应力场变异性高地应力输水隧洞平均应力估计的影响_魏丽娟.pdf

第卷第期水 利 科 学 与 寒 区 工 程 ，年月 ，魏丽娟应力场变异性高地应力输水隧洞平均应力估计的影响水利科学与寒区工程，（）：应力场变异性高地应力输水隧洞平均应力估计的影响魏丽娟（博尔塔拉蒙古自治州水利水电勘测设计院，新疆 博乐 ）摘要：高地应力及其影响是地下洞室工程设计和建设中必须要考虑的重要因素，是学者研究和关注的重要领域。文章以新疆某重点输水工程输水隧洞深埋洞段为例，利用局部应力场的统计模拟和随机抽样理论构建起平均地应力估计模型，研究和样本数量对平均地应力估计的影响，并获得相应的影响规律，可以对相关的理论研究和工程设计提供有益的借鉴和支持。关键词：应力场；变异性；输水隧洞；平均应力估计中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：魏丽娟（），女，安徽临泉人，工程师，主要从事水利水电工程设计工作。：。随着国民经济的不断发展和水利工程技术的迅速进步，我国的水利工程建设逐渐向地质复杂地区推进，并给工程建设本身造成了诸多困扰。特别是水利工程中出现了许多大埋深的输水隧洞，经常会面临高地应力等地质问题。为了避免深埋隧洞高地应力可能引发的岩爆和大变形，需要对地应力及其 分布情况进 行 科学 有 效 的 测 量 和 研究。从目前的研究现状来看，该领域的研究主要集中于工程地质构造分析以及数值模拟。由于受到资金等诸多因素的限制，现有的地应力资源往往依靠少数几个点位测试获得，同时测量的结果也不十分精确。在这种情况下，现有的地应力值和反演计算结果并不足以支撑实际工程设计和建设。由此可见，对深埋输水隧洞围岩应力认识不足，相应的开挖支护体系设计不成熟，缺乏针对围岩和支护结构可靠性的研究，是导致施工建设和运行过程中结构失稳破坏的重要因素。可靠度理论在建筑结构设计领域具有重要的意义和作用，也是未来发展的重要趋势。但是，目前人们在水工深埋输水隧洞建设领域，缺乏天然岩土体物理力学性质的足够统计资料，围岩支护结构的受力情况和机制研究尚处于起步阶段，这必然会影响到可靠度理论在隧道等地下洞室中的应用。基于此，此次研究以新疆某重点水利工程输水隧洞为背景，探讨应力场的变异性对高地应力输水隧洞平均应力估计的影响，以便为相关理论研究和工程设计提供有益的借鉴。远场地应力估计模型 模型构建原理在岩土工程领域，平均应力是表征一定范围内岩石整体应力状态的重要指标，在岩土力学分析和工程设计领域具有重要的应用价值，并主要应用于一定范围内岩体应力状态平均值的估计。从统计学的层面来看，平均应力还是远场地应力潜在未知平均状态的点估计。一般来说，具有工程意义的主平均应力的大小和方向的点估计计算需要依靠两个方面，分别是平均应力张量以及特征张量。由于此次研究缺乏大量的应力数据，因此在研究中应用蒙特卡罗模拟确定局部应力场条件下的大量尺寸不同的应力数据，然后对平均应力估计不确定性进行计算。局部应力场统计模型在研究过程中需要建立一个用于描述局部应力场的统计模型，以实现对应力测量数据的有效模拟。由于局部岩石内部应力属于一个典型的三维对称张量，因此首先需要假定一个符合其性质的统计模型。这方面传统研究一般采用的是张量模型假设，但是该模型存在比较明显的不足，就是忽视了张量分量之间所存在的潜在相关性。因此，研究中选择多元正态分布模型（）解释不同岩石内部应力张量分量组成的应力矢量。在该模型下，岩石内部局部应力场的应力矢量满足公式（）：，（，）（）式中：为代表应力场应力平均状态的平均应力向量；为应力场可变性状态的应力场矩阵。对于上述两个参数，其实际取值可以通过实际工程现场的应力测量估计，也就是对于给定的实际应力测量值，可以通过上文模型对局部应力场进行定义，然后从中得到随机应力向量，并最终获得任意给定大小的应力张量样本。研究过程为了实现本文的研究目的，在研究中利用蒙特卡罗模拟同时结合构建的模型生成应力张量样本。对于每个模拟应力样本，首先对其平均应力张量进行计算，将获得其特征向量和特征值作为平均应力大小和方向的点估计。将获得的所有点估计值与真实总体值进行比较，实现与样本大小有关的参数不确定性的评估。计算接轨与分析 断裂带研究中选择位于同一应力分区内的新疆某重点输水工程输水隧洞标段被断裂带隔开的深埋洞段的测点进行断裂带对平均应力估计可靠性的影响研究。其中测点主应力的数据如表所示。表断裂带测点主应力数据第一主应力第二主应力第三主应力埋深 夹角（）倾角（）夹角（）倾角（）夹角（）倾角（）以表中的数据为基础，利用构建的计算模型进行计算，获得断裂带和误差范围对测量次数的影响，结果见表。由计算结果可以看出，在 可接受误 差 范 围 条 件 下，要 保 证 估 计 结 果 达 到 的可靠度，和分别需要测量 次和 次；在 可接受误差范围条件下，要保证估计结果达到 的可靠度，和分别需要测量 次和 次。此外，与相同地质构造相比，不同地质构造测点的测量次数显著偏大。由此可见，断裂带的存在会对局部地应力可靠性估计存在显著影响，并主要表现为整体地应力测量次数的大幅增加。表断裂带影响的计算结果计算工况不同误差范围测量次数 误差范围 误差范围相同地质构造 不同地质构造 应力分区为了研究不同应力分区对平均地应力估计的影响，研究中选择新疆某重点输水工程输水隧洞标段和标段在不同应力分区的测区进行研究。其中，标段选择的是 应力分区，标段选择的是 应力分区。其中测点主应力的数据如表所示。以表中的数据为基础，利用构建的计算模型进行计算获得断裂带和误差范围对测量次数的影响，结 果 如 表 所 示。对 于 不 同 应 力 分 区，在 可接受误差范围条件下，要保证估计结果达到 的可靠度，和分别需要测量 次和 次；在 可接受误差范围条件下，要保证估计结果达到 的可靠度，和分别需要测量 次和 次。处于不同应力分区测点的测量次数增加明显，这也说明如果测量次数相同，不同应力分区测点的误差会更大。水 利 科 学 与 寒 区 工 程第卷表不同应力分区测点主应力数据第一主应力第二主应力第三主应力埋深 夹角（）倾角（）夹角（）倾角（）夹角（）倾角（）表应力分区影响的计算结果计算工况不同误差范围测量次数 误差范围 误差范围同一应力分区相同地质构造 同一应力分区不同地质构造 不同应力分区 埋深为了研究不同埋深对平均地应力估计的影响，研究中选择新疆某重点输水工程输水隧洞标段在不同埋深数据进行研究。研究中选择的背景工程深埋洞段埋深分别为 、和 的应力数据，以研究埋深对样本数量的具体影响。鉴于样本数据数量较多，这里不再列出。利用构建的计算模型进行计算获得断裂带和误差范围对测量次数的影响，结果如表所示。由表中的计算结果可以看出，在 可接受误差范围条件下，要保证估计结果达到 的可靠度，埋深时和分别需要测量 次和 次；埋深时和分别需要测量 次和 次；埋深时和分别需要测量 次和 次。由此可见，测点的埋深越大，需要的测量次数越少。因此，在实际应用过程中，浅埋地层可以适当增加钻孔的密 度，而 深 埋 地 层 可 以 适 当 减 少 钻 孔 的数量。表断裂带和误差范围选择影响的计算结果计算工况不同误差范围测量次数 误差范围 误差范围埋深 埋深 埋深 结语此次研究结合实际工程的地应力数据，利用局部应力场的统计模拟和随机抽样理论构建起平均地应力估计模型，深入研究和剖析样本数量对平均地应力估计的影响，并获得断裂带、应力分区以及不同埋深方案下不同误差范围的测量次数。可以为相关的理论研究和工程设计提供有益的借鉴和支持。当然，地下岩体面临诸多复杂因素的影响，不确定性十分显著，而相关研究目前尚处于起步阶段，尚未形成系统的理论和经验体系。因此，此次研究旨在抛砖引玉，使更多学者在该领域进行进一步的探索和研究，以形成完整与成熟的理论体系。参考文献：曹生荣，杨帆，秦敢，等盾构输水隧洞设垫层预应力复合衬砌承 载 特 性 研 究 水 力 发 电 学 报，（）：范勇，王奋，卢文波，等考虑地应力瞬态卸荷低频放大效应的深埋隧洞爆破开挖振动安全评估岩石力学与工程学报，（）：彭立锋，苏国韶，胡小川，等高地温水工高压隧洞结构模型试验研究水力发电学报，（）：杨继华，景来红，齐三红，等双护盾 隧洞施工卡机判据与对策研究三峡大学学报（自然科学版），（）：刘晓，严鹏，卢文波，等高地应力水平对爆破开挖损伤区声波检 测 及 损 伤 程 度 评 价 的 影 响 工 程 科 学 与 技 术，（）：邬爱清长江科学院水工岩石力学与工程应用研究进展长江科学院院报，（）：王继敏，周济芳深埋长大水工隧洞群建设与运行关键技术研究与实践水电与抽水蓄能，（）：李唱唱，侍克斌，姜海波深埋高地应力引水隧洞节理围岩稳定性 研 究 水 资 源 与 水 工 程 学 报，（）：第期魏丽娟应力场变异性高地应力输水隧洞平均应力估计的影响