深切河谷地形下地應力場分布特征與規律

裴書鋒,臧東升,李家豪,何建華,李國良,陳炳瑞

(1. 華北水利水電大學 地球科學與工程學院,鄭州 450046;2. 中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司,成都 610072;3. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043;4. 中國科學院武漢巖土力學研究所,武漢 430071)

0 前 言

中國西南地區水電資源豐富,但受地質構造和河流侵蝕下切影響,河谷深切陡峻,加之受斷層等結構面影響,各大電站洞室群區域地應力場變化劇烈。地應力場由于是影響地下洞室群穩定的主要因素,因此深切河谷地形下地應力場分布規律一直是諸多學者研究的重點[1-2]。此研究對保證水電工程在復雜應力場區域的安全運營、工程選址和具體設計有十分重要的意義。

諸多學者從統計分析、數值模擬等方面研究了深切河谷地形下的地應力場分布規律。李華等根據中國西南地區數十個大型水電站地應力的實測數據,統計分析了西南深切峽谷邊坡地應力場隨垂向、水平深度變化規律,并且根據主應力量級、傾角變化規律探討了邊坡淺表部地應力場特征[3]。謝富仁等利用斷層滑動方向確定構造應力張量,通過觀測區域內大量活動斷層的擦痕,從穩定時期、應力方向和最大主應力軸方向等方面總結了中國西南地區現代構造應力場基本特征[4]。裴啟濤等對不同河谷幾何形態、不同圍巖參數模擬,發現主應力方向分布特征在河谷不同部位存在明顯差異,且坡度越大,差異越大[5]。田玉中等選取兩種典型高山河谷模擬其形成過程,發現空間地應力場分布受區域主壓應力方向與河谷走向之間關系的影響[6]。王孝健等通過收集西南地區地應力資料,發現地殼不同深度的主壓應力作用方向及地應力構造狀態上具有明顯的一致性[7]。范桃園等通過模擬青藏高原東緣現今地應力場的分布特征和控制因素,發現地形梯度較大的地區由淺到深地應力變化較明顯[8]。金長宇等分析了白鶴灘水電站歷史地質構造運動組成和現場實測地應力數據,得出區域應力場受河流侵蝕下切和岸坡卸荷作用,水電站左右兩岸地應力方向均產生了偏轉[9]。江權等提出了考慮地層剝蝕過程的深切河谷地應力場反演方法[10]。

深切河谷邊坡地應力場存在著明顯的分區現象,分區主要受構造應力、卸荷深度等多種因素的影響,鄭小燕等從有無卸荷帶、有無構造應力等角度分析了邊坡主應力的分布特征[11]。祁生文等發現卸荷帶是最大主應力從坡表至坡內出現3個帶的本質原因[12]。劉亞群等通過對南水北調西線工程7個壩址區的地應力分析,發現深切河谷區最大水平主應力量值隨深度成分段線性關系[13]。

為闡明深切河谷區地應力場分布規律,本文收集西南地區各大水電站地應力實測數據,研究主應力及其比值隨垂直埋深、水平埋深的變化規律,通過數值模擬,分析不同河谷坡度對地應力場分布規律的影響。

1 各大水電站實測地應力統計

為分析各大水電站地應力場分布規律,本文收集了白鶴灘[8]、猴子巖[13-14]、錦屏一級[15-16]、錦屏二級[9]、雙江口[17-18]、二灘、溪洛渡[19]、官地[20]、長河壩[21]、拉西瓦[22]、瀑布溝[23]、硬梁包[24]、葉巴灘共13座水電站的地應力實測數據,并分析了主應力及比值隨垂直埋深、水平埋深的變化規律。

1.1 實測地應力數據收集

以雙江口水電站、葉巴灘水電站為例,收集了兩座水電站的實測地應力數據,其它水電站同。

(1) 雙江口水電站

雙江口水電站是在大渡河上建設的大型梯級水電工程,該項目建在一個“V”形山谷中,雙江口水電站廠址區域河谷地貌如圖1所示。該工程大壩為高314 m的土芯堆石壩,是世界上最高的土芯堆石壩。地下洞室群的最大主應力σ1為15.98～37.82 MPa,應力水平較高[17]。雙江口水電站地應力實測結果參見表1[18-19]。

表1 雙江口水電站實測地應力

圖1 雙江口水電站廠址區域河谷地貌

圖2 金沙江葉巴灘水電站廠址區域河谷地貌

(2) 葉巴灘水電站

葉巴灘水電站位于金沙江上游川藏段河道,降曲自壩址上游匯入,壩址下游發育董俄措溝。兩岸地形陡峻,左岸邊坡坡度45°～55°,右岸邊坡坡度40°～45°。一坡到頂,無緩坡平臺。低高程谷寬70～110 m,高程2 889.00 m谷寬350～460 m。工程區地處青藏高原的東南部侵蝕高山山原區,隨著青藏高原的快速隆升并向東部擴展推移,工程區現今構造應力場為 NWW～EW 向主壓應力場[25]。

葉巴灘地下洞室群區域測點最大主應力σ1值16.51～37.57 MPa,均值為24.31 MPa,屬高應力水平,方位范圍N82°E～N54°W,平均值N80.4°W,總體傾向河谷,與區域構造主壓應力方向較為接近,葉巴灘地應力實測結果見表2。

表2 金沙江葉巴灘水電站廠區巖體應力測試結果(引自成勘院)

1.2 實測地應力分析

1.2.1主應力量級隨垂向埋深變化規律

將各電站地下洞室群區域最大主應力、中間主應力、最小主應力實測點隨埋深繪制成圖(見圖3),除二灘水電站主應力分布較離散外,其他電站主應力隨垂直埋深總體呈線性增大,且存在上下界限,各主應力隨垂直埋深的變化規律可表示如下:

圖3 主應力隨垂向埋深變化

(1)

統計表明,當垂直埋深在0～300 m時,主應力量級分布較為離散,最大主應力σ1最大可達65.9 MPa,最小僅有6 MPa;中間主應力σ2最大為32 MPa,最小僅有3 MPa;最小主應力σ3最大有22.2 MPa,最小約為1.4 MPa。當垂直埋深在300～600 m時,主應力量級分布比較集中,最大主應力σ1主要集中在12～36 MPa;中間主應力σ2主要集中在5～24 MPa;最小主應力σ3主要集中在2～14 MPa。

1.2.2主應力量級隨水平埋深變化規律

主應力量級隨水平埋深的增加也呈現出明顯的分區特征,這與隨垂直埋深的變化規律類似。統計表明,最大、最小主應力隨水平埋深增加呈階梯式變化(見圖4),當水平埋深處在0～200 m時,主應力量級波動較為劇烈,最大主應力σ1最大有26.6 MPa,最小僅有7 MPa;最小主應力σ3最大有16.3 MPa,最小僅有約1.4 MPa。當水平埋深處在200～600 m時,主應力量級逐漸增高,且分布比較集中,最大主應力σ1為15～34 MPa,最小主應力σ3為3.85～16 MPa。

圖4 主應力隨水平埋深變化

1.2.3主應力比值隨垂直埋深變化規律

研究邊坡應力場中水平應力分布規律多采用水平主應力均值與垂直應力比值[26-27]或最大、最小水平主應力比值[28]。本文分別統計了最大、最小主應力均值與中間主應力比值k、最大與最小主應力比值σ1/σ3以及中間與最小主應力比值σ2/σ3隨垂向埋深變化的規律,其中:

(2)

k值、σ1/σ3以及σ2/σ3隨垂直埋深的變化呈區域性變化見圖5～7。垂直埋深在0～300 m時,k值分布較為離散,最小值0.86,最大值1.74;σ1/σ3分布也較為離散,從最小1.11到最大10.48都有分布;σ2/σ3從最小值鄰近1到最大值5.5。垂直埋深300～600 m時,k值集中分布在0.81～1.51,σ1/σ3集中分布在1.2～4.6,而σ2/σ3集中分布在1.1～3。三者的變化規律可用線性界限函數表示:

圖5 最大、最小主應力均值與中間主應力比值k隨垂直埋深變化

圖6 最大主應力與最小主應力比值σ1/σ3隨垂直埋深變化

圖7 中間主應力與最小主應力比值σ2/σ3隨垂直埋深變化

(3)

(4)

(5)

從主應力隨垂直、水平埋深的變化特征可以看出,西南深切河谷邊坡應力場存在明顯分區。在垂直深度300 m和水平深度200 m的淺表部,存在較為明顯的應力集中與應力釋放現象,導致主應力量級有劇烈波動;而在超過此深度的邊坡深部,主應力量級分布逐漸穩定。

采用CASMO可視化工具將收集的大渡河、雅礱江和金沙江上各大水電站最大主應力方向繪制于世界應力圖計劃 WSM2016 數據庫中(見圖8),可見該區域主應力方向主要為NW方向,其中白鶴灘水電站左岸為NW方向,右岸為近于正北或正北略偏東,圖中繪制的為右岸洞室群主應力。

圖8 基于CASMO可視化工具繪制的西南地區應力

2 深切河谷地應力場數值模擬

2.1 三維數值模型

為分析河谷坡度對地應力場分布規律的影響,建立了河谷坡度分別為30°、45°、60°的三維數值計算模型(見圖9),谷底寬度為100 m,模型尺寸均為3 800 m×1 600 m×100 m(長×寬×厚度)。計算采用彈性本構模型,模型邊界條件為下底面固定,前后左右4個方向為法向約束,上表面自由,圍巖力學參數參見表3。考慮自重應力和水平構造應力影響,重力加速度取9.81 m/s2,水平應力與自重應力比值k取為2。

表3 巖石的力學參數

圖9 河谷不同坡度的三維數值模型

2.2 結果分析

以坡度為45°的河谷邊坡為例,根據施加的側壓力系數和自重應力,地應力場平衡后,臨近邊坡部位主應力近于平行邊坡,隨著垂直埋深的增加,最大主應力方向逐漸趨于水平,并緩傾向河谷側,這是地下洞室群區域最大主應力方向的通常規律(見圖10)。

圖10 河谷坡度45°時的主應力矢量方向(灰色線為最大主應力方向)

圖11為3種坡度下邊坡最大主應力云圖。由圖11可見河谷谷底出現顯著的應力集中,并且隨著坡度的增加,谷底應力集中程度越劇烈。隨垂直埋深增加,最大主應力逐漸增大,臨近邊坡的部位受河谷邊坡卸荷的影響較為顯著,當垂直埋深達到臨近谷底高程附近時,又受到谷底應力集中的影響。

圖11 河谷不同坡度下最大主應力云圖 單位:Pa

圖12為3種河谷垂直埋深分別為200、300、400、500、600、700 m和800 m時,不同水平埋深下的最大主應力曲線圖。總體而言,當垂直埋深小于600 m,水平埋深較小部位最大主應力變化較劇烈,且量值總體略小于水平埋深較大部位。當垂直埋深大于700 m時,受河谷谷底應力集中影響,隨水平埋深增加,最大主應力逐漸減小至穩定。總體而言,邊坡內部最大主應力分布既受水平埋深和垂直埋深影響,也受到河谷坡度影響。

圖12 3種河谷坡度各垂直埋深下最大主應力隨水平埋深變化

3 結 論

本文收集了西南地區各大電站地應力實測數據,分析了主應力隨埋深的演化規律,并通過FLAC3D軟件進行了河谷不同坡度下地應力場的數值模擬,主要得到以下結論:

(1) 西南地區深切河谷邊坡應力場總體隨垂直埋深呈線性增長趨勢,在水平方向,具有明顯的分區性,邊坡淺表部主應力量值有劇烈波動,而在邊坡深部,主應力量級分布逐漸穩定。

(2) 隨垂直埋深增加,最大、最小主應力均值與中間主應力比值k、最大與最小主應力比值σ1/σ3以及中間與最小主應力比值σ2/σ3的離散程度逐漸減弱,其比值大小均可以用負指數函數表示。

(3) 數值模擬結果顯示河谷谷底具有明顯的應力集中現象,而且隨著坡度的增加,應力集中程度越顯著。邊坡水平埋深較小部位最大主應力變化較為劇烈,隨水平埋深增加,逐漸穩定。其變化趨勢與垂直埋深有關,垂直埋深較小時,最大主應力隨水平埋深逐漸增大至穩定,臨近谷底部位,隨水平埋深增加逐漸減小至穩定。整體而言,邊坡最大主應力受水平埋深、垂直埋深和河谷坡度綜合影響。