水工隧洞外文翻译.doc

【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流水工隧洞外文翻译.精品文档.外 文 翻 译题 目： 输水隧洞的应力状态和可能的挤压变形的预测分析 输水隧洞的应力状态和可能的挤压变形的预测分析王成虎 鲍林海摘要：对于科学家和工程师来说对深埋隧洞应力场的预测是一个基本问题。在这项研究中，作者提出了系统解决这个问题。从世界应力图和中国地壳应力数据库以及以前的研究结果提供的数据可以在一个工程区域应力方向预测。同时，AnderSonian理论可以用来分析一个地区的应力方向。有限的原地应力测量，霍克-布朗准则可利用岩土工程勘察数据估计一个特定的区域岩体的强度，而莫迪菲尔德理论模型可以被用来预测区域应力，无应力数据，则以现有的现场应力测量值作为输入参数。在本文的案例研究中，证明所使用的应用程序是本系统的解决方案。卡哈拉水电站计划位于青藏高原西部的边缘上。三水压致裂应力测量活动表明，该区域的应力状态是 SH >- Sh > SV 或 SH > SV > Sh。测量方向NEE（n70.389e），并从WSM区域开始东北方向是SH，这意味着地壳浅部应力方向不受地貌影响。莫迪菲尔德模型被用来预测沿隧洞的植物应力。预测结果表明，最大和最小水平主应力的点的最大埋藏深度分别为56.70和40.14MPa，区别的是，一个大于500m埋深区应力较高。基于预测的应力数据，对输水隧洞周围围岩大变形进行了分析。结果表明，大变形发生在当埋深超过300m，埋藏深度超过800m时，由于严重挤压变形的围岩发生，因此需要在设计和施工中更多的关注。基于应用程序的效率，在这个案例中，这种预测方法，本文提出了准确功能。关键词：超长输水隧洞；应力状态；挤压变形；预测分析；科哈拉水电站1.引言 地应力场的准确测定和分析是一个至关重要的稳定性控制地下项目1。水力发电厂（科哈拉水电站）计划位于巴基斯坦的喜马拉雅山脉的东北和西北。印度板块与欧亚板块之间的碰撞，以及印度板块向北运动以4050mm/年的速度活动表明这里一个非常复杂的地质背景，在这个地区，造成许多强烈的地震。此外，喜马拉雅山山前断裂带是这个世界上最活跃的断层26。卡哈拉是很长的输水隧洞水电厂，位于杰赫勒姆河，梧桐河的主要支流上。该项目包括一个挡水坝，地下沉砂池，输水隧洞，地下电站尾水隧洞，房子，和电力传输线。输水隧洞非常长且深埋。由于复杂的地质背景和复杂的水电工程结构，必须精确地了解区域压力对地下基础设施以及岩体稳定性的影响，特别是在超长输水隧洞。然而，输水隧洞长17.5km，使它不可能分配在原地应力测量活动定义的适当区域的地应力状态所需的输水隧洞的轴孔数量。这些类型的深埋隧洞，只有少数钻孔具有运输方便和良好的地形条件，可以进行有限的现场试验以提供一些关于地质条件、地应力状态的信息。在这样的前提下，未被开发地区的地应力机制必须基于有限的地应力测量和地质数据进行预测。在本文中，我们提出了一个应力预测方法预测沿超长、深埋输水隧洞轴线的应力廓线，并分析预测基于挤压围岩变形的可能性地应力数据。2.深埋隧洞应力状态的预测及其影响分析2.1 应力动态预测理论地应力是一个张量，因此对工程区的应力状态的预测包括六个独立的参数估计和预测；三主应力（1，2，3，或SH，Sh，SV）和三个方向的应力。实际上，它是不可能准确确定或预测地应力状态的。HaimSon在许多场合强调这一观点，而事实上，所有的压力测量和估算方法只能充其量地揭示可能的应力状态7,8。与此同时，HaimSon建议基于其它理论或从第三方获得的数据应被用于验证测量的可靠性。因此，在进行预测分析前，应给与以下假设：（1）一个主要的主应力是垂直应力，等于上覆岩层的重量；（2）一个工程区的岩体可被视为一个连续的媒体和应力状态应相对稳定的地质单元；（3）岩体地质单元的不连续性或包含对象的非均质性以及各向异性对整个地应力状态影响不大，只适用于局部工程区域。换句话说，三个假设进一步限制了本文所提出的方法的应用范围。一个地应力分布预测过程可以细分为四个步骤。首先是确定应力方向，并估计可能原地应力状态（包括正断层，逆断层作用和走滑断层）。第二步是进行实地测量活动，基于先前步骤的结果开发出现场调查计划。第三步，需要使用修改后的理论模型和数值模型预测工程区的地应力状态。最后一步是确定相应的地应力状态。在第一步中，进行应力模式初步分析。目前，应力数据的采集和分析有利于应力的研究，特别是世界应力图（WSM）和中国地壳应力数据库（DCSC）。通过这两个数据库，对应力模式和特定的顺序的分析，可类似地确定工程区属于一个可以达到的应力方向区域。同时，收集大量的文献，可以帮助了解一个地区的应力状态的细节。在这个阶段，基于岩土工程和地震地质调查，用来推断应力状态的地质数据可以参照安德森理论9,10。安德森的理论基础上述二个假设。也就是说，对于一个相对孤立的地质块体，在一定程度上其应力状态是稳定的，这与断层块空间分布有关，可以定量地描述。第二步是进行应力测量活动，与广泛使用的压裂和套芯的方法。 Amadeietal写了两本介绍不同的应力测量方法的细节的经典书籍1,7。应力测试数据将被用来计算侧压力系数（水平主应力与垂直应力），与应力模式相比，区域性断裂特征。如果结果不一致，应力状态被认为是与区域应力状态一致。如果不是，偏差的原因就是需要解决的问题。至于第三步，建议修改Padron模型与数值方法。数值模拟是模拟应力和岩体的应变响应的一般方法。岩土工程用户可以选择合适的软件，建立准确的地质模型和边界条件的设置来满足他们的需求。然而，数值模拟是适合小型飞机工程区的应力状态的模拟，特别是对水电站大坝和厂房。然而，超长，深埋隧洞，整个隧洞轴线的岩土工程勘察是肤浅的。随着隧洞的长度比计划调查钻孔少。在这种情况下，因为小工程的规模和超长超深埋隧洞的数值模型，粗糙的建设，是不可接受的数值模拟。因此，修改后的模型推荐的预测是沿隧洞轴线应力幅值。在此，改良模型进行了简要的回顾 11 。简化原Padron的模型方程可以表示为平均水平主应力与垂直应力的比值，K（平均侧压力系数），如下： (1) 其中E（z）是指岩石平均弹性模量在一定的深度和Z的深度。在同一地质单元，岩性因深度而变化，然后转换公式（1）可以用来预测应力大小与有限的实地测量，如下列： (2) 其中对于有趣的是，k1和k2是第一和第二区域是平均侧压系数；E1和E2是岩石的弹性模量；Z1和Z2是埋藏深度。最初，并没有澄清岩石试样的弹性模量与岩体的变形模量之间的差异。随后他意识到在水平应力与弹性模量的影响，并进一步调查这个，但是，这个问题仍然没有解决 12 。根据王晶和Padron等人的研究结果，在地壳中一定深度水平应力与垂直应力的比值接近一个恒定的值；即E（z）在式（1）增长缓慢和不低于一个恒定的值1214。此外，Padron的模型是一个静态的，没有考虑到构造应力，然而，实测的是应力中的构造成分。因此，Padron的理论模型是一个很好的模拟地壳应力随深度的分布拟合工具。因此，如果这个模型是用来预测实际地应力剖面，必须作出一些修改。在这里，我们修改两个方面：（1）构造组件添加到公式（1）；并且（2）岩体的变形模量代替岩石试件的弹性模量 11 。霍克和迪德里希斯详细研究了岩体变形模量，并通过严格的统计分析建立了现场岩体变形模量和GSI（地质压力指数）15基础上的关系。这个方程可以弥补Padron模型岩石试样弹性模量的预测过程中应力大小的缺陷。 (3) 其中Erm指原位岩体的变形模量；D是一个岩体在0-1范围内的一个值，这取决于干扰的外部因素，如爆炸，挖掘，和卸载程度的干扰指数。替代式（3）代入式（2）得到： (4) 其中，Erm1和Erm2是岩体变形模量的第一和第二区域；Ct1和Ct2岩体不断构造的应力分量。方程（4）修饰Padron模型，用于预测和分析应力的大小。修改后的模型包含了两个变量，深度（Z）和岩体的变形模量（Erm）。Erm是同一时间深度的函数，并且包含了大量的关于一个岩体如岩性，不连续等的信息。修改后的模型可以拟合和预测应力随深度位置的剖面。K也意味着一些关于应力状态和相关数据信息的安德森的理论。这样可以用来预测应力剖面沿轴线的深埋隧洞。最后一步涉及参照岩土工程勘察数据调整和校准预测应力的大小和方向。例如，该应力方向可能偏离邻近一个小规模的故障或静脉，并且应力大小在地质折叠的芯与其它公共区域相比更高。两个经典文献的研究成果可以作为一个指南，这样的调整和校准 1 。然而，对于一般的不连续性校正是不必要的，因为在式岩体强度（4）已经采取了他们的影响的考虑，在应力状态的方向轻微的影响一般可以忽略。2.2 挤压变形分析方法隧洞主要软岩在输水隧洞围岩的埋藏深度意味着发生挤压变形的可能性很高。出于这个原因，有必要分析和预测可能的变形应力条件。有一些公认的理论和方法来分析和预测潜在的挤压变形围岩。Singh等，分析和总结了39个例子提出了变形预测方程有关的埋藏深度，参考的巴顿 16 创造了岩体Q评级标准。而且通过加入隧洞直径 17 ，Geo等，也提出了类似的方程。 (5) Hoek利用轴对称有限元方法分析了众多工程岩体为开发三变形的预测方程对围岩和前工作面的相对变形。预测方程包含目前的支承压力，地应力作用，质量和强度的岩体，如式（5） 18 。与上面提及的预测方法相比，由霍克创建的方程，其中纳入大量因素，更实用和有效。其中，t是等周围隧洞的相对位移；f 是隧洞前工作面的相对位移，指的是前工作面到隧洞的半径或范围的挤压变形的比例；pi为隧洞支护压力；ci为岩石的单轴压缩强度，以及p0指的是在岩体周围隧洞的原地应力；p0 =313 参照马兰等人的文献19。3 工程区概述科哈拉水电站位于克什米尔地区（AJK）巴基斯坦东北部，青藏高原的西部边缘。在这个地区，印度板块的划分并且推向东北，是这个地区构造应力体制的主要力量。这些力造成了一系列惊人的逆冲断层和褶皱并使其倾斜西北并向东移。工程区位于喀什米尔哈扎拉地区，同轴地质四周由主要分界点断层（MBT）结合几个相邻的逆冲断层构成。较大的缺点包括前喜马拉雅期断裂东侧，这是相互平行的，倾向NW-SE走向和NE。在这一地区的地层已经一次又一次的强烈粉碎和错位。工程区出露地层是由（N1,1）和砂岩，泥质粉砂岩，泥岩，页岩等组成。两个输水隧洞是平行的圆形的直径为10.5m和长度17.5km，最大埋深1150m。岩体周围的输水隧洞，包括软，硬夹层，以及隧洞轴线相交的大角度岩层走向。周围的岩体结构包括中等厚度的夹层，部分薄层，并在本地互或断裂结构。考虑岩体强度，综合分析不连续性的存在，地下水位，地应力等因素的影响，发现是相当温和的地下结构稳定性条件。对围岩质量的初步评价结果为III和IV，然而，在断裂带部分和山谷，评级为IV和V。4 地应力测量简介 在最初的实地调查和可行性研究阶段，三浅孔（<300m）钻在厂房区，坝区，并在输水隧洞穿越琼脂谷进行地应力测量活动。钻孔揭示了砂岩岩体岩性与I和II的评级。测试设备，程序，和参数计算严格遵循由ISRM提出的建议（国际岩石力学学会）和国家相关规范。对于应力计算和数据处理的关键参数定义遵守规则和文献 20 中定义的方程。垂直应力的叠加和SV可以q = 2.50g/cm3来估计，随后的计算和数据处理遵循同样的规则和步骤。详细的地应力测量如表1所示。由于测试的是相当浅的埋藏深度的输水隧洞时间间隔，以及岩体条件，三个钻孔相比，较差的测量结果不能完全代表整个真正地应力状态工程领域，即完整的输水隧洞和地下厂房。因此，在地应力状态，必须与其他研究结果进行验证。与此同时，不能直接进行深埋输水隧洞大部分路段的地应力测量活动。因此，应力大小和方向，必须进行预测，以方便设计和施工进行。5 预测地应力机制及其影响5.1 应力状态的取向为了了解工程区域的区域应力状态，作者访问了WSM数据库的应力图，如图3所示21。基于水电厂周围邻近地区的震源资料，方向为东北向的应力状态有利于逆冲断层。同时，根据最近记录在岩土工程勘察报告上的地震活断层的分析，证明NE方向的应力状态有利于区域断层的运动。在坝区岩体西北走向的垂直区域应力状态取向NE的不连续性占统计的主导地位。这与安德森、潘宁顿、钱德拉和卡特里等人的理论结果相吻合。分析了震源机制资料的区域应力状态的方向，以及所有NNE的主导方向分别为24°、40°、42°的结论22。三个应力测量活动的最大水平主应力方向为N70.3°-89°E，即NEE，接近东-西。这表明，工程区域的应力场仍然受主要构造水平应力的影响，并且是与较大规模区域应力模式是一致的。此外，存在压裂应力测量与区域应力状态之间的一些偏差。这些偏差表明所测得的方位不仅受到区域应力状态的影响，也受表面形貌和周围的测量钻孔岩性的影响。总之，最大水平测量方位强调范围N70.3°E至N89°E。NE和NEE之间的区域应力状态应是一致的，然而对于深埋区的区域应力状态，建议采用NE方向。5.2 压力剖面预测用改良Padron模型预测应力大小与沿输水隧洞轴线的剖面深度，并简要介绍了前一节中所讨论的内容。对于岩体强度估计，在经验估计法的基础上，霍克布朗强度准则获得通过15。这已在文献中广泛综述过。为预测输水隧洞应力大小分布，第一步骤是估计参考测量点ZK1的岩体强度（Erm1），如表2中所示的预测分析，主要是基于钻孔ZK1的测量数据，因为所记录的压力 -时间曲线非常典型，应力状态的测量显示与区域断层的应力状态一致，有利于逆冲断层。随后，有必要根据岩土工程勘察报告及隧洞工程地质剖面估算沿输水隧洞轴线各岩体单元的变形模量（汇率机制2）。同时，使用上述文件确定不同的位置的埋藏深度（Z）。一旦这个完成，方程（4）可以被用来计算不同的地质单位应力大小。在评估过程中，建议使用RocLab软件，因为它易于使用并包含所有关于霍克 - 布朗经验强度准则的参数和信息。预测的计算过程中，KH和KH，用最大和最小水平主应力（SH，SH）的垂直应力（SV）的比率来计算。常用的处理方法与分布规律见文献1,7。根据以上的分析和计算，确定了应力大小随深度的分布，如图4所示。5.3 可能挤压变形分析结合图4、式（5）地应力的大小和数据，预测可能的压缩变形。预测结果见表3和图5。表3显示典型位置的预测结果，详细的结果见图5。需要明确的是，在这一阶段的预测过程中不考虑支承压力。根据预测结果（图5和表3）和对隧洞周围岩体变形的评级标准，采用Hoek理论，当输水隧洞埋深小于300m时，变形很小 18 。埋藏深度范围在300m到600m时存在轻微变形。埋藏深度为600m以上，发生中度变形，且当埋藏深度超过800m时发生严重变形影响输水隧洞的稳定性。因此，在设计和施工中应注意埋藏深度不超过600m。还应采取适当的对策，控制变形和稳定性，便于顺利和安全开挖。6 结论（1）预测方法基于WSM和中国数据库、安德森理论，修正Sheorey模型和数值模拟技术的地壳应力。预测分析可以参照一个线工程区域来进行限定应力测量（例如，深埋隧洞）。如图所示，在案例研究中，该方法可以方便地应用于探测深埋隧洞相应力分布。（2）卡哈拉水电厂位于喀什米尔哈扎拉地区同轴地质块体、青海西藏高原的西部边缘，并且西部被喜马拉雅山脉切断，三水压致裂应力测量活动表明，工程区的应力状态是SH>Sh>SV 或 SH>SV>Sh，表明最大水平主应力起着重要的作用。SH的测量方向是NEE（N70.3°-89°E），以及SH从WSM的区域定位是NE，这意味着地壳浅部的应力方向可能会受地形影响而接近东方。（3）修改后的模型被用于预测沿植物输水隧洞的应力大小分布。测结果表明，以更大的埋藏深度和完整的岩体地区具有较高的压力，反之亦然。预测结果显示该应力在大于500m的埋藏深度较高，最大和最小水平主应力分别高达56.70MPa和40.14MPa。这需要更多的关注设计和施工阶段。案例研究的应用效果表明该预测方法是有效的。（4）存在严重挤压变形的可能性很大。当埋藏深度超过300m，挤压变形较小，但是，当埋藏深度超出800m可能会出现严重变形，这时应采取适当的对策。原文出处：Predictive analysis of stress regime and possible squeezing deformation for super-long water conveyance tunnels in Pakistan，International Journal of Mining Science and Technology 24 (2014) 825831