可以获得表2所示地应力张量的全空间赤平投影图和三个坐标平面上的应力椭圆图，如图2和图3所示。在水平面上（XY切面），最大主应力方向为NW284°，与厂房轴线呈36°小夹角；在XZ切面上，椭圆长轴呈陡倾；在YZ切面上，椭圆长轴与水平面夹角为-12°。总体上，地下厂房区域水平应力占主导。

表2 实测地应力值（应力解除法）Table 2 Values of measured in-situ geostresses （stress relief method）

图2 ZK524-TXJC全空间赤平投影和切面应力椭圆图Figure 2 Full space stereographic projection of ZK524-TXJC

图3 ZK524-TXJC切面应力椭圆图Figure 3 Ellipse diagram of stress on different sections

2 地应力场回归反演分析

2.1 多元线性回归分析的基本原理

原岩应力场主要为自重应力场和构造应力场组成。根据叠加原理，地应力场可以由自重应力场和构造应力场拟合获得：

式（1）即为多元回归方程。式中：n为拟合工况的总数；σki为用于拟合的应力场的第k个分量；Li为各应力分量的回归系数；为回归应力场的第k个分量[3，12]。

可以采用最小二乘法，使多元回归方程与所有需要拟合的实测值的平方差之和达到最小。即需要满足如下公式：

式中，S为多元回归方程与所有需要拟合的实测值的平方差之和。根据式（2），一般能获得一个线性方程组，通过求解该线性方程组即可获得对应的回归系数Li。然后，将这些回归系数带入式（1），即可得地应力场的回归方程。

2.2 计算模型和力学参数

通过对电站区域岩体结构进行合理的概化，建立了相应的三维数值分析模型，如图4所示。模型中考虑了离地下厂房较近的4条断层：f202、f203、f1-55和f1-56。计算模型整体尺寸为575m×715m×730m（x×y×z），其中，x轴正方向沿顺水流向；y轴平行于主厂房纵轴线，正方向为从1号机组指向6号机组；z轴铅直向上，底部高程为0m，坐标原点位于副厂房上游边墙端部。计算模型共包含211万个网格，以及40万个节点。

图4 三维数值分析模型Figure 4 Three-dimensional numerical model

地下厂房区域岩性单一，岩体以石英二长岩、二长花岗岩为主，岩体完整性较好，裂隙不发育；厂房区域围岩以Ⅰ～Ⅱ类围岩为主，有断层切割部位按Ⅲ类围岩考虑，岩体物理力学参数建议值见表3。

表3 岩体物理力学参数建议值Table 3 Recommended values for physical and mechanical parameters of rock mass

2.3 回归分析结果

采用三维有限差分数值分析软件FLAC 3D来模拟生成自重应力场和构造应力场，应力场可通过加载的方式来生成。在加载时，x方向的单向压缩荷载、y方向的单向压缩荷载以及xy方向的剪切荷载均采用位移加载方式进行，计算时设定边界上对应的初始速度为10-4m/s，并加载10个时间步，然后将边界速度设为0，计算至收敛；对于z向的自重荷载，设定重力加速度为9.8m/s2。基于上述加载获得自重应力场和构造应力场，采用2.1所示的回归方法进行多元线性回归分析，最终获得x向压缩荷载、y向压缩荷载、xy向剪切荷载、z向自重荷载对应的回归系数分别为L1=149.3、L2=426.4、L3=80.6、L4=1.27。表4为回归结果和对应的实测值，大部分测点的相关系数在0.9以上，故结果总体上是合理的。此外，在靠近断层f202的钻孔ZK523的测点上，相关系数均在0.94以上，故回归得到的地应力场还能够充分反映断层的影响。

表4 实测值与计算值对比Table 4 Comparison of measured values and numerical values

3 地下厂房区域地应力场特征分析

图5给出了地下厂房区域的平切面和横剖面的地应力矢量图。地应力场以水平构造应力为主，最大主应力和最小主应力均大致位于水平面上，中间主应力大致位于铅直方向。地应力场受区域地质构造影响较为明显，最大主应力与厂房轴线呈约为35°的小夹角，方向与f202、f1-55、f1-56等断层的整体走向近似平行。此外，地应力矢量在断层部位发生了明显偏转，这主要是断层附近较弱的岩体强度影响所致。

图5 不同剖面地应力矢量图Figure 5 Geostress vector of different profiles

图6给出了地下厂房区域平切面主应力云图。从应力云图来看，地应力场量值及其分布受构造运动和断层的双重影响。整体上，地下厂房区域最大主应力量值为-11.6～-18.4MPa，中间主应力量值为-8.4～-12.6MPa，最小主应力量值为-7.3～-10.5MPa。此外，在断层附近地应力场量值存在较为显著降低，这与断层附近岩体强度相对较低相关。

图6 平切面主应力云图（25m高程）Figure 6 Geostress nephogram of horizontal profile （elevation 25m）

地下厂房的支护设计和施工过程中，断层区域往往是关注的重点。上述反演结果在断层和非断层区域的测点均保有较高的相似度，能够指导工程实践。反演结果表明，断层对地应力场的整体方位和局部量值均有较大影响。虽断层带中局部地应力量值相对较低，但断层附近岩体的地应力量值仍保持着相对较高的水平。由于断层带的岩体强度相比其他区域更低，其能承担的开挖释放荷载比例就会偏低，其附近围岩承担的开挖释放荷载比例就会升高。在断层带剪切滑移的耦合作用下，断层带附近围岩会更容易破裂，变形一般也会更大。此外，地下厂房区域的裂隙产状和断层产状比较接近，最大主应力方位又近似平行于裂隙和断层走向；地下厂房开挖施工可能会导致裂隙的劈裂扩展和张开，施工过程中应予以关注。