深切河谷區水電站廠址初始應力場規律研究及對地下廠房佈置的思考
深切河谷區水電站廠址初始應力場規律研究及對地下廠房佈置的思考
1 引 言
我國已建或在建的許多大型水利水電工程主要分佈於西部高山峽谷地區，其中多數採用了地下洞室群作為電站廠房的佈置形式。而我國西部地區現代地殼活動強烈，在地質擠壓、切割和抬升作用下形成特有的高山峽谷地形地貌條件，使該地區形成了複雜地質條件和高地應力場。在這種複雜賦存環境中修建大型地下廠房洞室群，其工程設計與施工均遇到了前所未有的挑戰。通常情況下，水電站地下廠房佈置在河谷較低高程，距岸坡水平距離100～400 m，而該距離是深切河谷區地應力場影響顯著的區域。因此，在對地下廠房洞室群進行佈置設計時，需充分認識和把握工程區域的初始應力場分佈規律。
從深切河谷地區地質歷史發展的過程看，河谷演化(如地表剝蝕下切等)作用對地應力的改造顯著，可以在一定範圍內改變初始應力狀態，形成一種特殊區域的初始應力場分佈。對河谷地區初始應力場的研究也發現，除考慮自重和地質構造作用外，尚需考慮河谷發育演化作用對現今地應力場影響，由此獲得的河谷地應力分佈具有成因分割槽、分帶性，與河谷現今初始應力分佈的一般規律較為一致。為獲得河谷地區合理的地應力場分佈特徵，在對初始應力場進行模擬分析時，通常考慮了河谷演化規律，為此相繼提出了基於正交設計的河谷地應力場數值分析法、河谷地應力場的迴歸分析法、神經網路數值分析法等。這些方法在工程應用中都取得了一定的成果，但尚需進一步對河谷初始應力場模擬理論進行完善和實踐檢驗。另一方面，現有水電站地下廠房地應力場模擬方法通常將初始應力場量化模型和地下廠房洞室群開挖精細計算模型相分離，也即先採用大模型(粗網格)進行地應力場模擬，然後採用應力插值的方法，將大模型中的地應力場轉換到地下廠房洞室群開挖精細計算的小模型(細網格)中，作為洞室群穩定性分析時的初始應力場。此類做法在三維模擬計算技術發展初期，曾取得重要進展，但對於複雜地質條件下地下廠房地應力場模擬而言，具有一定的侷限性，主要體現在不僅對地下廠房不良地質體和巖體結構模擬的不精細性，會引起結構體周邊地應力場量化的失真，而且在將大模型中的地應力場插值到地下廠房洞室群開挖精細計算小模型過程中，還將產生新的誤差。隨著計算技術的發展，將初始應力場量化模型與地下廠房洞室群精細計算模型結合起來，形成地下廠房地應力場量化精細計算模型已經具備條件。
錦屏一級水電站地下廠房佈置於雅礱江右岸，河谷高差為千米級，斷面呈現出典型的深切“V”型河谷形態。工程區右岸為順向邊坡，在地貌上為臺階狀且呈陡緩相間分佈。地下廠房洞室群工程區地質條件複雜，巖體強度相對較低，初始應力高，f13，f14，f18三大斷層和煌斑岩脈橫穿地下廠房區。根據施工期現場監測和物探資料等綜合判讀，廠房洞室群變形以及鬆弛圈深度與同類埋深和規模的地下廠房相比，普遍偏大，且支護如錨杆和錨索)載荷超載比例相對較高，所呈現出的圍巖這些變形特徵與力學行為超出現有的工程經驗，而這些與廠區初始應力場分佈以及地下廠房位置關係密切。所以，識別廠區初始應力場分佈規律是解譯施工期圍巖大變形破壞現象的`基礎和依據。
錦屏一級水電站地下廠房的主洞室距河岸坡水平距離較近，受深切河谷地應力場影響明顯，具有典型的代表性。另外，由高地應力、中等強度岩石條件、不良地質體發育及地下廠房佈置互動作用所誘發的一系列工程問題尚需進一步探討。鑑於此，本文針對深切河谷水電站地下廠房區初始應力空間分佈及與洞室群佈置相對關係識別問題，結合深切河谷歷史發展過程分析、應力張量空間解析法和多核平行計算技術等，將複雜地質環境下三維地應力場模型與洞室群精細開挖計算模型相耦合，提出了考慮河谷演化規律的廠址區地應力場量化精細數值模型的建立方法和分析思路;運用上述模擬分析方法和層狀巖體力學模型，以錦屏一級水電站地下廠房為工程研究物件，透過廠房區地質構造以及河谷演化規律的解讀，對廠址初始應力場規律進行識別，建立了廠址區初始應力場量化精細數值模型，後續地下廠房洞室群大規模三維計算結果及現場圍巖變形破壞規律驗證了初始應力場量化模型的合理性。在此基礎上，對深切河谷區水電站大型地下廠房洞室群佈置設計進行探討。本文的一些認識或建議可為我國西部類似工程設計和建設提供借鑑。
2 河谷應力場模擬方法與分析思路
2.1 河谷應力場模擬中一些問題分析及解決途徑
在進行河谷初始應力場模擬時，合理考慮河谷演化過程中的卸荷效應對正確評價高山峽谷區地應力場的分佈狀態是必要的。為此，需要考慮 4 個假設：(1) 假設河谷形成前的遠古地形相對平坦，即河谷形成前的原始地應力場與一般平坦地區的地應力場基本相同，主應力分量中的2 個基本水平、一個垂直，其中垂直主應力大小與巖體自重相當，最大主應力方向保持與工程區最大壓應力方向一致;(2) 遠古時期巖體原始地應力場由巖體自重應力和構造應力組成，構造運動在河谷發育演化前完成;(3) 工程區巖體中現存地應力場主要是在遠古原始地應力場條件下，經過長期區域性地表剝蝕下切、河流侵蝕等河谷演化作用形成;(4) 河谷淺部巖體力學特性在歷史上與現今邊坡深部巖體力學特性基本相同。
2.2 考慮河谷演化的地應力場模擬方法實施步驟
具體步驟可以歸納為：
(1) 對資料進行收集和整理，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)和鑽孔巖芯餅化資料等，解譯地下洞室應力型變形破壞現象及其發生規律等。
(2) 對實測地應力分析，主要包括對研究區地應力場的宏觀分析，初步判斷區域地應力場方位和量值;同時採用應力張量空間解析方法對地應力測點應力量值和方位特徵進行量化分析，對地應力測試資料進行解讀。
(3) 對河谷演化過程分析，論證河谷侵蝕下切的演化模式，並根據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量和厚度，建立考慮河谷演化過程的計算模型。
(4) 考慮河谷演化規律的數值計算模型邊界條件反演：在計算模型邊界條件反演分析時，可採用對映網路+數值計算方法或者最佳化方法+數值計算方法等反演方法。
(5) 初始應力場模擬的正算模擬分析：將邊界條件代入計算模型中進行正算，根據 3 個約束條件判斷正算結果的合理性，如果合理，停止計算;如果不合理，返回第(4)步，重新設定邊界條件範圍，至到獲得合理的初始應力場。最後，在獲得的合理初始應力場的基礎上，分析工程區的地應力場空間分佈規律以及工程開挖形成的二次應力擾動規律。
3 工程區構造地質及河谷的演化規律
3.1 地質構造背景分析
根據現今活動斷裂構造的分佈格局，錦屏一級水電站工程區位於“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的斷裂帶所圍。由於歐亞板塊受印度洋板塊強烈地推擠，導致川滇菱形斷塊向南東方向不斷推移，同時青藏高原急劇抬升，強烈的水平剪下錯動在各邊界的斷裂帶發生，是形成現代地震活動發震構造的主因。工程區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，控制著工程區岩層的產狀及其空間分佈，導致壩區部位的向斜翼部地層向左岸傾斜，其平均產狀約為 N30°E，NW∠35°。
3.2 河谷演化規律分析
錦屏一級水電站工程區地貌上右岸呈陡緩相間的臺階狀，該區域的現代地形和地貌是在喜山運動作用下演化而來的。根據工程區的地形和地貌發育特徵，可以大體上將工程區河谷地形和地貌的演化階段，劃分為 3 個主要演化時期，即準平原期、寬谷期以及峽谷期。其中在準平原期，現今工程區所存留的一級夷平面為在上新世準平原時期被抬升、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，發育成寬谷，河流縱比降小;在峽谷期，出現 VII 和 VI 級階地，形成典型的高山峽谷地貌。
4 地下廠房區初始應力場識別
4.1 地下廠房工程概況
錦屏一級水電站引水發電系統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、尾水調壓室和尾水洞等約40 個洞室，其中的三大洞室如主廠房、主變室和尾調室呈平行佈置(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。主變室位於主廠房下游，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 地應力實測結果分析
根據廠房佈置方案，地應力測點主要佈置在相應平洞中，採用孔徑法多組測試成果。採用全空間赤平投影方法和平面投影應力解析對廠址區 7 組地應力測點的應力張量特徵進行量化分析，並與前期勘探平硐變形破壞現象的力學定性分析成果進行對比研究和論證，對地應力測試結果進行解析(見圖 7，其中圓圈、方塊、菱形分別表示第一、二、三主方向單位向量，投影平面應力橢圓中長軸為最大主應力，短軸為最小主應力)。將地應力實測值轉換到計算座標系下，獲得了廠區地應力測點平面主應力比值和應力向量特徵角。
5 初始應力場分佈規律及驗證
對所獲得的廠址區地應力場量化精細模型進行解讀，該區域地應力場的總體特徵：工程區的地應力場分佈受河谷演化和斷層及煌斑岩脈的雙重影響，從宏觀上可以分為 5 個區域，主要包括河谷底部的應力集中區、岸坡淺表層的應力卸荷區、巖體深部的原巖應力區、應力卸荷區和原巖應力區之間的應力過渡區以及斷層等構造影響的斷層應力影響區。
6 對地下廠房佈置的一些思考
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)因裝機規模大而超過一般主洞室，且洞室地應力高、地質條件複雜，給高地應力區地下廠房洞室群佈置設計提出了新的挑戰。工程實踐表明，最大主應力以及規模較大結構面(如斷層、錯動帶等)是廠房洞室群佈置需要考慮的主導因素[16]。所以，在常規的水電站地下廠房洞室群佈置設計理念中，通常要求主洞室軸線與最大主應力成較小夾角，與結構面呈較大夾角[17-19]。目前的深切河谷區地下廠房佈置也遵循了這一設計理念。然而，諸如上述的錦屏一級水電站等深切河谷區大型地下廠房在施工過程中，洞室開挖卸荷後出現了較為嚴重的圍巖變形破壞現象(如圍巖鬆弛卸荷深度大、圍巖大變形、時效顯著等)，增加了工程技術上的風險，威脅著工程的安全。從圍巖變形破壞的機制來看，岩石強度應力比、三維地應力場等成為影響深切河谷區大型地下廠房洞室群安全的關鍵因素[8]。所以，在深切河谷區地下廠房洞室群結構佈置設計時，除應考慮常規洞室群佈置的基本要求外，尚需考慮岩石強度應力比和三維地應力場的影響。在對深切河谷區地應力場分佈規律認識的基礎上，建議一種基於三維地應力、巖體結構特徵和岩石強度應力比的深切河谷區地下廠房洞室群佈置設計方法。
7 結 論
本文依託錦屏一級水電站地下廠房工程，在工程區地質構造和河谷演化規律分析的基礎上，建立了廠址區地應力場量化模型並識別了初始應力場規律，並在此基礎上，對深切河谷高地應力區地下廠房洞室群佈置設計方面提出了一些認識和建議，主要的一些認識如下：
(1) 本文給出的考慮河谷演化規律的地應力場模擬方法和具體實施步驟，可用於解決地應力張量空間分佈特徵及其與洞室群佈置相對關係的問題;同時利用多核平行計算技術，將複雜地質環境下三維地應力場模型與洞室群精細開挖計算模型相耦合，建立地下廠房地應力場量化精細計算模型的研究方法，為水電站地下廠房洞室群地應力場量化模型的建立提供了一種新思路。
(2) 在建立的廠址區地應力場量化模型基礎上，劃分了河谷初始應力場不同區域，結果表明，錦屏一級地下廠房洞室群位於深切河谷附近應力變化較大且應力水平相對較高的應力過渡區，該區的初始高地應力環境是源於河谷地應力場與斷層等構造的耦合作用，岩石強度應力比為 1.5～3.0，主應力比為 1.9～2.5。在這種高地應力–低強度應力比且高主應力比聯動效應下，在主廠房和主變室等主洞室圍巖中出現的大變形分佈範圍及卸荷鬆弛深度超過同等規模的地下廠房洞室群。而施工期地下廠房洞室出現的諸多應力型的變形破壞模式的出現位置和分佈特徵，則佐證了反演出的廠址初始應力場的合理性，同時也驗證了所給出的考慮河谷演化規律地應力場模擬方法的科學性和可行性。
(3) 在對高地應力區三維地應力場特徵認識和錦屏一級等水電站地下廠房工程實踐的基礎上，提出了一種考慮三維地應力、岩石強度應力比和巖體結構特徵的高山峽谷高地應力區地下廠房洞室群結構佈置設計方法，本質上體現了地下洞室群荷載特徵(三維地應力)、圍巖結構特徵及承載能力(岩石強度)等因素的協同耦合作用，不僅相容了傳統佈置設計要求，同時考慮三維地應力特徵(不僅考慮最大主應力量值和方位，而且增加考慮地應力場分佈、主應力比等)、岩石強度應力比等重要因素。根據這一佈置設計方法，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，尚未見針對高地應力環境中水電站地下廠房洞室群佈置設計方面較為系統的研究成果。本文也僅僅根據已有研究成果和工程實踐對高地應力區地下廠房洞室群佈置提出一些定性的思考和建議，下一步尚需針對岩石強度應力比、主應力比等指標提出具體量值，定量化開展高地應力區地下廠房洞室群結構佈置的研究。