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深切河谷区水电站厂址初始应力场规律研究及对地下厂房布置的思考
1 引 言
我国已建或在建的许多大型水利水电工程主要分布于西部高山峡谷地区，其中多数采用了地下洞室群作为电站厂房的布置形式。而我国西部地区现代地壳活动强烈，在地质挤压、切割和抬升作用下形成特有的高山峡谷地形地貌条件，使该地区形成了复杂地质条件和高地应力场。在这种复杂赋存环境中修建大型地下厂房洞室群，其工程设计与施工均遇到了前所未有的挑战。通常情况下，水电站地下厂房布置在河谷较低高程，距岸坡水平距离100～400 m，而该距离是深切河谷区地应力场影响显著的区域。因此，在对地下厂房洞室群进行布置设计时，需充分认识和把握工程区域的初始应力场分布规律。
从深切河谷地区地质历史发展的过程看，河谷演化(如地表剥蚀下切等)作用对地应力的改造显著，可以在一定范围内改变初始应力状态，形成一种特殊区域的初始应力场分布。对河谷地区初始应力场的研究也发现，除考虑自重和地质构造作用外，尚需考虑河谷发育演化作用对现今地应力场影响，由此获得的河谷地应力分布具有成因分区、分带性，与河谷现今初始应力分布的一般规律较为一致。为获得河谷地区合理的地应力场分布特征，在对初始应力场进行模拟分析时，通常考虑了河谷演化规律，为此相继提出了基于正交设计的河谷地应力场数值分析法、河谷地应力场的回归分析法、神经网络数值分析法等。这些方法在工程应用中都取得了一定的成果，但尚需进一步对河谷初始应力场模拟理论进行完善和实践检验。另一方面，现有水电站地下厂房地应力场模拟方法通常将初始应力场量化模型和地下厂房洞室群开挖精细计算模型相分离，也即先采用大模型(粗网格)进行地应力场模拟，然后采用应力插值的方法，将大模型中的地应力场转换到地下厂房洞室群开挖精细计算的小模型(细网格)中，作为洞室群稳定性分析时的初始应力场。此类做法在三维模拟计算技术发展初期，曾取得重要进展，但对于复杂地质条件下地下厂房地应力场模拟而言，具有一定的局限性，主要体现在不仅对地下厂房不良地质体和岩体结构模拟的不精细性，会引起结构体周边地应力场量化的失真，而且在将大模型中的地应力场插值到地下厂房洞室群开挖精细计算小模型过程中，还将产生新的误差。随着计算技术的发展，将初始应力场量化模型与地下厂房洞室群精细计算模型结合起来，形成地下厂房地应力场量化精细计算模型已经具备条件。
锦屏一级水电站地下厂房布置于雅砻江右岸，河谷高差为千米级，断面呈现出典型的深切“V”型河谷形态。工程区右岸为顺向边坡，在地貌上为台阶状且呈陡缓相间分布。地下厂房洞室群工程区地质条件复杂，岩体强度相对较低，初始应力高，f13，f14，f18三大断层和煌斑岩脉横穿地下厂房区。根据施工期现场监测和物探资料等综合判读，厂房洞室群变形以及松弛圈深度与同类埋深和规模的地下厂房相比，普遍偏大，且支护如锚杆和锚索)载荷超载比例相对较高，所呈现出的围岩这些变形特征与力学行为超出现有的工程经验，而这些与厂区初始应力场分布以及地下厂房位置关系密切。所以，识别厂区初始应力场分布规律是解译施工期围岩大变形破坏现象的`基础和依据。
锦屏一级水电站地下厂房的主洞室距河岸坡水平距离较近，受深切河谷地应力场影响明显，具有典型的代表性。另外，由高地应力、中等强度岩石条件、不良地质体发育及地下厂房布置交互作用所诱发的一系列工程问题尚需进一步探讨。鉴于此，本文针对深切河谷水电站地下厂房区初始应力空间分布及与洞室群布置相对关系识别问题，结合深切河谷历史发展过程分析、应力张量空间解析法和多核并行计算技术等，将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合，提出了考虑河谷演化规律的厂址区地应力场量化精细数值模型的建立方法和分析思路;运用上述模拟分析方法和层状岩体力学模型，以锦屏一级水电站地下厂房为工程研究对象，通过厂房区地质构造以及河谷演化规律的解读，对厂址初始应力场规律进行识别，建立了厂址区初始应力场量化精细数值模型，后续地下厂房洞室群大规模三维计算结果及现场围岩变形破坏规律验证了初始应力场量化模型的合理性。在此基础上，对深切河谷区水电站大型地下厂房洞室群布置设计进行探讨。本文的一些认识或建议可为我国西部类似工程设计和建设提供借鉴。
2 河谷应力场模拟方法与分析思路
2.1 河谷应力场模拟中一些问题分析及解决途径
在进行河谷初始应力场模拟时，合理考虑河谷演化过程中的卸荷效应对正确评价高山峡谷区地应力场的分布状态是必要的。为此，需要考虑 4 个假设：(1) 假设河谷形成前的远古地形相对平坦，即河谷形成前的原始地应力场与一般平坦地区的地应力场基本相同，主应力分量中的2 个基本水平、一个垂直，其中垂直主应力大小与岩体自重相当，最大主应力方向保持与工程区最大压应力方向一致;(2) 远古时期岩体原始地应力场由岩体自重应力和构造应力组成，构造运动在河谷发育演化前完成;(3) 工程区岩体中现存地应力场主要是在远古原始地应力场条件下，经过长期区域性地表剥蚀下切、河流侵蚀等河谷演化作用形成;(4) 河谷浅部岩体力学特性在历史上与现今边坡深部岩体力学特性基本相同。
2.2 考虑河谷演化的地应力场模拟方法实施步骤
具体步骤可以归纳为：
(1) 对资料进行收集和整理，分析前期探硐变形破坏资料(或施工过程中的地下洞室变形破坏资料)和钻孔岩芯饼化资料等，解译地下洞室应力型变形破坏现象及其发生规律等。
(2) 对实测地应力分析，主要包括对研究区地应力场的宏观分析，初步判断区域地应力场方位和量值;同时采用应力张量空间解析方法对地应力测点应力量值和方位特征进行量化分析，对地应力测试数据进行解读。
(3) 对河谷演化过程分析，论证河谷侵蚀下切的演化模式，并根据河床与河谷两岸形成地阶梯状阶地，确定河谷侵蚀下切分层数量和厚度，建立考虑河谷演化过程的计算模型。
(4) 考虑河谷演化规律的数值计算模型边界条件反演：在计算模型边界条件反演分析时，可采用映射网络+数值计算方法或者优化方法+数值计算方法等反演方法。
(5) 初始应力场模拟的正算模拟分析：将边界条件代入计算模型中进行正算，根据 3 个约束条件判断正算结果的合理性，如果合理，停止计算;如果不合理，返回第(4)步，重新设置边界条件范围，至到获得合理的初始应力场。最后，在获得的合理初始应力场的基础上，分析工程区的地应力场空间分布规律以及工程开挖形成的二次应力扰动规律。
3 工程区构造地质及河谷的演化规律
3.1 地质构造背景分析
根据现今活动断裂构造的分布格局，锦屏一级水电站工程区位于“川滇菱形断块”东部，该断块由安宁河断裂带、鲜水河断裂带、金沙江—红河断裂带和则木河—小江断裂带等多期继承性活动的断裂带所围。由于欧亚板块受印度洋板块强烈地推挤，导致川滇菱形断块向南东方向不断推移，同时青藏高原急剧抬升，强烈的水平剪切错动在各边界的断裂带发生，是形成现代地震活动发震构造的主因。工程区的三滩向斜总体上为 NNE 向，而在平面上展布为舒缓的“S”型。该向斜平均宽度约为 2 km，其长度约为 15 km，控制着工程区岩层的产状及其空间分布，导致坝区部位的向斜翼部地层向左岸倾斜，其平均产状约为 N30°E，NW∠35°。
3.2 河谷演化规律分析
锦屏一级水电站工程区地貌上右岸呈陡缓相间的台阶状，该区域的现代地形和地貌是在喜山运动作用下演化而来的。根据工程区的地形和地貌发育特征，可以大体上将工程区河谷地形和地貌的演化阶段，划分为 3 个主要演化时期，即准平原期、宽谷期以及峡谷期。其中在准平原期，现今工程区所存留的一级夷平面为在上新世准平原时期被抬升、解体而成的夷平面;而在宽谷期，随着青藏高原的抬升和川滇菱形断块向东挤出，发育成宽谷，河流纵比降小;在峡谷期，出现 VII 和 VI 级阶地，形成典型的高山峡谷地貌。
4 地下厂房区初始应力场识别
4.1 地下厂房工程概况
锦屏一级水电站引水发电系统的地下洞室群主要包括引水隧洞、主厂房(包括副厂房、安装间等)、母线洞、主变室、尾水管、尾水调压室和尾水洞等约40 个洞室，其中的三大洞室如主厂房、主变室和尾调室呈平行布置(见图 4[13])，主洞室纵轴线方位为N65°W，主厂房全长约 277 m，开挖高度 68.80 m，吊车梁以上开挖跨度28.90m，以下开挖跨度25.60m;主机间的尺寸为 204.52 m×25.90 m×68.80 m(长×宽×高)，顶拱的高程为 1 675.10 m。主变室位于主厂房下游，厂房和主变室之间的岩柱厚度为45m，主变室的尺寸为197.10 m×19.30 m×32.70 m(长×宽×高)，顶拱的高程 1 679.20 m。
4.2 地应力实测结果分析
根据厂房布置方案，地应力测点主要布置在相应平洞中，采用孔径法多组测试成果。采用全空间赤平投影方法和平面投影应力解析对厂址区 7 组地应力测点的应力张量特征进行量化分析，并与前期勘探平硐变形破坏现象的力学定性分析成果进行对比研究和论证，对地应力测试结果进行解析(见图 7，其中圆圈、方块、菱形分别表示第一、二、三主方向单位矢量，投影平面应力椭圆中长轴为最大主应力，短轴为最小主应力)。将地应力实测值转换到计算坐标系下，获得了厂区地应力测点平面主应力比值和应力矢量特征角。
5 初始应力场分布规律及验证
对所获得的厂址区地应力场量化精细模型进行解读，该区域地应力场的总体特征：工程区的地应力场分布受河谷演化和断层及煌斑岩脉的双重影响，从宏观上可以分为 5 个区域，主要包括河谷底部的应力集中区、岸坡浅表层的应力卸荷区、岩体深部的原岩应力区、应力卸荷区和原岩应力区之间的应力过渡区以及断层等构造影响的断层应力影响区。
6 对地下厂房布置的一些思考
我国西部修建的水电站地下厂房主洞室(跨度在 30 m 左右，高跨比平均约 2.35)因装机规模大而超过一般主洞室，且洞室地应力高、地质条件复杂，给高地应力区地下厂房洞室群布置设计提出了新的挑战。工程实践表明，最大主应力以及规模较大结构面(如断层、错动带等)是厂房洞室群布置需要考虑的主导因素[16]。所以，在常规的水电站地下厂房洞室群布置设计理念中，通常要求主洞室轴线与最大主应力成较小夹角，与结构面呈较大夹角[17-19]。目前的深切河谷区地下厂房布置也遵循了这一设计理念。然而，诸如上述的锦屏一级水电站等深切河谷区大型地下厂房在施工过程中，洞室开挖卸荷后出现了较为严重的围岩变形破坏现象(如围岩松弛卸荷深度大、围岩大变形、时效显著等)，增加了工程技术上的风险，威胁着工程的安全。从围岩变形破坏的机制来看，岩石强度应力比、三维地应力场等成为影响深切河谷区大型地下厂房洞室群安全的关键因素[8]。所以，在深切河谷区地下厂房洞室群结构布置设计时，除应考虑常规洞室群布置的基本要求外，尚需考虑岩石强度应力比和三维地应力场的影响。在对深切河谷区地应力场分布规律认识的基础上，建议一种基于三维地应力、岩体结构特征和岩石强度应力比的深切河谷区地下厂房洞室群布置设计方法。
7 结 论
本文依托锦屏一级水电站地下厂房工程，在工程区地质构造和河谷演化规律分析的基础上，建立了厂址区地应力场量化模型并识别了初始应力场规律，并在此基础上，对深切河谷高地应力区地下厂房洞室群布置设计方面提出了一些认识和建议，主要的一些认识如下：
(1) 本文给出的考虑河谷演化规律的地应力场模拟方法和具体实施步骤，可用于解决地应力张量空间分布特征及其与洞室群布置相对关系的问题;同时利用多核并行计算技术，将复杂地质环境下三维地应力场模型与洞室群精细开挖计算模型相耦合，建立地下厂房地应力场量化精细计算模型的研究方法，为水电站地下厂房洞室群地应力场量化模型的建立提供了一种新思路。
(2) 在建立的厂址区地应力场量化模型基础上，划分了河谷初始应力场不同区域，结果表明，锦屏一级地下厂房洞室群位于深切河谷附近应力变化较大且应力水平相对较高的应力过渡区，该区的初始高地应力环境是源于河谷地应力场与断层等构造的耦合作用，岩石强度应力比为 1.5～3.0，主应力比为 1.9～2.5。在这种高地应力–低强度应力比且高主应力比联动效应下，在主厂房和主变室等主洞室围岩中出现的大变形分布范围及卸荷松弛深度超过同等规模的地下厂房洞室群。而施工期地下厂房洞室出现的诸多应力型的变形破坏模式的出现位置和分布特征，则佐证了反演出的厂址初始应力场的合理性，同时也验证了所给出的考虑河谷演化规律地应力场模拟方法的科学性和可行性。
(3) 在对高地应力区三维地应力场特征认识和锦屏一级等水电站地下厂房工程实践的基础上，提出了一种考虑三维地应力、岩石强度应力比和岩体结构特征的高山峡谷高地应力区地下厂房洞室群结构布置设计方法，本质上体现了地下洞室群荷载特征(三维地应力)、围岩结构特征及承载能力(岩石强度)等因素的协同耦合作用，不仅兼容了传统布置设计要求，同时考虑三维地应力特征(不仅考虑最大主应力量值和方位，而且增加考虑地应力场分布、主应力比等)、岩石强度应力比等重要因素。根据这一布置设计方法，从定性角度建议了洞室位置、洞室纵轴线、洞室间距和洞型等确定的一些原则和思路。
目前，尚未见针对高地应力环境中水电站地下厂房洞室群布置设计方面较为系统的研究成果。本文也仅仅根据已有研究成果和工程实践对高地应力区地下厂房洞室群布置提出一些定性的思考和建议，下一步尚需针对岩石强度应力比、主应力比等指标提出具体量值，定量化开展高地应力区地下厂房洞室群结构布置的研究。
