穿越活斷層倒虹吸結(jié)構(gòu)變形影響敏感性研究

劉漢東, 趙亞文, 楊長林, 徐紅超, 李冬冬

(1.華北水利水電大學(xué),河南 鄭州 450046; 2.云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000)

隨著我國水利水電事業(yè)的發(fā)展,在我國西部高烈度區(qū),實(shí)際工程中常遇到交通隧洞、能源運(yùn)輸管線、引水管線等穿越活動(dòng)斷層的問題?；顒?dòng)斷裂帶的運(yùn)動(dòng)會(huì)引起地面建筑物的振動(dòng)和變形,可能導(dǎo)致建筑物基礎(chǔ)所處的巖土體發(fā)生剪切破壞、錯(cuò)動(dòng)或滑坡[1-3]。如何使建筑物適應(yīng)活斷層的大變位是保證高烈度地區(qū)地震作用下水工建筑等安全運(yùn)行的重要研究內(nèi)容。

國內(nèi)外學(xué)者采用物理模型試驗(yàn)和數(shù)值分析方法模擬斷層的錯(cuò)動(dòng)變形,分析過斷層管線、隧道的破壞機(jī)理[4-7]?，F(xiàn)有研究易忽略地形變化的影響,采用長方體模型模擬隧道穿越斷層,大量研究主要集中在過斷層地下隧道的破壞和防治方面[8-15]。活斷層地表的研究則主要集中于斷層錯(cuò)動(dòng)模式、上覆土層厚度、斷層錯(cuò)動(dòng)量等因素對(duì)地表破裂和變形的影響。理論分析、數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及模型試驗(yàn)是研究斷層地表變形破壞規(guī)律的主要方法。SAVAGE J C和PRESCOTT W H[16]分析了彈性半空間中垂直斷層上的滑動(dòng)變形。MEADE B和HAGER B[17]采用GPS,通過地表位移估計(jì)南加州主要活動(dòng)斷層的滑動(dòng)速率。李小軍等[18]利用有限元法分析斷層上覆土層破裂過程。沈超等[19]通過離心機(jī)試驗(yàn)和實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),總結(jié)不同錯(cuò)動(dòng)量下的地表位移規(guī)律。李連輝等[20-21]通過數(shù)值分析方法,研究不同覆土厚度、沉積層土性、活動(dòng)斷層的斷層傾角、錯(cuò)斷位錯(cuò)量、錯(cuò)斷形式等對(duì)地表位移的影響。

現(xiàn)有研究主要針對(duì)斷層上、下盤之間的相對(duì)變形和地表破裂變形開展研究,對(duì)巖土體力學(xué)性質(zhì)等因素的影響、地基變形、地表結(jié)構(gòu)破壞的分析較少[22]。倒虹吸結(jié)構(gòu)主要為地面結(jié)構(gòu)或淺埋結(jié)構(gòu),其受力、變形以及破壞特征與受斷層變形影響的隧洞等結(jié)構(gòu)有較大差別。斷層及影響帶范圍內(nèi),巖土體受到強(qiáng)烈的地質(zhì)作用,其物理力學(xué)參數(shù)的變化范圍較大[23]。因此,本文依托滇中引水工程曲江倒虹吸段,建立考慮地形影響的二維數(shù)值模型,采用正交試驗(yàn)分析斷層及斷層影響帶的物理力學(xué)參數(shù)對(duì)穿越曲江斷裂的倒虹吸結(jié)構(gòu)地基變形的影響,為穿越活斷層倒虹吸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)。

1 簡(jiǎn)單模型計(jì)算分析

1.1 曲江斷裂和倒虹吸概況

曲江斷裂是滇西地區(qū)地震活動(dòng)最活躍的斷裂之一,有記載該地區(qū)的歷史最強(qiáng)地震為1970年通海7.8級(jí)地震,最大水平位移3.25 m、垂直位移0.55 m,曲江斷裂為右旋逆斷層,右旋走滑運(yùn)動(dòng)速率為1.5～3.5 mm/年,以黏滑為主。曲江斷裂潛在震源地震最大震級(jí)為8.0級(jí),未來百年最大突發(fā)地震地表水平位移2.20 m、垂直位移0.39 m,最大突發(fā)地震地表位移帶寬度的范圍為300～500 m。斷層寬度約140 m,斷層破碎帶寬度達(dá)120 m。

曲江倒虹吸設(shè)計(jì)流量為20 m3/s,初步設(shè)計(jì)選定管徑2.6 m,采用明鋼管、洞內(nèi)埋管及混凝土包管等敷設(shè)。管線與曲江斷裂74°夾角相交,平面位置如圖1所示,曲江倒虹吸縱剖面如圖2所示。

圖1 曲江斷裂和倒虹吸結(jié)構(gòu)平面示意圖

圖2 曲江倒虹吸段剖面圖

1.2 簡(jiǎn)單模型

首先,建立長方體模型,模擬斷層錯(cuò)動(dòng)下的地表變形。然后,在斷層中間位置,沿?cái)鄬拥漠a(chǎn)狀設(shè)接觸面。其中,斷層寬149 m,影響帶寬140 m,斷層傾角75°,模型整體長1 200 m、高500 m、寬500 m,如圖3所示。

圖3 簡(jiǎn)單模型

1.3 模型加載方式和參數(shù)

曲江斷裂為走滑逆沖斷層,根據(jù)地質(zhì)勘查資料及相關(guān)文獻(xiàn),提出如下加載模式:進(jìn)行斷層錯(cuò)動(dòng)加載前,模型底部及四周設(shè)法向約束,生成的自重應(yīng)力作為初始應(yīng)力。計(jì)算過程中施加剛性位移,模擬斷層錯(cuò)動(dòng)模式。逆沖加載時(shí),以斷層中心為分界線,沿Z方向和X方向在上盤底部施加速度模擬逆沖過程。加載方向分為X和Z兩個(gè)方向,如圖4(a)所示,X向加載速度-2.30E-5 m/步,Z向加載速度7.09E-5 m/步,循環(huán)5 500步,逆沖錯(cuò)動(dòng)量控制為0.40 m。走滑加載時(shí),以斷層中心為分界線,沿Y方向施加反向速度模擬走滑過程,加載速度4.00E-4 m/步,循環(huán)5 500步,走滑錯(cuò)動(dòng)量控制為2.20 m,加載俯視圖如圖4(b)所示。根據(jù)曲江斷裂前期勘察資料及相關(guān)文獻(xiàn),選取簡(jiǎn)單模型巖體計(jì)算參數(shù)、接觸面計(jì)算參數(shù),分別見表1和表2。

表1 簡(jiǎn)單模型巖體計(jì)算參數(shù)

表2 接觸面計(jì)算參數(shù)

圖4 模型加載方式示意圖

1.4 斷層錯(cuò)動(dòng)下的地表位移

不同錯(cuò)動(dòng)模式下,簡(jiǎn)單模型倒虹吸地基地表變形如圖5所示(圖中紅色部分為斷層范圍,橘色部為影響帶范圍,下文示意相同)。從模擬結(jié)果可知,逆沖錯(cuò)動(dòng)下,在斷層位置地表錯(cuò)動(dòng)最大,斷層兩側(cè)錯(cuò)動(dòng)量可達(dá)0.24 m,錯(cuò)動(dòng)量向兩側(cè)斷層影響帶和基巖范圍內(nèi)逐漸減小,總體呈“s”形,地表總錯(cuò)動(dòng)量為0.39 m,與設(shè)計(jì)加載值一致。在逆沖錯(cuò)動(dòng)下,上盤范圍內(nèi)的地表變形明顯,且在上盤基巖范圍內(nèi),地表位移出現(xiàn)明顯的衰減。在走滑錯(cuò)動(dòng)下,地表錯(cuò)動(dòng)在斷層兩側(cè)基本對(duì)稱,西南側(cè)水平錯(cuò)動(dòng)量略大于東北側(cè)的,總體地表變形與逆沖變形相似,呈倒“s”形,地表總錯(cuò)動(dòng)量為2.0 m,與設(shè)計(jì)加載值基本一致。在組合錯(cuò)動(dòng)下,地表水平和豎向變形分布與單向錯(cuò)動(dòng)下的一致,錯(cuò)動(dòng)量大于單向錯(cuò)動(dòng)模式的。模型模擬結(jié)果與其他學(xué)者[5,14-15]數(shù)值分析和物理模型試驗(yàn)結(jié)果一致,表明本次模擬加載方式設(shè)計(jì)合理。

圖5 簡(jiǎn)單模型地基地表變形曲線

2 考慮地形的二維數(shù)值模型

2.1 數(shù)值模型構(gòu)建

依據(jù)曲江倒虹吸段剖面圖建立二維模型。模型中兩側(cè)影響帶寬120 m、斷層寬140 m、傾角75°,與實(shí)際斷裂相符。模型長1 100 m、寬50 m、高600 m,采用接觸面模擬斷層界面,shell單元模擬倒虹吸鋼管,倒虹吸鋼管直徑2.6 m,鋼管厚度18.0 mm,如圖6所示。

圖6 數(shù)值分析模型

2.2 計(jì)算參數(shù)及加載方式

根據(jù)勘察資料及相關(guān)文獻(xiàn),選取模型巖體計(jì)算參數(shù)和Shell單元計(jì)算參數(shù),見表3和表4,接觸面參數(shù)與簡(jiǎn)單模型一致。斷層錯(cuò)動(dòng)加載方式與簡(jiǎn)單模型一致,逆沖錯(cuò)動(dòng)量為0.39 m,走滑錯(cuò)動(dòng)量為2.2 m。

2.3 斷層和影響帶參數(shù)正交試驗(yàn)方案

斷層分析時(shí),選取斷層天然容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力、變形模量、泊松比以及斷層接觸面摩擦角6個(gè)因素,進(jìn)行6因素5水平正交試驗(yàn)。斷層影響帶分析時(shí),選取斷層影響帶天然容重、內(nèi)摩擦角、黏聚力、變形模量、泊松比5個(gè)因素,進(jìn)行5因素5水平正交試驗(yàn),斷層和斷層影響帶參數(shù)變化范圍見表5。每組正交試驗(yàn)依次進(jìn)行逆沖錯(cuò)動(dòng)、走滑錯(cuò)動(dòng)及逆沖走滑錯(cuò)動(dòng)加載,分析3種加載模式下的鋼管變形情況。

表5 斷層及斷層影響帶參數(shù)變化范圍

3 參數(shù)對(duì)倒虹吸地基地表位移的影響

對(duì)模型地表面間隔20 m布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)不同錯(cuò)動(dòng)模式下的地表位移變化,分析不同參數(shù)對(duì)地表變形的影響。

3.1 逆沖錯(cuò)動(dòng)下倒虹吸地基地表位移

逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,參數(shù)變化對(duì)倒虹吸地基地表位移的影響如圖7所示,其中zn為5因素5水平正交試驗(yàn)對(duì)應(yīng)的第n種工況。

圖7 逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下倒虹吸地基地表位移

逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層位置錯(cuò)動(dòng)變形量最大。由地表豎向位移變形可知,斷層兩側(cè)豎向錯(cuò)動(dòng)量可達(dá)0.25 m。逆沖加載下的變形,主要表現(xiàn)為上盤的變形,最大位移發(fā)生在影響帶內(nèi)。與圖5(a)比較可知,考慮地形變化的地表位移與簡(jiǎn)單模型加載結(jié)果基本一致,總體呈“s”形變化,但斷層和斷層影響帶范圍外的位移變化逐漸平緩,沒有明顯的下降趨勢(shì)。當(dāng)參數(shù)變化時(shí),上盤地表位移變化明顯。斷層逆沖錯(cuò)動(dòng)下,斷層上盤沿著斷層面斜向上錯(cuò)動(dòng)。逆斷層帶在逆沖錯(cuò)動(dòng)過程中,水平向壓縮、豎直向錯(cuò)動(dòng)。因此,斷層參數(shù)的變化直接影響到水平向壓縮和豎直向錯(cuò)動(dòng)的量值,斷層影響帶對(duì)逆沖錯(cuò)動(dòng)下總位移的影響小于斷層的。

3.2 走滑錯(cuò)動(dòng)下倒虹吸地基地表位移

走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,參數(shù)變化對(duì)倒虹吸地基地表位移的影響如圖8所示。走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,參數(shù)變化對(duì)地表位移的影響小于逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下的。走滑錯(cuò)動(dòng)模式下的變形,主要表現(xiàn)為斷層兩側(cè)的水平錯(cuò)動(dòng)變形,最大錯(cuò)動(dòng)變形發(fā)生在斷層位置,接近2.20 m,最大位移發(fā)生在斷層影響帶內(nèi)。與圖5(b)比較,考慮地形變化的地表位移與簡(jiǎn)單模型變形規(guī)律一致。但受地形影響,走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,兩側(cè)變形對(duì)稱性較差,由于巖性較弱,坡面較陡,在西南側(cè)影響帶外側(cè)和東北側(cè)影響帶范圍內(nèi),地表出現(xiàn)了明顯變形。斷層變化時(shí),斷層位置地表位移出現(xiàn)變化;斷層影響帶變化時(shí),斷層影響帶位置的地表位移變化明顯。走滑錯(cuò)動(dòng)下,斷層兩側(cè)沿滑面水平錯(cuò)動(dòng)。斷層兩側(cè)均受到相反的水平向剪切作用,這形成了走滑斷層兩側(cè)的強(qiáng)變形區(qū)與破裂。其中,斷層區(qū)域是直接受剪切作用并發(fā)生水平錯(cuò)動(dòng)的區(qū)域,斷層部位的變形主要受剪切位移的控制。斷層影響帶區(qū)域并未直接發(fā)生錯(cuò)動(dòng),該區(qū)域受到的水平剪力逐漸減小,影響帶變形會(huì)更多地受到巖體物理力學(xué)性質(zhì)的影響。這導(dǎo)致走滑錯(cuò)動(dòng)下,斷層影響帶對(duì)總位移的影響大于斷層的。

圖8 走滑錯(cuò)動(dòng)模式下倒虹吸地基地表位移

3.3 組合錯(cuò)動(dòng)下倒虹吸地基地表位移

組合錯(cuò)動(dòng)模式下,參數(shù)變化對(duì)倒虹吸地基地表位移的影響如圖9所示。組合加載下,地表水平位移與走滑加載下的一致,地表豎向位移較逆沖加載下的位移變化較大。斷層參數(shù)變化對(duì)斷層范圍內(nèi)的地表位移影響最大,斷層影響帶參數(shù)變化對(duì)斷層影響帶內(nèi)的地表位移影響最大。組合錯(cuò)動(dòng)下,斷層影響帶對(duì)地表變形的影響大于斷層的,尤其是對(duì)豎向位移變化的影響。這是由于組合錯(cuò)動(dòng)下,斷層位置受到更強(qiáng)烈的壓剪作用,豎向位移明顯大于逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下的。水平錯(cuò)動(dòng)位移則受到剪切位移的影響,變化不大。

圖9 組合錯(cuò)動(dòng)模式下倒虹吸地基地表位移

4 參數(shù)敏感性分析

4.1 斷層參數(shù)敏感性分析

選取鋼管最大位移指標(biāo)進(jìn)行參數(shù)的敏感性分析。正交試驗(yàn)因素同一水平會(huì)有五組工況,選五組工況的均值作為該水平對(duì)應(yīng)的指標(biāo)。如斷層參數(shù)正交時(shí),z1到z5工況斷層天然容重均為k1水平(1 600 kg/m3)。此時(shí),逆沖加載下z1到z5工況對(duì)應(yīng)的鋼管最大位移分別為0.440、0.434、0.432、0.409、0.413 m,斷層天然容重k1水平下,鋼管最大位移均值為0.426 m。不同錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層參數(shù)變化對(duì)倒虹吸鋼管最大位移的影響如圖10所示。

圖10 斷層參數(shù)敏感性分析

由圖10(a)可知:逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角3個(gè)因素的影響最大,其次為天然容重、黏聚力和接觸面摩擦角;隨著泊松比的增大,鋼管最大位移有所增加;隨著彈性模量和內(nèi)摩擦角的增大,鋼管最大位移減小;逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)0.427 m。

由圖10(b)可知:走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層天然容重、彈性模量、內(nèi)摩擦角3個(gè)因素影響最大,其次為泊松比、斷層接觸面摩擦角、黏聚力;走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,當(dāng)天然容重增大時(shí),最大位移明顯增大;隨著彈性模量的增大,鋼管最大位移增大;走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)1.039 0 m。

由圖10(c)可知:組合錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層天然容重、接觸面摩擦角、泊松比3個(gè)因素影響最大,其次為彈性模量、黏聚力、內(nèi)摩擦角;組合錯(cuò)動(dòng)模式下,當(dāng)天然容重和接觸面摩擦角增大,鋼管最大位移減小;隨著泊松比的增大,鋼管最大位移增大;組合錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)1.074 m。

4.2 斷層影響帶參數(shù)敏感性分析

不同錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層影響帶參數(shù)變化對(duì)倒虹吸鋼管最大位移的影響如圖11所示。

圖11 斷層影響帶參數(shù)敏感性分析

由圖11(a)可知:逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層影響帶天然容重、泊松比、彈性模量3個(gè)因素影響最大,其次為內(nèi)摩擦角、黏聚力;隨著天然容重的增加,最大位移明顯減小;隨著泊松比和彈性模量的增加,最大位移有所減小;逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)0.428 m。

由圖11(b)可知:走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層影響帶內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量的影響最大,其次為天然容重、黏聚力;走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,隨著內(nèi)摩擦角的增大,最大位移逐漸增大;隨著泊松比和彈性模量的增大,最大位移逐漸減小。走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)1.051 m。

由圖11(c)可知:組合錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層影響帶泊松比、彈性模量、內(nèi)摩擦角3個(gè)因素影響最大,其次為天然容重、黏聚力;組合錯(cuò)動(dòng)模式下,當(dāng)泊松比和彈性模量增大時(shí),最大位移減小;隨著內(nèi)摩擦角的增大,鋼管最大位移值增大。組合錯(cuò)動(dòng)模式下,最大位移可達(dá)1.085 m。

5 結(jié)論

本文采用FLAC3D軟件,建立考慮地形變化的二維模型,分析了斷層和斷層影響帶物理力學(xué)參數(shù)對(duì)地基變形和鋼管變形的影響,結(jié)果表明:

1)斷層位置處,考慮地形變化的模型確定的地表位移與簡(jiǎn)單模型模擬結(jié)果基本一致。逆沖加載下,斷層和斷層影響帶范圍外的地表位移變化逐漸平緩,與簡(jiǎn)單模型加載結(jié)果比較,沒有明顯的下降趨勢(shì)。走滑加載下,受地形影響較大,上、下盤變形對(duì)稱性較差。由于巖性較弱,在上盤影響帶外側(cè)和下盤影響帶內(nèi),坡面較陡,地表出現(xiàn)了明顯變形。

2)逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層對(duì)倒虹吸地基地表變形的影響大于斷層影響帶的;走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層對(duì)倒虹吸地基地表變形的影響小于斷層影響帶的;組合錯(cuò)動(dòng)模式下,斷層影響帶對(duì)倒虹吸地基地表變形的影響大于斷層的,尤其是豎向位移變化。

3)基于正交試驗(yàn)結(jié)果,斷層天然容重、泊松比、彈性模量,斷層影響帶內(nèi)摩擦角、泊松比、彈性模量6個(gè)因素對(duì)倒虹吸鋼管變形的影響較大。隨著參數(shù)的變化,逆沖錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)0.428 m。走滑錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)1.051 m。組合錯(cuò)動(dòng)模式下,鋼管最大位移可達(dá)1.085 m。