地應力影響因素三維數值模擬分析

陳佳

(四川農業大學城鄉建設學院，四川都江堰 611830)

0 引言

地殼巖體中的應力狀態與人類工程活動的關系極大，它不僅是決定區域穩定性和巖體穩定性的重要因素，而且往往對各類建筑物設計和施工造成直接的影響。因此，地應力場研究也就成為大型工程建設中的一項重要課題。

在大型水電站工程中，針對壩址區巖體初始地應力場的反演已做了大量研究，方法已經成熟，而針對壩區河谷初始地應力場反演影響因素分析的并不多，本文以某水電工程為實例，結合三維數值模擬，分析河谷在下切過程中受斷層、錯動帶以及側向剝蝕等因素的影響地應力變化研究。

1 工程實例

某水電站位于金沙江上，河谷呈不對稱的“V”字形，兩岸為單斜山，左岸谷肩以上為斜坡地形，斜坡沿巖流層層面發育，傾向SE，傾角15°左右，谷肩以下為臨江陡壁地形，陡壁間有2級～3級緩坡臺地相連;右岸谷肩以上為緩坡地形，巖層傾向SE，傾角10°～15°，近谷肩附近覆蓋層厚度5 m～10 m。谷肩以下為陡壁地形，岸坡高陡，間有狹窄的緩坡臺階。此段河流總體流向為由南向北流。

通過對實測地應力資料的分析整理，研究區地應力場實測應力場以NE向為主。在臨空面附近的斜坡巖體中，實測最大主應力量值在5 MPa以內，方位角與河流向近于平行，傾角基本上與坡面近于平行，最小主應力方位角與河流向則近于垂直，傾角與坡面也近于垂直;最大、最小主應力從邊坡表面向坡內隨深度增大而增大，在斷層穿越帶應力產生分異，整體上以壓應力為主;由于研究區范圍較大，為了分析更準確，計算結果更接近實際值［1］。

2 三維有限元模型

現今河谷應力場主要是在區域應力場背景下，由于河谷下切、巖體卸荷導致一定范圍內谷底、谷坡應力場調整所致。在建模過程中對模型概化作如下考慮［2］:

1)巖流層。

由于模型選取的范圍大，為了便于模型的建立與計算，模型中沒有具體區別不同類型的玄武巖和角礫熔巖，而將其作為同一種材料。

2)結構面。

為了突出重點，模型中僅考慮了錯動較為強烈的F17，F14，F16，F19，F20，C2，C3。

3)地形。

考慮到研究區河谷應力場主要受河谷形狀的影響，故建模時只考慮河谷的整體形態及右岸的深溝，而忽略了兩岸邊坡的微地形。

4)階地。

研究區金沙江河谷在壩址區段經過了寬谷期和峽谷期兩個過程，一共經過了五次快速下切，才形成目前河谷形態。在進行數值模擬計算時，寬谷期考慮為一次形成，而峽谷期則為四次下切形成。

5)計算模型。

模型X軸正方向對應地理坐標的正東向(垂直金沙江)，Y軸正方向對應地理坐標的正北向(金沙江流向)，Z軸正方向對應地理坐標豎直向上。模型中全部采用八節點四面體單元，總單元數為502 765個，節點數為695 726個(見圖1，圖2)。

圖1 初始網格模型

圖2 研究區壩址區網格模型

前人研究表明，該水電站區域構造應力場的量級為8 MPa～12 MPa，方向為NE向。而我們對研究區地應力實測資料的統計分析的結果表明，廠房區地應力實測結果，深部最大主應力方向為N30°～80°E，量級在19 MPa～22 MPa之間;最小主應力方向為N64°～73°W，量級為6 MPa～9 MPa。因此，構造應力應沿N30°～80°E方向施加。在FLAC3D計算過程中，將該構造力分解為X方向的力、Y方向的力以及τxy，τxz，τyz施加到各個單元的節點上。

3 影響因素應力規律分析

計算后，從所篩選的兩岸岸坡及地下廠房應力進行擬合，量值上，此次擬合計算70%模擬應力值相對誤差小于20%，其中30%的模擬值相對誤差達到40%左右。方向上，方位角走向基本一致。中間主應力及最小主應力傾角均擬合較好，低高程擬合效果較高。因此，計算結果具有一定的真實性，可以為下面影響因素分析提供數據依據。

3.1 斷層及錯動帶的影響分析

模型中考慮了斷層F17，F14，F16，F19，F20和層間錯動帶C2，C3。河谷應力場反演分析提取出來的數據表明，斷層及錯動帶附近地應力都發生突變。

根據模擬結果提取出來的數據可知，研究區斷層及錯動帶對地應力的影響可歸納為如下幾點:

1)C2對地應力有放大作用，影響范圍約為100 m。如圖3～圖5所示，在C2通過的高程，影響范圍內巖體的應力增大，增大量值約1 MPa～3 MPa，影響范圍外的左右兩側應力大小相等;

2)C3與C2不同，對附近巖體應力的影響則是先放大然后縮小。由圖6～圖8可以看出，C3上盤應力值明顯大于下盤應力值，且上下盤應力量值差約為4 MPa。在C3的上盤應力值明顯增大，但當過渡到下盤時應力值又突然減小;

圖3 勘Ⅰ1線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

3)F17，F19，F16附近巖體應力降低，如圖4，圖7所示。F14，F20對巖體應力影響不大，主要表現在F14，F20通過的地方巖體應力略有下降但不是很明顯，如圖3所示。

圖4 勘Ⅰ4線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

圖5 勘Ⅰ2線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

圖6 勘Ⅰ1線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖7 勘Ⅰ2線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖8 勘Ⅸ2線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖9 勘Ⅰ1線左岸780 m高程σ1變化曲線

圖10 勘Ⅸ2線左岸780 m高程σ1變化曲線

3.2 側向剝蝕的影響分析

側向剝蝕主要影響左岸應力分布，而對右岸應力分布的影響不是很明顯。在河谷應力反演過程中，根據追蹤線上的應力可以看出，第一階段、第二階段的寬谷河床巖體應力變化規律基本上相同，在這兩個階段研究區巖體主要受垂向剝蝕的影響，從第三階段峽谷初期開始到第五階段風化卸荷期，這三個階段的應力變化規律基本上相同，研究區巖體在這三個階段主要受側向剝蝕的影響，巖體應力的這兩次較大變化，主要體現在受層間錯動帶C3影響的地方，如圖9～圖12均受C3影響，在第一、二階段受C3影響范圍內的巖體在C3上盤巖體應力值明顯減小，C3下盤巖體應力值明顯增大，第三、四、五階段C3附近巖體應力變化剛好與前兩個階段相反，即在C3的上盤則表現為巖體應力值明顯增大，而C3下盤則表現為巖體應力值明顯減小。

圖11 勘Ⅸ2線左岸720 m高程σ1變化曲線

圖12 勘Ⅰ2線左岸780 m高程σ1變化曲線

4 結語

1)在斷層、斷層與斷層及斷層與層間錯動帶交錯部位巖體應力明顯減小，在層間錯動帶C2上巖體應力值明顯增大，在層間錯動帶C3上盤巖體應力值增大，C3下盤巖體應力值減小，且在斷層及層間錯動帶發育的部位最大主應力的方向表現為平行結構面。側向剝蝕主要影響左岸應力分布，而對右岸應力分布的影響不是很明顯。

2)影響地應力的因素有很多，除上述兩種外，風化剝蝕、地形地貌對地應力的影響也很大。

［1］ 李攀峰.金沙江溪洛渡水電站壩區地應力場及地下洞室群圍巖穩定性數值模擬［D］.成都:成都理工學院碩士學位論文，2001.

［2］ 柴賀軍，劉浩吾，王明華.大型電站壩區應力場三維彈塑性有限元模擬與擬合［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9): 1314-1318.

［3］ 張建國，張強勇.大崗山水電站壩區初始地應力場反演分析［J］.巖土力學，2009，30(10):3071-3078.

［4］ 董蘭鳳，陳萬業.拉西瓦水電站峽谷地應力場特征研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(sup):2544-2547.