深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法

摘要

本发明深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法，涉及地应力的预测，通过实测地应力场进行三维地应力场反演，获得三维数值计算模型的边界位移和重力加速度，利用所述三维数值计算模型获得初始洞室群地应力场，然后利用三维数值计算模型对洞室群第一层进行开挖模拟，预测围岩的变形破坏特征，然后，观测开挖完成后的围岩的变形破坏特征，以实际围岩的变形破坏特征反算三维数值计算模型的边界条件，以此来获得精确的三维数值计算模型的边界条件，从而获得准确的洞室群地应力场，解决了现有技术对深切河谷区地下洞室群地应力场预测困难的问题，本发明适用于洞室群地应力场的预测。

说明书

技术领域

本发明涉及地应力的预测，特别涉及深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法。

背景技术

深切河谷是指一种长期受流水侵蚀作用影响形成的河谷地带。

大型水电工程地下洞室群的稳定性受到所处区域地应力场的影响，准确的地下洞室群初始地应力场是进行洞室群开挖支护方案设计的基础。水电工程地下洞室群初始地应力场受到河谷、重力和构造运动，以及各级结构面的影响，准确地预测水电工程地下洞室群初始地应力场是一个重要而困难的任务。

发明内容

本发明所解决的技术问题：提供一种深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法解决现有技术对深切河谷区地下洞室群地应力场预测困难的问题。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案：深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法，包括以下步骤：

S01、建立地下洞室群的三维数值计算模型，并利用地下洞室群所在地的实测地应力数据进行三维地应力场反演，所述反演结果为三维数值计算模型的边界位移组合，对三维数值计算模型施加所述边界位移组合，利用所述三维数值计算模型获得初始洞室群地应力场；

S02、依据初始洞室群地应力场，设计地下洞室群第一层的开挖方案，并利用所述三维数值计算模型对洞室群第一层进行开挖模拟，预测洞室群第一层开挖完成后围岩的变形破坏特征；

S03、根据地下洞室群第一层的开挖方案，进行开挖，在开挖结束后，观测围岩的变形破坏特征，如果观测到的围岩的变形破坏特征与预测的洞室群第一层开挖完成后洞室围岩的变形破坏特征在预设的误差内，则地下洞室群地应力场为所述初始洞室群地应力场，否则，进行洞室群初始地应力场二次反演；

所述二次反演过程为：基于正交试验设计，构建不同的边界位移组合样本，对三维数值计算模型施加不同的边界位移样本，模拟洞室群第一层开挖过程，得到每个位移组合样本对应的围岩的变形破坏特征，构建边界位移组合与围岩的变形破坏特征的神经网络，以观测的围岩的变形破坏特征作为反演目标，获得新的边界位移组合，再以所述新的边界位移组合施加到三维数值计算模型，得到的洞室群区域地应力场。

进一步的，所述三维数值计算模型包括地下洞室群、河谷地形、剥蚀分层以及二、三级结构面。

进一步的，所述边界位移组合包括重力加速度。

进一步的，所述围岩的变形破坏特征包括围岩片帮的位置和深度。

进一步的，所述三维数值计算模型的尺寸边界距离洞室群中最近的洞室的距离不小于该洞室尺寸的三倍。

进一步的，在开挖模拟过程中，主应力差的等值线与洞壁轮廓所围区域为片帮，等值线与洞壁轮廓的距离为深度，所述主应力差是第一主应力与第三主应力之差，所述主应力差的等值线是所述主应力差等于起裂应力时对应的等值线。

进一步的，所述起裂应力的获取方式为：通过对岩样进行单轴压缩试验，当岩样起裂时，对应的轴向应力为起裂应力。

本发明的有益效果：本发明深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法，通过实测地应力进行三维地应力场反演，获得三维数值计算模型的边界位移组合，对三维数值计算模型施加所述边界位移组合，利用所述三维数值计算模型获得初始洞室群地应力场，然后利用三维数值计算模型对洞室群第一层进行开挖模拟，预测围岩的变形破坏特征，在实际开挖完成后，观测围岩的变形破坏特征是否在预设的误差内，如果在，则初始洞室群地应力场为地下洞室群地应力场，否则，进行二次反演，基于正交试验设计，构建不同的边界位移组合样本，对三维数值计算模型施加不同的边界位移样本，模拟洞室群第一层开挖过程，得到每个位移组合样本对应的围岩的变形破坏特征，构建边界位移组合与围岩的变形破坏特征的神经网络，以观测的围岩的变形破坏特征作为反演目标，获得新的边界位移组合，再以所述新的边界位移组合施加到三维数值计算模型，得到的洞室群区域地应力场，解决了深切河谷区地下洞室群地应力场预测困难的问题。

附图说明

附图1是本发明深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明深切河谷区地下洞室群地应力场的预测方法，如附图1所示，包括以下步骤：

S01、建立地下洞室群的三维数值计算模型，并利用地下洞室群所在地的实测地应力数据进行三维地应力场反演，所述反演结果为三维数值计算模型的边界位移组合，对三维数值计算模型施加所述边界位移组合，利用所述三维数值计算模型获得初始洞室群地应力场；

具体的，所述三维数值计算模型包括地下洞室群、河谷地形、剥蚀分层以及二、三级结构面；边界位移组合包括重力加速度；围岩的变形破坏特征包括围岩片帮的位置和深度；三维数值计算模型的尺寸边界距离洞室群中最近的洞室的距离不小于该洞室尺寸的三倍，在利用所述三维数值计算模型获得初始洞室群地应力场的过程中，采用的本构模型即可以为弹性模型也可以为弹塑性模型。

S02、依据初始洞室群地应力场，设计地下洞室群第一层的开挖方案，并利用所述三维数值计算模型对洞室群第一层进行开挖模拟，预测洞室群第一层开挖完成后围岩的变形破坏特征；

具体的，在开挖模拟过程中，采用的本构模型为弹性模型，主应力差的等值线与洞壁轮廓所围区域为片帮，等值线与洞壁轮廓的距离为深度，所述主应力差是第一主应力与第三主应力之差，所述主应力差的等值线是所述主应力差等于起裂应力时对应的等值线；所述起裂应力的获取方式为：通过对岩样进行单轴压缩试验，当岩样起裂时，对应的轴向应力为起裂应力，所述岩样是以地下洞室群区域的岩芯制作成的标准岩样，在判断岩样起裂时，可以采用声发射检测技术。

S03、根据地下洞室群第一层的开挖方案，进行开挖，在开挖结束后，观测围岩的变形破坏特征，如果观测到的围岩的变形破坏特征与预测的洞室群第一层开挖完成后洞室围岩的变形破坏特征在预设的误差内，则地下洞室群地应力场为所述初始洞室群地应力场，否则，进行洞室群初始地应力场二次反演；

所述二次反演过程为：基于正交试验设计，构建不同的边界位移组合样本，对三维数值计算模型施加不同的边界位移样本，模拟洞室群第一层开挖过程，得到每个位移组合样本对应的围岩的变形破坏特征，采用遗传算法-智能反演的方法，构建边界位移组合与围岩的变形破坏特征的神经网络，以观测的围岩的变形破坏特征作为反演目标，获得新的边界位移组合，再以所述新的边界位移组合和所述重力加速度施加到三维数值计算模型，得到的洞室群区域地应力场。

具体的，所述预设的误差是指观测到的围岩片帮的位置与S02中预测的位置偏差在设定的范围内，且观测到的相近围岩片帮的深度差不超过设定差值，如果观测到的围岩的变形破坏特征在预设的误差内，则说明初始洞室群地应力场符合实际要求，即可以将初始洞室群地应力场作地下洞室群地应力场，进行后续的开挖工作，否则，初始洞室群地应力场不符合实际要求，需要重新计算洞室群地应力场，所述新的边界位移组合是以实际围岩的变形破坏特征反算三维数值计算模型的边界条件，以此来获得精确的三维数值计算模型的边界条件，避免了S01中三维地应力反演结果误差引起的初始洞室群地应力场不准确的问题，从而可以避免后续的开挖过程中出现需要调整支护措施等问题，在二次反演过程中，采用的本构模型为弹性模型。