（地质工程专业论文）西线南水北调工程地应力场反演分析研究.pdf

华北水利水电学院硕士论文 摘要 初始地应力场研究是工程地质研究的重要内容之一，初始地应力是地下工程 设计中的重要参数，因此对区域初始地应力值的确定方法进行研究，具有重要的 意义 本文以南水北调西线工程玛柯阿柯段引水隧洞工程为例，研究探讨了在复 杂地质环境下进行高地应力深埋大型地下工程设计时，如何考虑初始地应力场。 首先对实际测定的地应力进行回归分析，得出地应力随深度变化的规律，在地质 分析的基础上，建立整个区域的实体模型，参照实测点的初始地应力值，采用神 经网络与有限差分相结合的方法反演了该区域的初始地应力场，最后通过计算比 较分析了初始地应力场的分布规律。 在进行三维非线性有限差分初始地应力反演分析中，使用了f l a c 3 d 程序， 对f l a c 3 d 的分析过程以及实现方法做了探讨，应用均匀设计法来确定计算参 数不同水平的组合，利用程序内置的塑性模型对实际工程建立模型求解计算；以 计算的有限差分值为输入向量，初始地应力分布参数为输出向量，利用人工神经 网络进行反演优化，最终得出地应力场的分布规律： ( 1 ) 侧压力系数：第一主应力的侧压力系数在1 4 2 2 4 7 之间，第二主应力侧 压力系数在1 0 0 1 8 0 之间，在浅层由于受地形的变化的影响，其侧压力 系数变化也较大。 ( 2 ) 第一主应力方向：第一主应力方向在n e 3 7 0 n e 6 0 。之间。 ( 3 ) 主应力量值：三个主应力等值线分布比较均匀，基本上是从上到下逐渐增 大的，等值线在浅层受地形变化分布有所起伏。 ( 4 ) 输水隧洞主应力值：第一主应力的值在1 6 7 4 3 9m p a 之间，第二主应力 的值在1 0 4 3 0 3 m p a ，第三主应力2 1 - - 2 5 1 m p a 之间。 ( 5 ) 地应力场的分布规律为： 盯h = 0 0 3 2 5 h + 6 5 3 7 6 i = o 0 2 7 1 h + o 4 3 2 1 h 为深度 c r v = 0 0 2 5 4 h j 关键词：地应力反演分析人工神经网络有限差分法 华北水利水电擘院硕士论文 a b s t r a c t t h es t u d yo fi ns i t us t r e s si so n ei m p o r t a n tp r o b l e mo fg e o t e c i m i c a le n g i n e e r i n g ， a n dt h ei n i t i a ls t r e s si nr o c k sa n ds o i l si sa ni m p o r t a n tp a r a m e t e ri nt h eu n d e r g r o u n d e n g i n e e r i n gd e s i g n ，t h e r e f o r es t u d y i n go nt h es o l u t i o nm e t h o do f i n i t i a ls t r e s sv a l u ei s i m p o r t a n t a st ot h et u n n e l so ft h ew e s tr o u t es o u t h - t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，t h e t h e s i sd i s c u s s e sh o wt or e a s o n a b l yc o n s i d e rt h ei n i t i a ls t r e s sf i e l dw h e nd e s i g n i n ga l a r g e s c a l e t u n n e lw i t hh i g hi n i t i a ls t r e s sa n dd e e pb u r i e d f i r s t ，b yr e g r e s s i n g a n a l y s i so ft h em e a s u r i n gv a l u eo fi n i t i a ls t r e s s ，g a i nt h ev a r i e t yd i s c i p l i n a r i a no f i n i t i a ls t r e s s ，o nt h eb a s eo fg e o l o g i c a la n a l y s e ，c r e a t et h er e a lm o d e lo ft h er e g i o n ， c o n t r a s t i n gt h em e a s u r i n gv a l u eo ft h ei n i t i a lv a l u e ，c o m b i n i n go fa n na n df e mt o d e c i d et h ei n i t i a ls t r e s sf i l e d ，a tl a s t ，o nt h eb a s i so ft h ef o r m e rw o r k ，t h ea u t h o r c o n f i r mt h ed i s t r i b u t i n gr u l eo f t h ei n i t i a ls t r e s so f t h er e g i o n d u r i n ga n a l y z i n gt h e3 d f l a c ，t h i st h e s i sh a su s e df l a cp r o g r a m m et od o a c q u i r e m e n to fp a r i n gp r o c e s sa n dr e a l i z i n gm e t h o d ，c o n f i r m i n gt h ep a r a m e t e ro f d i f f e r e n tl e v e lb yu t i l i z i n gu n i f o r m i t yd e s i g n ，a n dc r e a t ea n ds o l v et h er e a lm o d e l b a s i so nt h ef l a ci n t e g r a lb u l l e tp l a s t i c i t ym o d e l ；r e g a r d i n gt h ec a l c u l a t i n gv a l u eo f f l a ca st h ei n p u tv e c t o ra n dt h ep a r a m e t e rd i s t r i b u t i n go fi n i t i a ls t r e s sa so u t p u t v e c t o r , b yo p t i m i z i n gb a c k a n a l y s eo f a n n ，g a i nt h el a s td i s t r i b u t i n gd i s c i p l i n a r i a no f t h eg r o u n ds t r e s sr e g i o n ： ( 1 ) l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n t ：l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to ft h ef i r s tp r i n c i p a l s t r e s s1 4 2 2 4 7 l a t e r a lp r e s s u r ec o e f f i c i e n to ft h es e c o n dp r i n c i p a ls t r e s s 1 0 0 1 8 0 a sar e s u l to ft h ea f f e c to ft h et e r r a i ni nt h es h a l l o w - l a y e r , t h el a t e r a l p r e s s u r ec o e f f i c i e n tc h a n g ed i s t i n c t l y ， ( 2 ) t h ef i r s tp r i n c i p a lp r e s s u r ed i r e c t i o n ：n e 3 7 0 n e 7 2 0 ( 3 ) t h ev a l u eo fp r i n c i p a lp r e s s u r e ：t h ei s o l i n e so fp r i n c i p a lp r e s s u r ed i s t r i b u t e u n i f o r m i t ya n di n c r e a s eg r a d u a l l y t h ei s o l i n e sc h a n g eo w i n g t ot h et e r r a i ni nt h e s h a l l o w - l a y e r 华北水利水电学院硕士论文 ( t h ev a l u eo fp r i n c i p a lp r c s s u r ei n t h et r a n s p o r t a t i o nw a t e rt u n n e l ：t h ef i r s t p r i n c i p a lp r e s s u r e 1 6 7 4 3 9m p a ，t h es e c o n d p r i n c i p a lp r e s s u r e 1 0 4 3 0 3 m p a , t h e t h i r d p r i n c i p a l p r e s s u r e2 1 2 5 1 m p a ( 5 ) t h ed i s t r i b u t i n gd i s c i p l i n a r i a no f t h eg r o u n ds t r e s sr e g i o n ； 蔗00237215h：0篙432ndepth00 2 5 4 h 盯 = + 1 h 一 正，= f k e y w o r d ：i ns i t us t r e s sb a c k - a n a l y s i sa n nf l a c 华北水利水电学院硕士论之 独立完成与诚信声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没 有剽窃、抄袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则本人愿意 承担由此产生的一切法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签字) ：易孝与高 年月目 2 0 0 6 年5 月1 0 日 华北水利水电学院硕士论文 第一章绪论 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 要工程地质条件和工程地质问题。长期以来，工程区的地应力场特征研究一直 是地质工程领域研究的一个熏要课题。 1 1 研究课题的提出 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。南水北调工程是十六大中重点强调的工程，因此，事关 国计民生，工程的安全可靠极为重要。 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 要工程地质条件和工程地质问题。西线调水区涉及的区域较大，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，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，反演分析初始地应力场是十分必要的。 南水北调西线工程位于青藏高原东北部，从长江上游经巴颜喀拉山输水入 黄河。经多方案比选，选定雅砻江、大渡河5 条支流的达曲一贾曲联合自流线 路调水4 0 亿m 3 为第一期工程：同时选择雅砻江干流阿达水库输水到黄河支流贾 曲的自流线路，调水5 0 亿m 3 ，为第二期工程；通天河侧仿水库输水到雅砻江再 到黄河支流贾曲的自流线路，调水8 0 亿m 3 ，为第三期工程。三期工程共调水 1 7 0 亿寸，如图1 1 所示。 根据规划，西线一期工程从雅砻江支流达曲、泥曲，大渡河支流杜柯河、 麻尔曲、阿柯河共5 条支流调水。整个工程由阿柯河的克柯、麻尔曲的亚尔堂( 加 塔) 、杜柯河的上杜柯( 扎洛) 、泥曲的仁达、达曲的阿安5 座枢纽及输水线路组 成。 为了解输水线路地应力的分布情况，受水利部黄河水利委员会勘测规划设计 研究院委托，中国科学院武汉岩土力学研究所于2 0 0 4 年5 月2 0 日1 0 月5 日 分别对达贾线路上勘探孔x l z k 0 4 、x l z k 0 9 、x l z k l 0 、x l z k l l 、x l z k l 4 、 华北水利水电学院硕士论文 x l z k l 5 、x l z k l 7 、x l z k 2 0 共8 个钻孔采用水压致裂法进行了现场地应力试 验，确定了线路测试孔地应力的大小和方向。本期地应力试验钻孔布置如图1 2 所示。 图1 1南水北调西线工程示意图 由于地应力的现场测试工作非常繁琐、需要花费大量的人力、物力、财力， 大量地进行测试也是不切实际的，另一方面，如果考虑简化的计算方法，以自重 产生的应力场作为初始应力场，这样做可能会影响工程的安全稳定性分析。因此， 这就向我们提出了一个课题，在进行类似这类大型隧洞工程的设计时，如何采用 比较合理的方法来考虑初始应力场的影响。 处于复杂地质条件下的大型水电工程，受到天然形成的地质环境如应力 场、渗流场、岩体物理力学性质等因素的制约和影响。通过工程实践，人们已 经认识到岩体中的初始应力场是地下工程围岩稳定与支护设计所需要的基本因 素之一，因此，采用的初始应力场是否可靠，岩体参数选取是否合理，将直接 影响到工程与施工的可靠性与安全性，这方面的研究已经很多了“1 。但是，在 近期研究中建立的以某些位置的初始应力实测值为依据的数值拟合分析计算方 法，这些数值拟合计算分析方法主要以分析工程所在区域局部范围的初始应力 场为目标，例如， |k 蕊 一 。；li 醛缓 摹 ； = ；! 嚣怒 、雹。 j 疆“ ! k 鳟k i l 九姆 l 爻_ 、 _ 一面、 铤爹 、一艟l4 丫 稳 毽 籴、 i 孽媳 翻 爹 l 硝t 碱 一稚p 蓊辫1 。 ， 搭蒜 、一，1 ， 剧，y 影矽 一? 己j 。 j + ，十7 游7 丑1 、”了谗 图1 2 地应力测试位置示意图 黄永庆在论文“3 中通过三个实测点的应力值可以模拟整个地下厂房所处工程区 的地应力场的应力值，这种方法在有限的范围之内是可取的。对于复杂地质环 匦鞭幅啦覃髫鼹r埘髫搿叫器l释陵器爿*妊 华北水刺水电学院硕士论文 境下、高地应力大深埋大型隧洞这一类特殊的工程，它所处的地应力场分布是 怎样的、应力的分布有什么样的特点、复杂的初始地应力环境对工程安全稳定 有怎样的影响，在工程设计中应该如何进行考虑，这一方面的研究目前有待进 一步的深化。 初始应力数值分析方法大致可以分为两类：一类是位移反分析方法；另一 类是应力反分析方法。“。在工程设计阶段，多采用的是应力反分析方法。 本文将结合南水北调西线一期工程玛柯阿柯段工程实例，研究该类工程 地应力场分布规律，并对地应力场进行模拟，并提出在进行地应力场分析时比 较合理的分析方法。 1 2 本文研究技术路线 三堡苎垦 j l 主堕塑竺兰竺 l ! 坠里，竺! ! 堕堡 t 一一! 一t 1 3 本文的主要工作 是 1 1 。，。1 。 反演最优结果 l - - ，- - - - j 围绕上述的问题，结合南水北调西线工程玛柯阿柯段引水隧道工程，本文 主要完成以下几个方面的工作： 1 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 华北水利水电学院硕士论文 实测地应力数据进行研究区初始地应力场回归分析，得出地应力场的分布规 律。 2 论述了水压致裂法测量地应力和人工神经网络的基本理论以及基本原理，并 根据人工神经网络的特点，结合地应力场的具体情况，研究了人工神经网络 在三维地应力场反演分析中的应用。 3 利用f l a c 3 d 有限差分程序进行三维应力场正分析。利用m a t l a b 结合人 工神经网络，编制相应的反分析程序。 4 根据分析得出西线南水北调玛柯阿柯段地应力的分布规律。 华北水利水电学院硕士论文 第二章地应力场的研究成果分析 经国内外科学家以及工程技术人员的多年研究，人们对地应力场的成因、 组成以及分布规律已有了许多成熟的研究成果。地应力场是地质历史中由于多 种地壳营力的联合作用产生的，其主要由自重应力、构造应力以及残余应力等 组成，在各种大地构造环境中，地应力场的分布特征是有规律可循的。 2 1 岩体地应力场的基本概念 岩体中任何一点都受到力的作用，处于受力状态中，地壳岩体的天然应力状 态是指未经人为扰动的，主要是在重力场和构造应力场的综合作用下，有时也 在岩体的物理、化学变化及岩浆入侵的作用下所形成的应力状态，常称之为天 然应力或初始应力”l 。人类从事工程活动时，在岩体天然应力场内，因挖除部 分岩体或增加结构物而引起的应力，称为感生应力或次生应力。在各种地应力 场环境下的岩石应力条件对大型地下工程的合理设计和安全运行是非常重要 的，地应力场是工程建设中值得研究的重要课题。 张悼元【6 】等( 1 9 8 1 年) 根据加拿大第七界岩石力学讨论会研究成果并略加 修改后提出了初始应力场的主要组成部分：自重应力、构造应力和残余应力等。 对于岩体来说，通常测得的地应力并非岩体形成时的初始地应力，而是扰 动后残留在岩体中的地应力，因为岩体形成之后均经历了各种地质作用的不同 程度的叠加与改造，致使初始地应力状态被破坏。但是，相对岩体工程而言， 施工之前测得的地应力属于初始地应力。赋存于一定地应力场中的岩体本来保 持相对平衡状态，由于工程活动破坏了岩体中初始地应力的平衡状态，触发岩 体发生变形和破坏。 由于风化、卸载等作用使地应力部分释放，但是还有一部分仍然保留在岩 体中，其可分两种情况：一种是边界约束未完全解除而保存的应力，另一种是 内部约束造成的内应力。王思敬( 1 9 8 4 年) 认为【_ 7 l ；岩体在地质建造和构造历 史上形成的应力状态，在外力作用已经改变的条件下，能够保存下来形成内应 力，可以由粘弹性及弹塑性变形，应变能在内约束下储存来解释；岩层在褶皱 和构造受压过程中，在一定条件下，即构造变形还不是十分强烈的条件下，出 华北水莉水电学院硕士论丈 现粘弹性变形，经过很长时间的作用，由于构造运动变迁，在外力移去后，变 形逐渐恢复，但是恢复过程很长，有相当一部分应力储存在岩层中而不能立即 释放出来；在岩体产生弹塑性变形时，弹性单元储存的变形能因为受塑性单元 不能恢复变形的约束，在外力移去后也不能完全释放，而受塑性单元强度极限 的控制；初始地应力场的剥蚀理论实际上就是认为岩体中水平构造应力的残存 是因为地形剥蚀，垂直应力释放，而水平应力未能充分释放的结果。h b o c k ( 1 9 7 9 年) 在对玄武岩柱状节理快体的研究中也发现了残余变形的上述释放规律。 2 2 攮应力场的成因 产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。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过程有关， 其中包括：板块边界受压f 8 】、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、地表剥蚀或其它 物理化学变化等 9 1 也可引起相应的应力场。其中，重力场和构造应力场是现今 地应力场的主要组成部分。 为了便于把地应力的研究与构造运动结合起来，更好的研究构造应力场， 把地应力场按构造成因进行分类是目前使用得比较普遍的分类方法。这个分类 方法的核心是要划分出构造应力与非构造应力得区别，因此，必须谨慎地分辨 和识别它们，以便达到构造活动与构造营有关、与非构造应力关系不大的研究 目标。否则进行说明构造运动的原因是无法实现的。按构造成因进行分类的分 类图见图( 2 1 ) ： 图2 1 构造成因分类图 华北水利水电学院硕士论文 2 2 1 构造应力 构造应力是指导致构造运动、产生构造应变、形成各种构造形迹的那部分 地应力。它是由多种原因造成的。 ( 1 ) 自重应力 自重应力是指在地壳岩体中由于上覆岩体自重在各深度处产生的应力。 一般认为水平应力与垂直应力比为： 墨：旦：上 ( 2 一1 ) o ：o ；1 一p 在岩体满足线弹性的特殊条件下，则上式变为： 生：旦：l ( 2 2 ) 盯：盯：1 一。 即水平应力和垂直应力不等，般泊松比为= 0 2 5 0 3 1 ，若取o 2 5 则： 盯，：盯。：一1 盯， ( 2 3 ) t 2 q 2 j 盯= 。2 3 由此可知，岩石自重引起的水平应力( o x 、叽) 仅仅为垂直应力的1 3 ， 而世界各地实测地应力绝大多数却是水平应力大于垂直应力，垂直应力往往与 岩体的自重大体对应。由此表明，地壳中不仅有自重应力的存在，而且自重应 力在大多数情况下可能是垂直应力的主要来源；水平应力是多种成因的综合体， 由自重应力引起的水平应力只是其中的一部分。 一般情况下，由于地壳构造运动是长期的过程，即使是在地壳潜层低荷载 作用下也是以蠕变为主，而在深层高温高压下，由试验结果得到接近于0 5 ， 即自重应力成为各向均等的静水压力，称之为自重围压，其大小随深度的增大 而增大，若上覆岩层的密度不变，则随深度呈线性增大，故此应力场的水平分 布与上覆岩层密度的水平分布、地表地形和上覆岩体垂直厚度有关，而其垂直 分布则与上覆岩层密度和深度有关1 0 】。 ( 2 ) 边界应力 边界应力是指由于地块形状、边界外力以及协调条件变化等所引起的应 华北水刺水电学院硕士论丈 力。由于组成地壳的岩石在力学性质上有明显差异，各种发育的地质构造把地 壳划分成许多形状不同的块体，及其块体内部复杂的构造骨架特征，加之地球 不停地运动，必然在不同地块边界上引起不同方式、方向的外力作用。所有这 些综合在一起统称边界外力，它决定着地块或岩块内部的应力分布变化规律。 影响边界应力的主要因素有：地块形状、边界外力、构造骨架，岩石力学性质 等。 ( 3 ) 体力应力 体力应力是指由体力作用形成的应力。体力也是外力的一种，其作用特点 是不通过地块边界的接触面力，而是隔一定的空间距离使地块内部各个质点受 力而产生应力。体力的内容很多，诸如自重、离心力、惯性力等等，与地球运 动特征及其所处宇宙空间位置密切相关。 ( 4 ) 地球物理应力 地球物理应力是指由于某些地球物理指标的改变所引起的应力，包括的范 围较宽，诸如地磁、地电、地热的变化所引起的应力。 ( 5 ) 其他构造应力 如地球化学所导致的地球化学应力等。 综上所述，各种构造应力是由多种原因形成的应力的综合组合体。构造应 力的研究目前属早期阶段，许多问题都有待进一步的探索。目前就各种不同观 点的地质构造学派而言，对区域性或局部性地应力场分布规律的研究，在很大 程度上首先注熏边界应力，其次为体力应力，体力应力也主要考虑自重应力的 研究。而在全球应力场的研究中，则把体力列为首位，不仅重视浅部应力分布 变化，还要重视深部应力的变化规律；不仅重视地球物理应力，同时还重视地 球化学应力。只有全面研究地球表面和内部不同部位的应力分布变化规律，然 后再和它在宇宙空间的运动规律及其内部物质运动结合起来，才会对地壳运动 规律获得较为全面的认识。 2 2 2 非构造应力 非构造应力是指与构造应变、构造变形、构造运动关系不大的那部分应力， 亦即不是促使构造行迹形成，不是促使构造变动发生的那部分地应力。它可以 华北水利水电学院硕士论文 进一步划分为：地形应力、采动应力、荷载应力、胀缩应力以及部分的自重应 力等。 2 2 3 残余应力 残余应力是指除去外力作用以后，尚残存在岩石中的应力。从物体是线弹 性的概念出发，除去外力以后其内部应力便会消失，但实际情况并非如此。残 余应力是不同地质时期各种因素长期作用下残余在岩石中的多种地应力成分， 包括构造应力和非构造应力等。残余应力可能残生的各种方式，实际上也是岩 体内能4 积聚的方式。假设使外力全部去掉以后，由于岩体里仍存在着内能， 有时可以使之继续发生变形。在工程实施中的某些岩爆现象便与之存在着一定 的联系【1 “。可见有时残余应力是相当大的。 2 3 地应力场变化的一些基本规律 通过理论研究，地质调查和大量的地应力测量资料的分析研究，已初步认识 到浅部地壳应力分布的一些基本规律1 1 2 l 【1 5 】。由于地应力的非均匀性以及地质构 造、地形和岩体力学特性等的影响，地应力的变化规律没有明显的确定性。但 从实测资料来看，浅层( 深度小于3 0 0 0 米) 地应力总体上遵循如下的规律： 2 3 1 地应力是一个相对稳定的非稳定应力场 岩体中地应力除地壳深层外，绝大多数是以水平应力为主的三向不等压的三 维应力场。三个主应力的量值和方向随着空间位置和时间的变化而变化。 地应力在空间上的变化程度，就一个小范围来讲，例如一个水利枢纽工程或 矿山工程，地应力的量值和方向从一个地段到另一个地段发生变化。但对大的区 域整体而言，地应力的变化特别是最大主应力的方向是不大的，例如，我国华北 地区，地应力的主导方向为北西西和近东西向。 地应力的量值和方向在时间上的变化，就人类工程活动所延续的时间而言， 变化是缓慢的，可以忽略不计。 1 0 华北水利水电学院硕士论文 2 3 2 实测铅垂应力基本上等于上覆岩层重量 布( b r o w n ) 在总结世界上大量的地应力现场实验资料表明，在深度为 2 5 2 7 0 0 米范围内，地应力的铅垂向分量基本上等于上覆岩层重量，除少数实验 点偏离较远之外( 分散度小于5 ) ，其随深度的变化按照岩石重度成线性增加， 如图2 1 所示。 o v 铅垂应力伽p 曩) 。 01 02 0 3 0 柏5 06 0 7 0 段气 轧 瞄- 邀 - o 一 、l o x r + 中国 。一 真地利 、 美国 加拿大 斯堪的纳j 垭 i 南非 一 a 其他崮索 、 i 图2 1地应力的铅垂向分量随深度的变化规律 2 3 3 水平应力分量普遍大于锵垂应力分量 国内外地应力现场实验结果表明，在较浅地层中，地应力的水平向应力分量 绝大多数大于铅垂向分量。最大水平向应力与铅垂向应力比值( 侧压系数) 一般为 0 5 5 5 ，大部分在o 8 1 2 之间。最大值甚至达到3 0 或更大。 目前，国内外习惯采用两个水平方向应力的平均值。与铅垂向应力的比值 盯。的比值来表示侧压系数。此比值一般在o 5 5 0 之间，我国的实测值大多数在 o 3 3 0 之间，如表2 1 所示。 县毯鞋卜氍捌 华北水利水电学院硕士论文 表2 1 。c r v 的统计结果 国家名称 吒。，盯。百分比。o r 。比值 1 2 中国 3 24 02 82 0 9 澳大利亚 o2 27 82 9 5 加拿大 o01 0 02 5 6 美国 1 84 14 l3 2 9 挪威1 71 76 65 5 6 瑞典001 0 0 4 9 9 南非 4 12 43 5 2 5 0 前苏联 5 l2 92 0 4 3 0 其它地区 3 7 5 3 7 52 51 9 6 2 3 4 平均水平应力与铅垂应力比值( 侧压系数五) 同深度之间关系 侧压系数仃。，o ，是表征地区地应力特性的主要指标之一。一般而言，该值 随深度增加而减小，但在不同区域，有较大差异。布朗( b r o w n ) 根据图2 1 的统 计结果提出下式来描述这种变化趋势： 百1 0 0 + o 3 , i n 雩+ 0 5 ( 2 - 4 ) hh 已有的现场实验资料也表明( 图2 2 ) ，在钻孔深度较浅( 小于1 0 0 0 米) 时，a 比较分散，数值也较大。随着深度的增加，旯的分散减小，并且向趋于1 附近集 中，类似前述的海姆假说的静水压力状态。 2 3 5 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。 2 4 我国地应力场的区域划分 根据大量的现场实验结果，我国地应力场的最大水平主应力方向有较明显的 分区特征，如图2 3 所示。 华北水利水电学院硕士论文 1 ) 华北地区，主压应力方向以太行山为界，太行山以东的华北平原及其周边 山区，其主压应力方向为近东西向；太行山以西，主压应力方向近东南。 2 ) 秦岭构造带以南，主压应力方向为北西西至北西向。 3 ) 东北地区主压应力方向以北东东为主。 4 ) 西部地区测得的主压应力方向以北北东方向为主，个别近东南方向。 地应力量值在我国的东西部地区有较大的差别。东部地区的地应力量值比较低，在3 0 0 m 深度内，一般地应力最大值为8 m p a 左右。西部地区，地应力量值比较高。例如，在四川二 滩水电站实测的水平最大主应力量值在河谷应力集中处高达4 0 6 5 m p a 。 平均水平避短力嘲骧瞳力 ，叫譬 一 - 。i ? ”-i 毒 气 _ _ l 一 1 一一 - i ，一 ： 哆 t ：夕 - ， t - ， 囊蟾利 j lr ，麓搠 r ， 黼太 l t 辆堪鹘纳擐溅 ， 辩冀 一_ ， 一萁媳国家 7 ll r i 图2 2 地应力的侧压系数随深度的变化规律 2 5 地应力场的研究状况“印锄1 地壳岩体的天然应力状态是多种应力在一个地区以特定方式组合作用的 结果，它取决于地区的地质条件和岩体所经历的地质历史。但是，人们对于任 何一个问题的认识，不仅需要一个过程，而且也需要有一定的研究、测试手段， 在这些条件具备之前，一个正确而完整的概念是不可能建立起来的。长期以来， 人们对于岩体天然应力状态的认识也是如此，曾发展过多种观点，特别是随着 地应力实测理论和方法的不断成熟，尤其是上世纪中叶以来普遍使用的套孔应 誊甚蜷卜磁受 华北水利水电学院硕士论文 力解除法以及上世纪8 0 年代以来发展迅速的水压致裂法【2 1 】i 矧，丰富的资料和 大量的研究成果，促使地应力场的研究产生了个质的飞跃。 图2 3 我国地应力场的最大水平主应力方向分布 近2 0 年来，随着计算机技术和数值计算分析方法的进步，使得进行大型的 数值模拟及计算成为可能，各种数值计算方法不断涌现。 1 9 8 2 年白世伟、李光煜等2 3 1 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 1 2 4 1 1 2 5 1 。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。 1 9 8 4 年水利水电科学研究院张有天、胡惠昌【2 】提出“地应力场的趋势分析” 法，该方法用四次多项式应力函数根据少数测点及地表边界条件对地应力场进 行计算，推导了相应的公式，虽然该方法简便可行但四次应力函数只能描述二 次应力张量场，当地形起伏变化大，地质上有断层破碎带，应力变化剧烈甚至 不连续，这时只能用高阶的应力函数，另外，若岩性比较单一，用趋势面分析 法甚为便利，但若研究区域中有几种介质，采用此法时则应分区拟合，并保证 界面上的连续，这就增加了复杂性。 1 9 8 9 年武汉水利电力学院肖明瞄l 提出了采用三维有限元反演三维初始地 华北水利水电学院硕士论文 应力场，并用三维正交多项式拟合三维应力函数，该方法是以实测应力点为依 据，然后根据地形、地貌、地质条件对初始地应力场用三维正交多项式根据最 小二乘法的原理拟合，具有一定精度。当初始应力场突变较大时，采用应力函 数描述则尚有一定的困难，可采用分区函数拟合，并能收到较好的效果。 1 9 9 6 年武汉水利电力大学朱焕春等【2 7 】提出了“河谷地应力场的数值模拟” 方法，该方法以河谷地应力场的成因为基础，采用三维弹塑性有限元和正交设 计理论相结合的手段，实现了对河谷区三维地应力场的数值模拟和对测点处地 应力测量结果代表性的评价。 在数值拟合分析方法研究取得进展的同时，理论反演分析方法研究也有所 进展，其与数值拟合方法的区别在于反演分析建立计算过程的依据是直接由连 续介质力学推导得出的关系式，而不是单纯的数值拟合，实践中可供工程所在 地进行初始地应力研究采用的则主要是位移反分析法和应力反分析法。 1 9 8 3 年冯紫良【2 8 】发表“初始地应力的反推原理”，提出了初始地应力位移 反分析计算的有限元计算原理，包括弹性问题计算的基本关系式，以及弹塑性 问题计算的数值处理技术等。1 9 8 5 年杨林德、黄伟等 2 9 】发表的“初始地应力位 移反分析计算的有限单元法”，建立了平面应变弹性问题和弹塑性问题反演计算 的有限单元法的具体计算方法。上述的方法均为理论位移反演分析法【3 0 】【3 l 】。 由于进行区域初始地应力场研究的应力反分析法属于空间问题目前取得 的成果比较少。1 9 8 3 年天津大学郭怀志、马启超等【9 】发表“岩体初始地应力场 的分析方法”，文中采用了三维空间的力学模型为基础的理论应力拟合方法，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。同济 大学的冯紫良教授在小湾电站初始地应力场的回归分析中将这一方法做了进一 步的发展，对初始地应力的实测值引入了可考虑各因素综合影响的加权系数， 使分析更为合理。1 9 9 4 年水利水电科学院的朱伯芳院士在郭怀志教授的基础上 做了改进，把自重应力作为已知值，在地应力反分析中，只反演构造应力，但 其只从理论上做了解释。 1 9 9 6 年北京科技大学的于波、蔡美峰、乔兰【3 2 1 根据地应力实测数据，使用 灰色建模理论建立了矿区地应力分布规律的模型，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，服从相同的分布规律，具 华北水利水电学院硕士论文 有良好的一致性。久武胜保提出的方法在衬砌结构所受的荷载和发生位移之间 建立了关系式。可用于依据位移量测值反演确定作用在村砌结构上的荷载。 在国外，日本的樱井春辅提出了位移一应变反馈方法确定初始地应力与地 层弹性参数的有限元法。大缘正幸在提出的位移预报法中涉及了初始地应力的 反演确定，对圆形洞室的粘弹性问题提出了解析法，其比较实用的近似方法同 时考虑了洞室开挖的空间效应和对位移量测结果的影响，不足之处是在理论分 析中首先假定了初始地应力场的分布规律符合海姆假设，使适用场合受到限制。 除日本外，美国、意大利等国的学者对位移反演理论也早有研究。其中美国学 者古德曼( r e g o o d m a n ) 在7 0 年代出版的岩石力学专著中己提到可依据位移量 反算初始地应力，意大利学者焦德( g g i o d a ) 从事位移反演理论研究多年，并已 取得系列成果，包括提出了可同时确定初始地应力和地层特性参数的优化反演 分析理论。 1 6 华北水利水电学院硕士论文 第三章南水北调西线工程 玛柯阿柯段地应力场特征分析 南水北调西线一期工程在线路上共设1 0 个勘探孔，经过对1 0 个勘探孔地 应力实测值的回归分析得出地应力的分布规律为： = o 0 3 0 6 h + 6 3 8 0 4 = 0 0 2 9 h + 0 3 0 其中：h 为深度 吒= o 0 2 5 h 南水北调西线一期工程线路地应力反演共分五段，本文取其中一段( 玛柯 阿柯段) 做为本文的研究对象。 3 1 玛柯阿柯段线路地质概况 x l z k l 4 、x l z k l 5 线路孔位于玛柯阿柯段内，沿线高程一般在3 5 0 0 4 5 0 0 m 之间，总体地势西南高。沿线水系主要为大渡河支流玛柯河、阿柯河、以羽状 为主，少量里树状和放射状。一般山顶高程4 6 0 0 4 8 0 0 m ，河谷高程3 4 0 0 3 6 0 0 m 。 3 1 1 玛柯阿柯段线路地层岩性 ( 1 ) 三叠系 下统昌马河组上段( t 。? ) ：主要分布于线路东北部的甘德南断裂带北侧。岩 性为浅变质凝灰质长石石英细砂岩、岩屑长石砂岩、粉砂质板岩韵律互层，局部 夹中基性火山岩及灰岩凸镜体，厚度差异较大，砂板岩比例不同。 中统甘德组( k ) ；线路区自南向北分布广泛，为一套稳定的浅变质长石砂 岩夹少量板岩，局部夹灰岩和火山岩。沉积厚度大，砂岩层厚变化大，粒序层理 发育。下伏岩层为下统昌马和组上段( t l e 2 ) 。 上统巴颜喀拉山群( t 。) ：线路区分布较广，为泥质碎屑岩系。下岩组( t 。) 以板岩为主，砂岩次之，夹少量不纯灰岩。上岩组( t 。) 为砂质碎屑岩系，分 华北水利水电学院硕士论文 布范围相对较小，仅在亚尔堂乡南侧柯河源头及出口处出露，为长石岩屑砂岩、 石英砂岩、粉砂质板岩，局部夹中基性火山岩凸镜体。 ( 2 ) 侏罗系 年宝组( j ，。) ：仅分布于线路中部阿柯河的支流若末柯河附近，为一套灰绿 色中、酸性火山岩夹砂岩、灰质页岩及煤线，底部有火山角砾岩。与下伏三叠系 甘德组呈角度不整合接触。 ( 3 ) 第四系 分布于河流沟谷及河床漫滩、阶地上。上更新统冲洪积物( q 。“”) 组成i i i 级 以上阶地，堆积物为砂砾岩和砂壤土，砂砾岩成分多为附近基岩，未胶结或微胶 结，胶结物为泥质。全新统冲洪积物町“组成河漫滩i 、i i 级阶地，成分为砂 砾岩和砂壤土，二元结构明显，厚度一般小于l o m 。 3 1 2 玛柯阿柯段线路工程岩体力学性质 线路区主要岩体力学指标建议值：弱、微风化砂岩抗压强度6 0 i o o m p a ；弱 风化板岩抗压强度5 0 7 0 m p a ；花岗岩抗压强度1i o 1 5 0 m p a 。 3 1 - 3 玛柯阿柯段线路工程地质分段评价 隧洞高程3 4 9 5 3 4 6 7 3 m ，洞线埋深2 0 0 8 0 0 m ，地层以t 。砂岩 夹板岩为主，局部有t a b , , ) 板岩夹砂岩，岩体结构为块层状、整体层 状、少量互层状。 3 2 地应力的现场测试啪h 州 国际岩石力学学会测试方法委员会1 9 8 7 年颁布了“测定岩石应力的建议方 法”。包括u s b m 型钻孔孔径变形计的钻孔孔径变形测量法、c s i r ( c s i r o ) 型钻孔 三轴应变计钻孔孔壁应变测量法、水压致裂法和岩体表面应力的应力恢复测量 法。 与其它三种测量方法相比，水压致裂法具有以下其它优点： 华北水利水电学院硕士论文 ( 1 ) 测量深度深； ( 2 ) 资料整理时不需要岩石弹性参数参与计算，可以避免因岩石弹性参数取值 不准引起的误差； ( 3 ) 岩壁受力范围较广( 钻孔承压段程度可达1 - 2 米) ，可以避免“点”应力状 态的局限性和地质条件不均匀性的影响； ( 4 ) 操作简单，测试周期短。 因此，水压致裂法广泛地应用于水电、交通、矿山等岩石工程以及地球动力 学研究的各个领域。 3 2 2 水压致裂法基本原理 水压致裂法地应力测量利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度 封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征 值计算地应力。 水压致裂法地应力测量原理以弹性力学平面问题为基础，并引入了如下三个 假设： 1 围岩是线性、均匀、各向同性的弹性体： 2 围岩为多孔介质时，注入的流体按达西定律在岩体孔隙中流动； 3 岩体中地应力的一个主方向为铅垂方向，与铅垂向测孔一致，大小等于 上覆岩层的压力。 根据弹性理论，当在具有应力场的岩体中钻一钻孔，钻孔周边岩体将产生二 次应力场( 图3 1 ) ，它与地应力之间的关系如下： a ：= ! 孚c - 一等，+ 墨手c ，+ 。罟一等s z 口+ c t + ，罟一。等n ：一 = 半o + 争半c 多c o s 船、争n z 口 a ；= - 2 4 c q q ，等c 。s z 口+ ：笋s m ：口 + 唧 r ；= ! 专生( 一，等+ ：多s t n ：口+ ( 一，等+ ：等) c o s z f 二= ( z wc o s 目一f 。s i n 口) ( 1 + 等) 华北水利水电学院硕士论文 f ：= ( r y ：s i n o - r = c o s o ) ( 1 一了a 1 ) ( 3 - 1 ) 式中，a 为钻孔半径，r 为径向距离，0 为极径与轴x 的夹角，z 为钻孔轴向 指向孔口。为岩石泊松比，仃，为原始轴向主应力( 由上覆岩石自重确定) 。 图3 1岩体中含一钻孔的厦力分布 在钻孔孔壁处( ，= a ) 的应力状态为： 一= ( 仃，+ 盯y ) 一2 ( 盯，一盯y ) c o s 2 0 4 f 掣s i n 2 0 盯：= 一2 k 盯、一盯，) c o s 2 0 + 2 l x ys i n 2 0 + o - ， f 盖= 2 f 。c o s 2 0 2 f 。s i n o ( 3 2 ) 注意到地应力场中的一主应力为钻孔轴线方向，有f 0 = f 二= r 二= 0 ，同时， 坐标