（地质工程专业论文）南水北调西线泥曲—杜柯河段初始地应力场反演分析.pdf

华北水利水电学院硕士论文 南水北调西线泥曲一杜柯河段初始地应力场反演分析 摘要 岩体中的初始应力场是地下工程围岩稳定与支护结构设计所需要的 基本资料之一，也是高边坡岩体稳定或边坡开挖设计与支护的决定性的因 素之一。 虽然现场实测地应力是提供地应力场信息最直接的途径，但是在工程 现场，由于场地和经费等原因，不可能进行大量的测量，而且地应力场成 因复杂，影响因素众多，各测点的测量成果在很大程度上反映了当地的局 部应力场，且测量结果受到测量误差的影响，使得地应力测量成果有一定 程度的离散性。以现场部分实测地应力数据为基础，进行反演分析得到初 始应力场是一种有效的手段。 本文结合南水北调西线工程，以泥曲杜柯河段地应力测量结果为 基础，首先对本段内的地应力测量结果进行统计分析，总结该工程区域内 的地应力场特征，初步分析地应力组成因素、最大水平主应力随深度变化 的关系等。在分析地应力场特征的基础上，拟假定初始地应力场为六个主 要的形成因素，建立有限元模型，运用有限元软件对各因素作用下的地应 力场进行计算分析。 结合水压致裂法测量数据的特点，采用均匀分布荷载因子和三角形荷 载因子共同模拟构造应力的作用。而且，三角形荷载的斜率是通过对地应 力测量结果统计分析得到的，其更能反映实际情况。 对各因素作用下的地应力计算结果采用回归分析方法和遗传算法相 结合的反演分析方法。其一为单方程多元回归分析，此种方法比较传统， 容易理解，便于掌握。其次为多方程多元回归分析方法，用此方法可以同 时考虑一组自变量和一组因变量之间的相互关系。最后为遗传算法分析， 华北水利水电学院硕士论文 此方法实际上为一种随机理论方法，此法具有简单、鲁棒性强、搜索速度 快和适应性强等优点。通过计算，综合确定各回归因素的系数，再将其施 加到有限元模型上进行有限元计算，进而得到整个输水线路的初始应力 场。 分析结果表明：( 1 ) 单方程多元回归分析方法，多方程多元回归分析 方法和遗传算法优化分析三种反演分析方法在理论上都是可行的，但从实 际工程回归效果上看，多方程多元回归分析的效果较好。( 2 ) 在合理的简 化地形、地貌和地质条件基础上，采用三维有限元回归分析方法，复相关 系数达到了0 9 5 3 ，回归结果与实测值比较接近，说明该方法能够获得与 实测结果较为吻合的结果。( 3 ) 自重应力和构造应力是初始地应力场的主 要组成部分，自重应力对地应力场的影响相对确定，只要参数相对准确就 可确定；而构造应力场的影响不同的地区由于地质条件的不同差别很大。 关键词：初始地应力场，反演分析，水压致裂法，回归分析，遗传算 法，有限元 华北水利水电学院硕士论文 b a c k a n a l y s i so nt h ei n i t i a l i n s i t us t r e s sf l l di n w e s tr o u t eo fs o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e r p r o i e t t h ei n i t i a li n - s i t us t r e s sf i e l di so n eo fr e q u i r e m e n td a t ai nu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gs t a b i l i t ya n a l y z i n ga n ds u p p o r t i n gs t r u c t u r ed e s i g n i n ga n di so n e o fc r u c i a lf a c t o r so fh i g hr o c ks l o p es t a b i l i z a t i o no rs l o p ee x c a v a t i o nd e s i g n i n g a n ds u p p o r t i n g f i e l da c t u a lg r o u n ds t r e s sm e a s u r e m e n ti st h em o s ts t r a i g h t f o r w a r dw a y t os u p p l yi n s i t us t r e s sf i e l d i ti si m p o s s i b l et oc a r r yo u tal o to fm e a s u r e m e n t f o rt h el i m i t a t i o no fs i t ea n de x p e n d i t u r e s t h eo n g i no fi n - s i t us t r e s sf i e l di s c o m p l e xa n di n s i t us t r e s sf i e l dh a sm u l t i i n f l u e n c ef a c t o r s t h er e s u l to f m e a s u r e m e n to fe v e r ys u r v e yp o i n tr e f l e c t sl o c a ls t r e s sf r i e dt oal a r g ea r e a , a n di sa f f e c t e db ye r r o r , w h i c hl e a dt os o m ee x t e n td i s p e r s e i ti sa ne f f e c t i v e w a yt oi n v e r s et h ei n i t i a li n s i t us t r e s sf i e l db a s i n go na c t u a ls u r v e yg r o u n d s t r e s sd a t a b a s e do nt h ei n s i t uf i e l ds u r v e yd a t af l o r an i q ut od u k ei nt h ew e s t r o u t eo fs o u t ht on o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，t h es u r v e yd a t ai sa n a l y z e db y s t a t i s t i c s b yt h i sw a y ，w ec a no b t a i nt h er u l eo ft h ei n i t i a li n - s i t us t r e s sf i e l di n t h ep r o j e c tr e g i o n , g e tt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o rt h a tm a k e u po ft h eg r o u n d s t r e s s ，a n da c h i e v et h ev a r i a t i o no ft h em a x i m u mh o r i z o n t a lp r i n c i p a ls t r e s s w i t ht h ed e p t he t c i t sa s s u m e dt h a tt h e r ea r es i xm a i ns i g n i f i c a n ti n f l u e n c e f a c t o r , a p p l i e dt h e s ev a l u e st of i n i t ee l e m e n tm o d e la n dc a l c u l a t e dw i t ht h i s m o d e l ，t h ei n i t i a li n - s i t us t r e s sf i e l di so b t a i n e d t od e s c r i b ev a l u e so fi n i t i a l i n s i t us t r e s s w i t ht h ec h a r a c t e rt h a tt h es u r v e yr e s u l tb yu s i n gh y d r a u l i cf r a c t u r i n g m e t h o dh a sn ot h ev e r t i c a ls h e a r i n gs t r e n g t h ，t h et e c t o n i cs t r e s so ft h ei n i t i a l 华北水利水电学院硕士论文 i n - s i t uf i e l di s a n a l o g i z e db ys u p e r i m p o s et h e l o a df a c t o ro fu n i f o r m i t y d i s t r i b u t i o na n dt r i g o n a ld i s t r i b u t i o n f u r t h e rm o r e ，t h es l o p eo ft h et r i g o n d i s t r i b u t i o nl o a di sg a i n e df r o mt h er e g r e s sa n a l y s i sr e s u l to ft h eg r o u n ds t r e s s s u r v e y , b yt h i sw a ym o r er e a s o n a b l ea n dr e a l e ri n i t i a li n s i t us t r e s sf i e l di s o b t a i n e d t h ec a l c u l a t i o nr e s u l ti ne a c hi n f l u e n c ef a c t o ri sa n a l y z e db yr e g r e s s i o n m e t h o dw h i c hi sc o m b i n e dw i t hg e n e t i ca l g o r i t h m t h ef i r s to r l ei sa n a n a l y s i sm e t h o du s i n gs i n g l ee q u a t i o na n dv a r i a b l er e g r e s s i o n ，w h i c hh a st h e a d v a n t a g e so ft r a d i t i o na n de a s yi nc o n t r 0 1 t h es e c o n do n ei sam e t h o du s i n g m u l t i p l ee q u a t i o na n dv a r i a b l er e g r e s s i o n ，w i t hw h i c hr e l a t i o n s h i po fag r o u p o fv a r i a b l e si n c l u d i n gv a r i a b l ea n dd e p e n d e n tv a r i a b l ec o u l db ec o n s i d e r e d s i m u l t a n e o u s l y t h el a s to n ei sa no p t i m u mm e t h o du s i n gg e n e t i ca l g o r i t h m s , w h i c hh a st h es t r o n g p o i n to fs i m p l i c i t y , s t r o n gr o b u s t ，q u i c ks e a r c hs p e e d b y t h ea n a l y s i s ，w ec a ng a i nt h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r , a n dg e tt h ei n i t i a li n - s i t u s t r e s sf i e l da f t e rw ea p p l yt h ef a c t o rt ot h em o d e l f r o mt h er e s u l tt h a th a sb e e nc a l c u l a t e da n d a n a l y z e d ，i tc a nb eg a i n e d ：( 1 ) a l lt h et h r e em e t h o da l ea nf e a s i b l ei nt h e o r y , b u tt h em e t h o do fu s i n gm u l t i p l e e q u a t i o na n dv a r i a b l er e g r e s s i o ni st h eb e s to n ei np r a c t i c e ( 2 ) a f t e rw e s i m p l i f i e dt h et e r r a i n , t h ep h y s i o g n o m ya n dt h eg e o l o g yr a t i o n a l l y , w ec a ng e t t h a tt h em u l t i p l ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n ti s0 9 5 3 ，a n dt h em e a s u r e dr e s u l ta n d t h er e g r e s s i o nr e s u l ti ss i m i l a rb yu s i n gt h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( 3 ) t h e g r a v i t a t i o n a ls t r e s sa n dt h et e c t o n i cs t r e s sa r et h em a i ni n f l u e n c ef a c t o ro ft h e i n i t i a li n s i t uf i e l d ，a n dt h eg r a v i t a t i o n a ls t r e s si ss i m p l e rr e l a t i v e l ya sl o n ga s t h ep a r a m e t e ro ft e r r a n ei sc o n f i r m e d ，b u tt h et e c t o n i cs t r e s si sq u i t ed i s t i n c ti n d i f f e r e n ta r e a k e y w o r d ：i n i t i a li n s i t us t r e s sf i e l d ， f r a c t u r i n gm e t h o d ，m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s ， b a c ka n a l y s i s ，h y d r a u l i c g e n e t i ca l g o r i t h m 华北水利水电学院硕士论文 独立完成与诚信声明 本人郑重声明：所提交的学位论文，是本人在指导教师的指导下，独立进行研究 工作所取得的研究成果并撰写完成的。没有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的 侵权行为。文中除已经标注引用的内容外，本学位论文中不包含其他人或集体已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北水利水电学院或其它教育机构的学位或 证书所使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中作了明 确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名：豆繁藓签字日期口降6 日州 保证人( 导师) 签名：fi 篓签字日期：。- 隼日，。戌 学位论文版权使用授权书 本人完全了解华北水利水电学院有关保管、使用学位论文的规定。特授权华北水 利水电学院可以将学位论文的全部或部分内容公开和编入有关数据库提供检索，并采 用影印，缩印或扫描等复制手段复制、保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家 有关部门或机构送交论文原件或复印件和电予文档( 涉密的学位论文在解密后应遵 守此规定) 学位论文作者签名：王译辞导师签名：立，。j 乒 签字日期。1 牟6 rl 。区 签字日期。降6 茂l 。丑 华北水利水电学院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 选题的依据及研究意义 从解决工程实际问题来讲，南水北调西线工程是当今世界上的挑战性工程，区内 新构造活动强烈，工程地质条件十分复杂。南水北调工程事关国计民生，工程的安全 可靠性极为重要。 初始地应力场研究是工程地质研究的重要内容之一，是决定工程设计的重要工程 地质条件。初始地应力场是地下洞室、地基岩体、工程边坡等稳定性的重要影响因素 之一，也是工程设计需要的基本指标，尤其对大型水电工程建设影响更为巨大。采用 的初始地应力场是否可靠，岩体参数选取是否合理将直接影响到工程设计的可靠性和 工程实际的安全性。现场实测地应力是提供地应力场信息最直接的途径，但在工程现 场，由于场地和经费等原因，不可能进行大量的全面的量测，而且地应力成因复杂， 影响因素很多。且测量成果受到测量误差的影响，使得地应力测量结果存在一定的离 散性。由于初始地应力的大小及其分布对地下工程以及边坡的稳定性分析具有十分重 要的意义，因此初始地应力的确定一直是人们关注的热点课题。 南水北调西线工程涉及的区域较大，而且高寒缺氧，交通闭塞，工作环境极其恶 劣，地应力测试工作严重受限，费用昂贵，决定了不可能进行大量的现场地应力测试。 这些都为调水区初始地应力场的分析和研究带来困难，同时也对工程设计和建设带来 一定的技术难题。因此，依据调水区山体的工程地质条件和有限的实测地应力资料， 反演回归分析初始地应力场，以取得较可靠的地应力场信息是十分必要的。 1 2 初始地应力场反分析的研究现状 目前，初始地应力场的分析主要为两种方法：正分析、反分析。正分析就是根据 必要的岩体参数，采用合适的介质模型，运用一定的数值方法，求解工程域内岩体的 力学状态；反分析就是利用现场测试得到岩体的一些基本信息，通过一定的数值计算 求解岩体的基本参数( 包括初始应力、弹模等) “1 初始地应力场反分析根据基础信息 量的不同，又可分为位移反分析和应力反分析，其中位移反分析主要应用于旌工开挖 华北水利水电学院硕1 ：学位论文 阶段，根据工程施工过程中监测到的位移量来反演岩体的基本参数，如弹模或初始应 力等；应力反分析主要是根据工程前期地质勘察阶段进行地应力测量所得到的应力数 据，来反演整个工程区域初始应力场。特别是在一些较大型的工程中，由于岩土体所 处地质环境的非常复杂，工程要求必须搞清楚工程建设区的应力环境，该种方法应用 的比较多。为了掌握工程建设区的地应力场信息，在大型的工程建设前期，须进行地 应力的现场测试，如：二滩水电站为1 1 个测点，拉西瓦水电站为5 个测点，鲁布格 水电站为6 个测点，天生桥二级水电站为5 个测点，洪家渡水电站为3 个测点。根据 这些少数测点应力去研究整个工程区域地应力分布的特征与规律，就是本文要论述的 应力反分析方法。 经参考资料。1 ，目前工程上常用的初始地应力场分析方法有：边界荷载调整法、 应力函数的趋势分析法、地质历史反演分析法、有限元数学模型回归分析方法，以及 近几年来随着人工智能技术和非线性数学的引入，反分析方法也不断的推陈出新，如 人工神经网络、遗传算法、灰色数学等理论的引入，推动了人们对初始应力场的认识， 边界荷载调整法哪。1 9 7 8 年陶振宇、曾庆义等提出边界荷载调整法，该方法建议 在工程地点按有限元计算水平荷载，用有限元方法求在这一水平分布荷载及自重作用 下的应力场，对边界荷载做逐步调整，使得有限元方法求得的应力场在给定几个观测 点位置等于或接近地应力的观测值，则所得的应力场即可作为初始地应力场。但因为 边界荷载的调整没有可遵循的规律，难以保证计算过程逐步收敛到所求值，该方法的 使用并不广泛。 应力函数的趋势分析法m ”1 。该法是张有天、胡惠昌在1 9 8 4 年提出“地应力场的 趋势分析”，分析思路是在计算域内寻求一个确定的应力函数咖( x ，y ，z ) ，要求 在若干测点位置由函数确定的应力值与实测值的误差最小，该方法实质是建立在连续 介质和弹性力学基础上，显然对岩性不均一或含有结构面的岩体则变 ：导较为复杂，不 可能获得其地应力场的应力函数。总体上来说，该方法比较简单，但适用性受到很大 的局限，仅对单一连续地层适用。 地质历史反演分析法”。这种方法是肖明与1 9 8 9 年提出的，他认为现在应力场是 远古期的初始应力场和历次的构造运动的叠加的结果。基于这种分析在反演分析中一 方面需要模拟河流下切历史中谷坡形态的变化，同时还需要模拟谷坡地应力的释放效 应，反映河流逐步下切使地应力场逐渐调整的过程，并叠加初始地应力场，最后得到 华北水利水电学院硕士学位论文 现今的地应力场。但是，河流的下切也是一个漫长的历史过程，而由地质构造运动形 成的构造应力场究竟是在河流形成以前就己形成，还是在河流形成过程中经过若干个 构造运动才形成现今的构造应力场，这很难加以判断，故地质历史演变过程的复杂性 造成了此种方法的模糊性，当区域内有地应力实测点时，更需要通过多次试计算来确 定远古时代就己形成的地应力场，使整个地应力场反演过程更为复杂。 有限元数学模型回归分析方法”m 1 ，该方法是将可能形成初始应力场的因素( 如自 重，构造作用等) 作为待定因素，建立待定因素与实测资料之间的多元回归方程，运 用数理统计方法，使残差平方和达到最小，由此求得回归方程中各自变量( 待定因素) 系数的唯一解，然后根据所求得的回归方程，计算出整个区域的初始应力场，这种方 法是天津大学郭怀志、马启超等( 1 9 8 3 ) 采用了三维空间的力学模型为理论基础的应 力拟合方法，并在计算过程中引入数理统计中的多元回归分析原理，取得了较好的结 果。朱伯芳院士( 1 9 9 4 ) 在郭怀志的基础上作了改进，把自重应力作为已知值，只反 演构造应力，但其仅从理论上作了解释。 邵国建旧( 2 0 0 0 ) 假定应力场主要有自重应力和构造应力组成，利用在模型边界 条件上旌加法向和切向荷载来代替构造应力部分的方法，确定影响初始应力场的影响 因素( 0 自t 0 _ 。0 自：0 柑。o 柯，) ，利用常规有限元法建立初始地应力场与各影响 因素之间的回归方程。结论认为：这种方法回归结果较接近实测值，逐步回归分析法 求解多元线性回归系数是一种比较适用的方法。邱祥波、李术才、李树忱( 2 0 0 3 ) 嘲考 虑岩体自重与构造应力的影响，利用多元回归原理，得到计算域内初始应力场，并应 用在某高速公路隧道的地应力回归分析中，结果表明：计算结果与实测结果较为吻合， 该种方法从地应力的构成要素分析，抓住主要矛盾，追根求源，比较容易理解，所以 应用广泛，并且多数学者在模拟构造应力的分布形式上提出了自己不同的观点，比较 成熟。 于波、蔡美峰、乔兰“”( 9 6 ) 等，使用灰色建模理论，根据地应力实测资料，建 立了矿区地应力分布归律的模型，对地应力量测数据a g o 处理后，进行灰色理论分析， 并应用于峨口铁矿，与水压致裂法和应力解除法两种方法所获得的测量值比较，分析 表明：地应力场服从相同的分布规律，与测量结果具有良好的一致性。 此外，还有结合神经网络、遗传算法等一系列不确定分析方法，来推求工程区域 的初始应力场。从所采用的手段来看，主要分为三类：一是数值模拟方法和神经网络 一3 一 华北水利水电学院硕士学位论文 相结合进行的反分析；二是利用数值模拟与遗传算法的结合；三是将遗传算法和神经 网络有机地结合起来，提出一种用于反分析法的进化神经网络方法。蒋中明、徐卫亚、 邵建富“”( 2 0 0 2 ) 把有限变形理论和人工神经网络结合起来，利用有限变形理论进行 正分析，然后利用人工神经网络的高度的非线性特征计算模型的荷载边界条件和参 数，再将荷载边界条件应用于正分析程序中，从而模拟初始应力场，该方法综合了目 前地应力场计算方法的优点，考虑了多种因素的影响，实例表明这种方法适用、合理， 能较好解释地应力值分散的原因。易达、陈胜宏、葛修润“”( 2 0 0 4 ) 运用遗传算法和 有限元相结合的方法求解非线性岩体初始应力场，研究表明，遗传算法与有限单元法 结合，具有较强的实用性。石敦敦，傅永华“( 2 0 0 5 ) 等人提出综合应用实数编码的 遗传算法与改进的b p 神经网络的优化反演分析方法，并在算例中，以b u r g e r s 模型 的计算数据作为改进神经网络的训练样本，用遗传算法搜索待反演参数解向量。计算 结果表明利用遗传算法优化神经网络权值能提高神经网络迭代算法的效率与可靠性， 该方法应用于岩体初始应力场的反演具有迭代过程平稳、收敛快、结果准确等特点， 能够有效地求得岩体初始应力与材料参数。 1 3 本文的主要工作及研究思路 1 3 1 本文研究思路 首先，根据工程概况，概化地质模型，然后选择地层参数、确定边界条件进行有 限元计算，同时，对地应力测量数据进行统计分析，分析地应力场的基本特征。在总 结应力场规律的基础上，假定地应力场的影响因素，并对各因素作用下的应力场进行 有限元计算。最后，对各假定因素作用下的计算结果进行回归分析和遗传算法的优化 计算，并根据回归分析和遗传优化计算的各影响因素的系数反演计算初始应力场。本 文的研究路线见图1 1 。 1 3 2 本文的主要工作 围绕上述的问题，结合南水北调西线工程泥曲段杜柯河段引水隧道工程实例， 本文主要完成以下几个方面的工作： 1 认真地查阅和搜集资料，为论文的完成进行知识准备的工作。这方面主要有： 华北水利水电学院硕士学位论文 前人在确定初始应力场时所应用的方法，该种方法有无普遍适用性；有无可以参考的 类似的工程资料等。另外，大多数方法在进行分析时都需要用到有限元软件，因此需 花费时间来学习如a n s y s 有限元，m a t l a b 工程计算等软件。 地质资科h地质模型概化 转化为有限元模型卜i 有限元计算分析 地应力铡试结果地应力嫣规律分析 三维应力场反演计算 反演计算结果对比分析 地应力场各 影响因子 输水线路应力状况分析 回归分析 遗传算法 结果分析 图1 1 本文的研究思路示意固 f i g1 1s k e t c hm a po ft h es t u d yr o u t eo ft h i sp a p e r 2 详细调查和研究区域地质条件。对应力测试成果进行统计分析，根据现有的 实测地应力数据进行研究，初步分析出地应力场特征以及最大水平主应力的状况。 3 假定地应力场的形成因素，建立工程区域的有限元模型，对地应力各因素下 的应力状态进行计算，并从计算结果中提取各测试点处的应力计算结果。 4 论述三维有限元回归分析的基本理论以及实现方法，并结合各因素作用下的 有限元计算结果进行回归分析，得到初始应力场各形成因素的影响系数。根据遗传算 法的特点，结合地应力场的具体情况，研究了遗传算法在三维地应力场反演分析中的 应用。对三维有限元回归分析和遗传算法优化分析两种分析方法的结果进行对比，进 一步更加精确地确定地应力场的影响因子，并把结果再施加到有限元模型上，进行地 应力场有限元的正分析计算。最后，根据分析计算结果得到西线南水北调工程泥曲一 杜柯河段地应力的分布规律，为工程设计提供指导性意见。 一5 一 华北水利水电学院硕士学位论文 第二章地应力场研究成果分析 2 1 关于对几个概念的认识 一是：关于岩体应力和应力场，岩石力学和岩石工程界有着很多提法，如“地应 力、地应力场”，“初始应力、初始应力场”、“原岩应力、原岩应力场”、“岩体 应力、岩体应力场”等等，其含义有的相同，有的不尽相同。参考 “” 定义： 初始应力、初始应力场。指的是在工程涉及的范围内、天然( 没有受到人类工程 活动所扰动的) 岩体内存在的应力和应力场。与此相对应受到、加固影响、或施工了 各种建筑物荷载后，发生应力重分布后存在于岩体中的是“工程岩体应力和应力场” 原岩应力、原岩应力场。指的是岩体在没有扰动的天然状态下应力和应力场，它 们和“初始应力、初始应力场”的概念是等同的。与“原岩应力和原岩应力场”相对 应的“次生应力和次生应力场”，指的是受到人类工程活动扰动后，岩体中重新分布 的应力和应力场，也就是工程岩体应力和应力场。 地应力和地应力场。地应力概念主要源于地质力学，指的是在大范围内起作用、 不受地形地貌影响地层深部的应力。国外称为“地壳中的应力”( s t r e s si ne a r t h c r u s t ) 或( g e o - s t r e s s ) 后来在岩石力学领域流行开来，但是其实其实际意义已经 和“原岩应力、原岩应力场”或者“初始应力、初始应力场”等同了。 岩体应力、岩体应力场。泛指存在于岩体中的应力、应力场，它可能是初始应力、 也可能是工程岩体中的应力。 二是：正演与反演。 在已经掌握了事物的发展规律和事物之间相互作用规律的基础上，便有可能由已 知参数源参数及介质参数，根据物理规律来推测及计算观测( 主要是仪器观测) 得 到的资料与数据，或推测源本身参数的变化，我们称此种情况为正演。天气预报便是 一种十分典型的正演、根据已有的观测资料( 即源参数) ，由此可知，正演是由原因推 测结果，即由因到果。而反演则正相反，是由结果推测原因，即由果到因。而结果应 该是可以观测到的结果，称之为观测资料一般由果推测因可分为两种情况：一种是 用于建立理论模型，另一种情况是假定已经建立了一定的理论模型框架，则可以由观 一6 一 华北水利水电学院硕士学位论文 测资料来推测理论模型中的若干个参数“”。参考地球物理反演基本理论与应用方法 t e l 正演：l 场源模型参数卜叫正演数学物理模型h 场值数据i 反演：i 观测数据卜叫反演数学物理模型卜_ - 一场源模型参数i l。一 图2 1正反演示意图 f i g2 1s k e t c hm a po f t h en o r m a la n a l y s i sa n db a c ka n a l y s i s 三是：正分析、反分析及反馈分析： “为了充分利用原为监测资料的信息，对大坝的安全状态做出准确的评价，需要 对原位监测资料进行全面深入的分析和反分析。其中资料分析简称正分析，主要依据 监测资料建立多类监控模型，以此监控大坝今后的运行。反分析按实际内涵包含反 演分析和反馈分析”“” “反馈分析是综合利用正分析和反演分析的结果，应用计算力学，反馈大坝韵运 行工况、安全度、和监控指标等，以馈控大坝的安全运行。川m 这是吴中如、顾冲 时在大坝原型反分析及其应用中关于反分析定义的论述。我们认为：反分析法就 是以现场量测到的反映系统力学行为的某些输出物理信息量( 如位移、应力、应变或 荷载等) ，进行如下分析：由量测信息的变形规律辨识出与实际变形规律最接近的最 佳模型，即模型结构式和模型结构参数通过反演模型( 系统的物理性质模型及其数 学描述，如应力应变关系式) ，反演推算出该系统的各项或一些物理力学参数( 如初始 应力、模型参数、几何参数和变形强度参数等) 。第一类称为模型辨识，第二类成为 参数辨识，它们的最终日的是建立一个更接近现场量测结果的理论预测模型，以便能 正确地反映或预测岩土介质的某些力学行为，及时反馈到设计施工和管理上，从而 指导和完善设计、优化施工，对工程进行预报与事后检验嘲。正分析就是根据必要的 岩体参数，采用合适的介质模型，运用一定的数值方法，求解工程域内岩体的力学状 态： 2 2 地应力成果分析 2 2 1 地应力量测的发展历史洲 在国外最早开展岩体力学应力测量的是1 9 3 2 年美国胡佛坝坝底的泄水隧洞，采 华北水利水电学院硕士学位论文 用岩体表面应力解除法测量法，获得可喜的资料，从而开创了现场实测岩体应力的道 路。由于二次世界大战的影响，几乎经历了近2 0 年的停滞、徘徊。1 9 5 8 年哈斯特第 一次公布了他在瑞典拉依斯瓦尔铅矿和斯堪的纳维亚半岛4 个矿区钻孔应力测试结 果，引起了入们的震惊，紧接着苏、英、法、意、葡等国家也相继开展了这项试验， 并在测试技术上和试验方法上都有所发展。 我国岩体应力测量起步于2 0 世纪5 0 年代后期，有李四光和陈宗基两位教授分别 领导的地质力学研究所和三峡岩基专题研究组，也是从岩体表面应力的测量开始的。 钻孔应力测量最先在6 0 年代邢台大地震后，由国家地震局组织专题攻关，1 9 6 6 年3 月首先在河北隆尧建立了第一个地应力观测站，接着又在全国2 1 个省市自治区相继 设站，形成了地应力场相对变化的观测台网，积累大量的资料。长江科学院与1 9 6 6 年在乌江渡水电工程坝址开始尝试浅钻孔应力测试。7 0 年代以后国内外许多部门和单 位纷纷建立岩体应力测量的专业组织，其中：地壳应力研究所，地质应力研究所、中 科院武汉岩土力学研究所、长沙矿冶研究院及长江科学院等单位率先开展，并带动了 一大批科研单位。 岩体应力测试技术是伴随着对岩体应力状态认识的提高而发展的，大体上经过了 三个阶段：岩体表面应力测量、钻孔应力测量和岩体应力场测定三个阶段。为了量测 岩体表面应力，开始时是在平洞洞壁上靠人工凿槽解除应力，后用风钻打套孔凿槽； 采用电阻应变片或钢弦应交计量测岩体表面变形，测得解除过程的应变变化曲线，由 此求的岩体表面一点的平面应力状态。为了测得不受开挖扰动的岩体初始应力，开始 了用钻孔应力测试技术的第二阶段的探索，钻孔应力测量又分为浅钻孔岩体应力测量 和深钻孔岩体应力测量。浅钻孔岩体应力测量仍然采用套钻孔应力解除法，一般只能 测量1 5 2 0 i 以内的深度；深钻孔测量多采用钻孔水下三向应变计，属于钻孔孔壁应 变测量法，一般的测试深度在在3 0 0 i i i 范围内；对于更深岩体的测量，引入了水压致 裂法( 非套钻孔应力解除法) ，采用钻孔跨接封隔器以及相应的加压和测量设备。 浅钻孔和深钻孔应力测量都可测得没有工程扰动的三维岩体初始应力，通过垂直 向的深钻孔应力测量，可以获得岩体应力随深度变化的规律。大量数据表明：岩体应 力随深度变化规律并不是一成不变的，它与钻孔位置、钻孔附近的地形、地质构造、 岩性等多种影响因素有关的复杂的三维应力场。为了确定岩体三维应力场而开展的研 究，是岩体应力量测技术发展的第三阶段。这一阶段的研究主要是；岩体应力组成和 华北水利水电学院硕士学位论文 发育规律的理论分析，利用实测点的数据进行回归分析方法的研究，以及相应的计算 机程序和软件开发。经过多年的努力、实践和完善，已经形成了完整的、行之有效的 方法和技术。 2 2 2 地应力成因分析 关于地应力产生的原因是十分复杂的，至今人们也尚未十分清楚。不过经过多年 的工程实践，积累了大量的工程资料，这些资料的取得绝大部分是来自于距离地表比 较近的岩层中的。从这些工程经验中，人们逐渐的认识到所谓的地应力值，实际上是 地壳运动和重力作用形成的应力场与各种局部影响因素叠加后的结果，有时甚至后者 起了控制作用，从而使测得的地应力值变化不定，错综复杂，而局部的应力和区域的 应力之间有相当大的差别，这就给地应力的实测资料的解释和应用带来了很大的困 难。 关于地应力的影响因素，不同的学者有不同的看法和观点。苏生瑞和黄润秋“”等 认为：一个地区的岩体中的应力场除受岩体自重和地壳运动控制外，还与该地区的已 有的地质构造、地形、岩体的力学性质等影响因素有关，并且分析了构造、地形和岩 石力学性质对应力场的影响。蔡美峰“”认为，“经过3 0 多年来的实测和理论分析表 明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动有关，其中包括：板块边界受压、地幔 热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外， 温度不均、水压梯度、地表剥蚀和其他物理化学变化等也可以引起相应的应力场。” 不过大多数的学者都认为构造应力场和重力应力场是现今地应力场的主要组成部分， 构造应力和上覆岩层重力在多数区域的应力场中起着控制作用。除此之外，影响因素 还有断层的影响，地形地貌和剥蚀作用、岩石本身的力学性质、水、温度等的影响都 是需要考虑的。 显然t 上述认识意见不是很一致，人们对于地应力的认识还没有区分出产生地应 力的因素和真正影响地应力的因素。但同时又说明，影响地应力的因素确实很复杂。 另外，天然岩体的应力状态是一个应力场，是一个相对稳定的非稳定场，它的量 值和方向是随着空间和时间的变化而变化的，形成特定的四维场。但是地层深部天然 岩体初始应力场随时问的变化是相当缓慢的。 一9 一 华北水利水电学院硕士学位论文 2 2 3 地应力场的分布规律 通过理论分析、地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究，已经初步认识到 地应力的一些基本规律“”“”： 1 地应力是一个具有相对稳定性的非稳定应力场，它是时间和空间的函数。 2 实测的垂直应力基本上等于上覆岩石的重量。 3 水平应力随深度的变化关系比较复杂，一般在浅部地壳，特别是在构造活动区， 多数情况下，水平应力普遍大于垂直应力，而在地壳深部则相反。 4 平均水平应力与垂直应力的比值随深度增加而减小，但是在不同地区，变化的 速度也不相同。 5 最大水平主应力和最小水平主应力也随深度呈线性增长关系。 6 最大水平主应力和最小水平主应力之值一般相差较大，显示出很强的方向性。 7 最大水平主应力方向与地质构造的关系。岩体中现存的最大水平主应力方向主 要取决于现在的地质构造应力场。现场实验结果表明，最大主应力方向与地质构造的 关系十分复杂，有的地区最大主应力场方向与构造线垂直，有的则平行。 地应力的上述分布规律还会受到地形、地表剥蚀、风化、岩体结构特征、岩体力 学性质、温度、地下水等因素的影响，特别是地形和断层的扰动影响最大。 2 2 4 地应力场的主要影响因素 一般认为，我们考虑的地应力主要是与工程建设有关，大多都在地表浅层，所以 这里只考虑浅层地应力( 地表3 0 0 0 m 以内) ，浅层岩体中地应力的分布主要有以下5 个方面的影响因素。 1 地质构造对地应力的影响 地质构造对地应力的影响主要表现在影响应力的分布和传递方面。在均匀应力场 中，断裂构造对地应力量值和方向的影响是局部的，在同一地质构造单元内，被断层 或其它大结构面切割的各大块体中的地应力量值和方向均较一致，而靠近断裂或其它 分离面附近，特别是在拐弯处、分叉处及两端，因为都是应力集中地带，其量值和方 向均有较大变化；在活动断层附近和地震区，地应力的量值和方向也会有较大变化。 2 地形地貌和剥蚀作用对地应力的影响 地形地貌对地应力的影响十分复杂，至今没有统一的结论。剥蚀作用对地应力有 华北水乖j 水电学院碗士学位论文 显著的影响。剥蚀前，岩体内存在一定量值的铅垂应力和水平应力剥蚀后，铅垂应 力降低得较多，而水平应力降低得比较少，基本上保持原来的应力量值。 3 岩石力学性质对地应力的影响 从能量积累的观点来看，岩体地应力是能量积累与释放的结果。岩体地应力的上 限必然受到岩体强度的限制。因此，岩石力学性质对地应力的影响是显而易见的。杰 格尔( j a e g e r ) 曾提出地应力与岩石的抗压强度成正比的概念。李光煜、白世伟通过大 量的统计资料提出用岩体弹性模量( e ) 来评价岩石力学性质与地应力的关系。统计结 果表明，e = 5 0 g p a 以上的岩体，岩体中的地应力一般为i o m p a - - 3 0 m p a ，而e 小于l o g p a 的岩体，地应力很少超过i o m p a 。他们的统计结果还表明，在相同的地质环境中，当 岩体的弹性模量分别2 g p a 和l o o g p a 时，地应力值分别为3 m p a 和3 0 m p a 。因此，弹性 模量较大的岩体有利于地应力的积累，其地应力值也往往较高，弹性模量大的岩层地 应力量值高，弹性模量小的岩层地应力量值低。 4 水对地应力的影响 水对岩体中地应力的影响是显而易见的。由于岩体中水的存在面形成的岩石孔隙 水压力于岩石骨架承受的应力共同组成岩体的地应力。因此，孔隙水压力高的地区， 岩体地应力的量值也会相应增加。 5 温度对地应力的影响 岩体温度对地应力的影响主要表现在两个方面：地温梯度和岩体局部受温度影 响。一般而言，岩体温度应力为压应力，并随深度的增加而增加，因此，随着地温梯 度的增加，地应力的量值有增加的趋势。当岩体局部受温度影响时，由于温度分布不 均匀，会产生收缩和膨胀，导致岩体内部产生应力，影响岩体的地应力量值。 综上所述，地应力的构成是由多种影响因素导致的，对于每一个工程都有各自的 特点，因此需对地应力测量资料进行统计分析，这对于进一步研究地应力和建立岩体 地质模型具有十分重要的指导意义。 2 2 5 地应力的测量方法 目前确定地应力或地应力场的方法主要有两大类，其一是直接测量法，其二为间 接推断法。相对而言，直接测量法比间接推断法更为可靠、准确。因此，国际岩石力 学学会试验方法委员会建议推广4 种直接测量方法：应力解除法、应力恢复法、水压 华北水利水电学院硕士学位论文 致裂法、钻孔崩落分析法等。从各种方法的应用来讲又可分为岩体表面应力测量方法、 浅钻孔岩体应力测量方法和深钻孔岩体应力测量方法。 l 岩体表面应力测量法 它可分为表面应力解除法和表面应力恢复法。岩体表面应力测量是建立在弹性理 论平面应力问题的基础上，假定被测岩体为各向同性线弹性体。在研究洞室表层和支 护结构特定位置的岩体表面应力方面有其特定的优势。但是由于岩体表面应力测量法 只能测定洞室表层岩体局部的二维应力状态，不能测量未受洞室开挖扰动的原岩应 力，若要了解岩体的三维应力状态