深埋隧道精细地应力场反演研究——以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例

针对复杂地质条件下深埋隧道精细应力场准确反演以及主要地质条件对地应力场影响问题,以滇西南双江至沧源高速姜染山隧道为例开展研究。采用精细DEM数据、实测地质资料建立隧址区精细地质模型,以地应力实测数据和GPS速度场数据作为联合约束条件,开展姜染山隧道工程区精细地应力场反演计算,揭示了隧址区精细应力场特征及主要地质条件影响作用。结果表明：隧道区模拟变形速度场与GPS观测结果基本一致,模型能够较好反映工程区现今构造应力环境;隧址区地应力场存在应力水平西高东低、主应力方向局部偏转的特征,近E-W向的小黑江断裂对研究区地应力场的影响主要表现为造成主应力方向小幅偏转,未造成应力量值急剧变化,局部次级断裂和地形叠加影响作用有限;隧道沿线最大主应力在7.47～27.23 MPa之间,中间主应力在1.59～15.12 MPa之间,最小主应力在0.01～6.71 MPa之间,隧道沿线应力水平总体上未表现出明显异常特征;基于反演精细应力场数据的岩石应力强度比方法计算结果显示,现今地应力条件下,隧道岩石强度应力比结果总体在0.20～0.48之间,表明隧道围岩整体为无岩爆和轻微岩爆情况。本研究实例表明,复杂地质...     

蒲石河抽水蓄能电站地下厂房三维初始应力场反演分析

采用三维非线性有限元反演回归分析计算方法,提出侧压力系数函数拟合方法,考虑了地质构造,地形地貌以及实测应力对初始应力场的影响。对蒲石河抽水蓄能电站地下厂房区域初始地应力场进行反演回归分析研究,实测点处附近应力分布的局部特性证明反演计算方法是合理的。     

山西白龙山隧道地应力场分布规律分析

根据静兴高速公路白龙山隧道实测地应力数据,充分考虑地形地貌与构造应力的影响,采取三维有限元数值模拟的方法反演整个工程区的初始地应力场分布规律,结果表明:反演计算结果与实测值吻合较好。通过分析隧道轴线方向上的初始地应力场特征,发现区内存在较高地应力场区域。     

优化位移边界反演三维初始地应力场的研究

采用优化位移边界条件拟合工程区域初始地应力场,根据实测地应力资料建立针对所施加的任一边界位移模式的优化函数,不断调整位移边界模式并通过有限元数值计算,最终得到边界位移模式的最优组合和工程区域初始地应力场,从而为初始地应力场的反演分析提供一个新的途径。最后,针对三峡工程地下厂房区域给出了用该方法拟合初始地应力场的计算结果,通过地应力测点计算值和实测值的对比分析,其拟合效果较好,证实此方法是可行的。     

大岗山水电站坝区初始地应力场反演分析

针对大岗山水电站坝区V型河谷地形地貌特征,根据地应力实测资料及地质构造条件,考虑边坡浅表全风化、强风化地层以及断层破碎带对坝区初始地应力场的影响,建立了坝区初始地应力场三维回归计算分析模型。通过多元回归三维数值计算,求得地应力最优回归系数,较为准确地反演了大岗山坝区的初始地应力场。计算结果表明,大岗山坝区初始地应力场是一个在浅部以构造应力为主、在深部以自重应力为主、由构造应力和自重应力联合组成的中等偏高的地应力场,研究结果为坝区边坡开挖及长期稳定性分析提供了重要依据。     

水电工程坝址区构造应力场三维数值反演

以水电工程实例为背景,在现场调查和地应力测量的基础上,采用三维数值技术对水电站坝址区小范围内构造应力场进行了反演分析,通过对三维模型施加不同量值、不同方向的边界载荷,对比分析应力拟合点处的计算主应力与实测主应力之间的差别,从而得到最合理的边界载荷的量值和方向,即为坝址区构造应力场的量值和方向。计算结果表明：水电站坝址区构造应力场σ₁方向为S50°－60°E,量值为6～7 MPa;σ₃方向为N50°－60°E,量值为3～4 MPa。反演计算得到的坝址区构造应力场方向与区域应力场方向吻合,主应力量值也在合理范围内。     

考虑地应力分布形式的坝址区初始应力场二次反演方法

在建的乌东德水电站区域构造运动强烈,断层、褶皱及节理较为发育,加之河谷纵横、沟谷深切,导致该区域岩体地应力分布极为复杂,非线性特征显著。为准确获取坝址区初始地应力场的分布特征,通过对地应力分布形式进行优化,提出了考虑地应力张量分布特征的岩体应力场二次反演方法。首先,将地应力张量分解成自重应力、构造应力及非线性应力3个部分,同时依据坝址区地形地貌、地质构造及非均匀性岩层等因素,构建FLAC3D计算模型,利用叠加法原理对坝址区初始地应力场进行一次反演。然后,主要考虑坝址区附近小规模构造及局部开挖条件的影响,构建三维离散元（3DEC）精细模型,同时从一次反演中提取精细模型的初始地应力侧压系数和自重修正系数,并利用均匀设计法进行优化,对精细模型进行二次反演。研究结果表明：一次反演计算获得的初始应力场整体上与实际情况吻合较好,但在局部构造附近与实测值相差较大;二次反演考虑局部地质构造及开挖条件的影响,同时结合一次反演的计算成果,各测点的应力计算值与实测值基本一致;通过将大型商业软件FLAC3D和3DEC相结合来反演复杂条件下工程区初始应力场,在一定程度上实现了岩体应力场在大范围内整体连续、小范围内受局部地质构造等影响导致不连续分布的特点。该研究方法可为类似工程提供借鉴。     

支持向量回归算法在地应力场反演中的应用

地应力场是煤矿深部巷道开挖支护设计的基础数据。针对煤矿深部地层地应力实测值有较大随机误差的特点,提出基于支持向量回归(SVR)优化算法的地应力场反演方法。该方法以特征向量结构风险最小化为原则,将经验风险和置信范围最小化,减小实测地应力随机误差对参数反演的干扰。基于平煤一矿地质及地应力实测资料,建立三维有限元计算模型,引入侧压力系数,使用均匀设计表试验设计方法构造应力边界条件。根据计算分析结果建立学习样本,进而通过支持向量回归算法对边界条件参数进行优化,确定最佳应力边界条件,施加到模型上计算分析得到整个模型的地应力场。地应力测点反演值与实测值对比分析结果表明,反演值与实测值误差在合理范围,反演值比实测值随机性更小;反演地应力场分布规律与平顶山矿区地应力场分布规律一致;反演结果准确可靠。     

用优势应力分量逼近方法反演分析某水电站地下厂房区地应力状态

本文叙述了应用有限元优势应力分量逼近反演分析地应力场的方法。该方法通过少数点实测应力结果,结合工程地质资料,采用有限元数值模拟分析的方法反演工程区初始应力场。利用该方法并结合某水电站工程的实际情况进行了电站主厂房的地应力场分析,得到了在优势应力分量上与实测值相拟合的工程区剖面最大、最小主应力量值及其方向的分布图,并对工程区整体应力分布状况做了分析与探讨。     

利用区域火山口排列模式反演区域地应力场

研究表明区域地应力场会影响火山岩脉群分布及火山口排列。通常情况下火山口排列和岩脉群延伸方向与火山喷发时区域最大水平主应力方向平行,与最小水平主应力垂直。对于应力实测困难的火山区,利用火山口排列模式反演区域地应力场,对于构造应力场分析非常有用。本文从火山口排列调查法的研究现状、具体方法和案例对国内外相关文献进行了整理总结。火山口排列调查法反演地应力的关键两步:①利用遥感图像和DEM提取有效参数作火山区域构造图;②根据火山口年代和延伸性作线性处理。国外已对该方法开展了较全面的研究,因此值得对该类方法归纳整理,应用在国内典型火山群的古应力场反演,补充中国大陆应力环境数据库。     

渤中坳陷中部地区构造应力场光弹模拟实验研究

在对渤中地区沉积构造详细分析的基础上,明确了其中部地区断裂的分布特征,采用以E44-6101型环氧树脂为基体,顺丁烯二酸酐为固化剂,邻苯二甲酸二丁脂为增塑所配制的材料制成渤中中部地质结构模型,对渤中坳陷中部地区构造应力场进行了光弹实验模拟,再现了近北北东向和近东西向断裂在晚近构造格局下的应力状态及分布。试验证明,在构造应力场的作用下,油气往往由高应力值区向低应力值区迁移,而且渤中地区自新近系以来,最大主压应力方向比较稳定。基于试验结果的分析,对北北东向和近东西向两组断裂在晚近应力场的作用下的构造特征及其对油气的控制作用进行讨论。由于渤中坳陷是中国的油气主要产地,通过研究盆地构造应力场的分布,可为盆地的油气勘探和开发提供依据。     

塔中地区构造应力场数值模拟研究

构造应力场研究对于油气运聚分析及储层特征描述具有重要的理论和实际意义。本文根据塔中隆起断裂特征及其演化史,结合钻井资料,选择中下奥陶统碳酸盐岩为主要研究对象,应用大型有限元分析软件ANSYS,在处理断层问题时运用非连续的接触算法,模拟了中奥陶世末、中泥盆世末、三叠纪末、新近纪末的构造应力场,研究了该区不同时期的古应力分布特征。研究表明,最大主压应力受东部车尔臣-星星峡走滑断裂影响显著,在隆起区沿断裂带呈条带状低值分布,在不同时期塔中Ⅰ号断裂带无一例外地位于最大主压应力的最低区,反映了塔中断裂带尤其是塔中Ⅰ号断裂带是油气运移的有利指向区。最小主压应力沿断裂带呈条带状高值分布,在断裂的上盘、断裂走向发生变化和断裂的倾末端是张应力高值区,为张裂缝发育的重要构造部位。最小主压应力和最大剪应力受车尔臣-星星峡走滑断裂的影响明显减弱。     

吴旗探区长61储层构造裂缝特征及分布规律

吴旗地区主力油层为上三叠统延长组长6¹,属于特低渗储层。根据研究区露头地层、钻井岩心及岩石薄片实物资料,同时利用古地磁岩心定向方法,对研究区构造裂缝进行了详细的定性-定量化观测描述和统计。研究认为,吴旗地区长6¹储层主要发育NE向和NW向高角度的区域性共轭构造裂缝系统。储层段岩心构造裂缝密度为0.4~1.90 条/m,构造裂缝以偏张性为主,充填较为严重（约占57％）,无效裂缝居多（约占68％）。在此基础上,以构造裂缝观测值为依据,通过构造应力场有限元数值模拟,综合岩石破裂法和能量法,建立了裂缝预测数学模型,对长6¹储层构造裂缝分布和发育规律进行了定量预测研究,指出了裂缝发育区、次发育区和不发育区;同时,预测了张、剪裂缝发育方位,为吴旗地区低渗透储层石油进一步勘探部署和区块合理开发提供了地质依据。     

迪北气田三维探区下侏罗统阿合组裂缝定量预测

塔里木盆地库车坳陷的下侏罗统阿合组低孔低渗砂岩是迪北气田的主要油气储集层,构造裂缝作为油气运移通道和储集空间,其发育特征和分布规律是制约油气勘探开发的关键。本次研究采用迪北气田最新的三维构造图,考虑区域地质背景、地层起伏、断层分布等诸多因素,将目的层下侏罗统阿合组分为3段,基于实测岩石力学参数,利用三维弹性有限元数值模拟方法,计算获得的库车坳陷新近纪构造应力场的大小、方向与实测应力感数据比较吻合。以此构造应力场为基础,在迪北地区11口井的约束下,用岩石破裂值和应变能密度构建起的“二元法”对阿合组每一层段的裂缝密度分布规律进行预测。结果表明：平面上,迪北斜坡带的依南2-迪西1-迪北104区域、迪北101-依南5以南区域和吐孜1井以西-吐孜3井以北的区域为裂缝相对发育区;垂向上,阿合组中下段要比上段裂缝更为发育。该构造裂缝预测结果对迪北气田致密砂岩储层的勘探开发提供了新的参考依据。     

高陡复杂露天矿边坡地应力场分区非线性反演分析

地应力是边坡稳定性分析的重要因素。在杏山铁矿露天高陡边坡实测地应力数据的基础上,采用多元线性回归方法,在充分考虑岩体自重与构造应力影响的情况下,对5类11种边界条件工况进行了有限差分FLAC3D的模拟加载,反演得出研究区域内的地应力场。鉴于该方法只能对地应力场进行线性和全区反演,这对内部结构极其复杂、矿区内各个区域岩性和地形差异较大的金属矿山矿体显然是不够准确的。为了克服以上缺陷,采用了非线性的神经网络反演方法,并根据岩体的岩性分布和地形起伏将整个矿区划分为5个分区,通过引入侧压力系数k0实现分区域反演,从而得到整个矿区的地应力场。研究表明,在复杂地质条件下,神经网络方法反演出的初始地应力分布更加合理。     

小湾水电站坝址区三维初始地应力场反演回归分析

基于小湾水电站坝址区工程地质地形条件,研究分析了影响工程考察域初始地应力场的基本因素及其空间分布,建立了坝址区三维有限元计算模型和初始地应力场参数空间分布模型;利用大型通用有限元软件MSC.Marc和地应力实测资料,借助最小二乘法原理,以回归精度为目标函数,优化了构造挤压荷载的模拟和作用组合,实现了初始应力场空间分布模型的参数估计。计算结果表明,改进后的方法较传统方法回归精度有了较大提高,能较为合理地模拟小湾坝址区三维初始地应力场。     

基于遗传算法(GA)的地应力有限元反演研究

由于地应力的反演是一个不断逼近最优解的过程，计算量较大，收敛速度较慢。为解决该问题，本文引入遗传算法确定地应力反演中的边界条件，从而提高收敛速度。本文利用改进的反演算法确定河北平原区的边界条件，并在此基础上采用有限元方法计算出该地区的地应力。结果表明，本文提出的算法计算速度快、且其计算结果与地震机制解及活动断裂的分布具有良好的一致性。     

岩体初始地应力场分析方法研究

初始地应力场是影响岩土工程稳定性的重要因素之一,如何合理地模拟初始地应力场一直是岩体力学中的重要研究课题。以国内某大型水利水电工程构筑区域实测空间地应力资料为基础,以边界位移为控制对象,采用有限元（无界元）方法对工程区大范围内的岩体初始地应力场进行了分析和研究。尝试在实际边界上满足无穷远处位移为0的模型边界上引入了无界单元,实测点上的应力拟合结果有较明显的改善,这表明所采用的方法是切实可行和有效的。