初始地应力场反演及回归分析方法研究

运用岩体工程地质力学方法和数理统计原理,建立了初始地应力场的三维有限元反演及回归分析模型.该模型克服了边界调整法等一般反分析法的不足,具有很好的实用价值和易操作性,能够方便较为准确地反演区域初始地应力场.     

初始地应力场多方程回归分析

在初始地应力场分析问题中,采用了多方程回归方法。该模型同时考虑了一组变量(包括自变量与因变量)之间的所有关系。在此基础上,采用逐步回归法进行计算,进一步提高了计算精度。由此,得到了回归效果更显著的初始地应力场。     

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。     

深部储层三维地应力场反演

新场须二段储层埋深大于-4600米。鉴于其三维地应力由于场地及经费不能大范围测试,选取周边同等深度由水力压裂法得到的几个应力点测试值和井壁崩落方位应力指示技术得到的应力方位为依据,建立有限元三维数值模型。通过区域应力场的有限元反演使应力场的最大主应力方向和量值与实测值达到最佳耦合,从而得到研究区深部应力场整体分布特征。     

峡谷地区大型地下洞室群岩体初始地应力场反演分析

合理地确定地下洞室群岩体初始地应力场对于地下洞室群的总体布局、支护设计有着重要的意义。本文提出了一种依据少量实测地应力资料反演地下洞室群岩体初始地应力场的方法。这种方法假设远古地形是一无起伏的夷平面,认为岩体初始地应力场主要由处于远古地应力状态下的远古地形经过漫长的地形剥蚀形成,而远古地应力场由地质构造运动和岩体自重形成。以有限元数值分析为基本手段,提出了可以考虑构造运动、岩体自重和地形剥蚀等多因素的岩体初始地应力场反演思路。通过某水电站地下厂房区域岩体初始地应力场反演的工程实例分析,验证了这一方法的可行性和实用性。     

锦屏二级水电站引水隧洞区域三维初始地应力场反演回归分析

本文采用三维有限元法对锦屏二级水电站引水隧洞区域的三维初始地应力场进行了反演回归分析,实测点处地应力计算值与实测值吻合较好,表明经过回归得到的地应力场是合理的,可为隧洞设计、稳定性分析和确定合理的施工方案提供基础性资料和科学依据。     

地下水封石油洞库初始地应力回归分析

对于地下洞室的稳定性分析,初始地应力的回归分析是十分重要的第一步。现行的初始地应力回归方法如函数法、位移反分析法、边界法等不易操作,且准确度也不高。本文以黄岛地下水封石油洞库为例,根据实测的初始地应力拟合出水平向主应力与竖直向自重应力的关系,在已有自重应力计算结果的基础上,通过坐标变换,将拟合出的水平向主应力转换至模型坐标下的正应力和剪应力,利用FLAC3D的FISH语言,遍历所有单元读入上一步得到的正应力和剪应力,计算至收敛后直接生成初始地应力场。将回归结果与现场实测结果进行对比分析,相对误差在10%以内,取得了较好的效果,此种方法简单且有效。     

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。     

大型水电站厂区三维地应力场回归反演分析

岩体初始地应力场是地下洞室围岩稳定与支护结构设计所需要的基本因素之一,初始地应力场是否可靠将直接影响到工程设计与施工的可靠性与安全性。结合某水电站厂区的地质条件及地应力实测资料,引入灰色控制系统理论,采用三维有限元法和采用静态的三因素灰色计算模型GM(0, 3)对厂区岩体初始应力场进行回归反演分析。计算结果表明,厂区存在较大的水平向地质构造作用,岩体的地应力由自重和构造应力叠加而成。实测点的计算应力值与实测值在量值上和方向上都较为接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得地下厂房厂区初始应力场较为合理的分布规律,为地下厂房的开挖模拟及稳定性分析提供了合理的初始应力场。     

某水电站地下洞室群初始地应力场反演回归分析

采用三维弹塑性有限元法对某水电站地下洞室群三维初始地应力场进行了反演回归分析。计算结果表明,厂区初始地应力场分布规律合理,实测点处地应力计算值与实测值吻合较好,可以作为后续数值分析和地质力学模型试验的依据。     

锦屏二级水电站厂址区域三维地应力场非线性反演

锦屏二级水电站是雅砻江干流上重要的梯级电站。电站厂址区域山体雄伟,地形陡倾,为一个典型“V”型河谷地貌。受印支、燕山和喜马拉雅等区域构造运动作用,该区域地层中赋存有较大的构造应力,而新生代以来的雅砻江侵蚀下切作用又使得地层中的构造应力得到一定程度的释放。为全面研究内外动力地质作用对厂址区域现今地应力场的影响并获得该区域地应力分布,提出结合地层剥蚀模拟、弹塑性计算和进化神经网络的地应力非线性反演方法。该方法一定程度上考虑了远古构造的先后顺序,并可模拟了河流侵蚀下切过程对现今应力场的影响。将地应力的实测值与反演值对比、现场洞室围岩破坏特征两方面分析都表明该方法具有较好的可靠性。     

南水北调西线工程坝区初始地应力场反演分析

依据南水北调西线工程阿达坝区工程地质条件以及实测地应力资料,采用多元线性回归分析理论以及FLAC3D计算程序,对建立的坝区三维地质概化模型进行计算,求出最优回归系数。对比回归计算值与现场实测值发现,二者量值相当且方向上接近,表明经过回归得到的地应力场是合理的,从而获得坝区较为准确的初始地应力场分布规律。进一步分析结果表明,(1) 谷底应力集中现象明显,应力集中区的垂直深度达80 m,应力峰值约为15 MPa;(2) 相距仅350 m 左右的两个钻孔,其最大水平主应力方向差异较大,反映出河谷区地形地貌对岩体应力方向强烈的控制作用;(3) 坝区为中等地应力区,在浅部以构造应力为主,随着埋深的增加,自重应力场控制作用逐渐增强。研究成果可为坝址及引水隧洞轴线布置的设计与施工提供重要依据。     

拉西瓦水电站地下厂房三维高地应力反演分析

拉西瓦水电站厂房地处峡谷山高坡陡,河谷狭窄,区域地应力场较高,局部存在构造破碎带,同时开挖尺寸规模巨大,围岩主要为脆硬的花岗岩,对洞室稳定极为不利。为了评判开挖后围岩的稳定及支护设计的长期安全,需要对围岩的岩体力学参数和初始应力场进行反演确定。首先,利用现场初始地应力的实测值反演大范围内的岩体构造地应力场分布,然后,利用洞室分层开挖扰动下,厂房上部关键点实测位移检验并修正反分析地应力结果,得到了较为准确的三维地应力分布,为后续地下厂房开挖围岩的稳定性及支护设计和长期安全的评价与预测,提供了基础数据,有效地指导了厂房开挖施工。厂房开挖完成后的围岩位移的实际监测结果与采用反演地应力场与岩体参数得到的厂房围岩位移值的一致性表明,地应力场反演结果与实际地应力值一致。     

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。     

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。     

我国原位地应力测量与地应力场分析研究进展

随着我国交通、能源和水利水电等行业快速发展,在复杂地形地貌和地质条件下兴建大量岩土工程,尤其是深埋长隧道,原位地应力测量及其相关研究逾加重要。我国自20世纪60年代首次成功进行原位地应力实测以来,在地应力测量及相关研究方面已取得了长足进展。文中扼要介绍了我国地应力测量的发展历程,着重总结了在钻孔应力解除法、水压致裂法和其他常用原位地应力测量法及工程区初始地应力场分析研究方面所取得的进展,并结合我国区域构造应力环境和岩土工程的特点,对地应力测量和工程区初始地应力场研究方面的展望阐述了一点认识。     

紫金山金铜矿初始地应力场反演分析

初始地应力是影响工程边坡、硐室和地基岩体稳定性的重要因素之一,也是工程设计需要的基本指标之一。根据紫金山矿区地应力的实测资料,利用支持向量机和模拟退火算法对初始地应力场进行反演分析,一方面用支持向量机代替有限元计算,提高了计算分析速度;另一方面用模拟退火算法代替传统的优化算法,避免优化过程中目标函数陷入局部极小值而无法继续寻优的状态,提高了反演的效率精度。通过实测点的计算应力值与现场实测值的比较,两者在量值和方向上接近,表明该方法较合理地反映了初始地应力场的分布规律,能够满足矿区设计和研究的需要。