深切河谷地形下地應(yīng)力場(chǎng)分布特征與規(guī)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(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,鄭州 450046;2. 中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,成都 610072;3. 中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043;4. 中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所,武漢 430071)

0 前 言

中國西南地區(qū)水電資源豐富,但受地質(zhì)構(gòu)造和河流侵蝕下切影響,河谷深切陡峻,加之受斷層等結(jié)構(gòu)面影響,各大電站洞室群區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)變化劇烈。地應(yīng)力場(chǎng)由于是影響地下洞室群穩(wěn)定的主要因素,因此深切河谷地形下地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律一直是諸多學(xué)者研究的重點(diǎn)[1-2]。此研究對(duì)保證水電工程在復(fù)雜應(yīng)力場(chǎng)區(qū)域的安全運(yùn)營、工程選址和具體設(shè)計(jì)有十分重要的意義。

諸多學(xué)者從統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)值模擬等方面研究了深切河谷地形下的地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律。李華等根據(jù)中國西南地區(qū)數(shù)十個(gè)大型水電站地應(yīng)力的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),統(tǒng)計(jì)分析了西南深切峽谷邊坡地應(yīng)力場(chǎng)隨垂向、水平深度變化規(guī)律,并且根據(jù)主應(yīng)力量級(jí)、傾角變化規(guī)律探討了邊坡淺表部地應(yīng)力場(chǎng)特征[3]。謝富仁等利用斷層滑動(dòng)方向確定構(gòu)造應(yīng)力張量,通過觀測(cè)區(qū)域內(nèi)大量活動(dòng)斷層的擦痕,從穩(wěn)定時(shí)期、應(yīng)力方向和最大主應(yīng)力軸方向等方面總結(jié)了中國西南地區(qū)現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)基本特征[4]。裴啟濤等對(duì)不同河谷幾何形態(tài)、不同圍巖參數(shù)模擬,發(fā)現(xiàn)主應(yīng)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(fā)現(xiàn)空間地應(yīng)力場(chǎng)分布受區(qū)域主壓應(yīng)力方向與河谷走向之間關(guān)系的影響[6]。王孝健等通過收集西南地區(qū)地應(yīng)力資料,發(fā)現(xiàn)地殼不同深度的主壓應(yīng)力作用方向及地應(yīng)力構(gòu)造狀態(tài)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(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的分布特征和控制因素,發(fā)現(xiàn)地形梯度較大的地區(qū)由淺到深地應(yīng)力變化較明顯[8]。金長宇等分析了白鶴灘水電站歷史地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)組成和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù),得出區(qū)域應(yīng)力場(chǎng)受河流侵蝕下切和岸坡卸荷作用,水電站左右兩岸地應(yīng)力方向均產(chǎn)生了偏轉(zhuǎn)[9]。江權(quán)等提出了考慮地層剝蝕過程的深切河谷地應(yīng)力場(chǎng)反演方法[10]。

深切河谷邊坡地應(yīng)力場(chǎng)存在著明顯的分區(qū)現(xiàn)象,分區(qū)主要受構(gòu)造應(yīng)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(gòu)造應(yīng)力等角度分析了邊坡主應(yīng)力的分布特征[11]。祁生文等發(fā)現(xiàn)卸荷帶是最大主應(yīng)力從坡表至坡內(nèi)出現(xiàn)3個(gè)帶的本質(zhì)原因[12]。劉亞群等通過對(duì)南水北調(diào)西線工程7個(gè)壩址區(qū)的地應(yīng)力分析,發(fā)現(xiàn)深切河谷區(qū)最大水平主應(yīng)力量值隨深度成分段線性關(guān)系[13]。

為闡明深切河谷區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,本文收集西南地區(qū)各大水電站地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),研究主應(yīng)力及其比值隨垂直埋深、水平埋深的變化規(guī)律,通過數(shù)值模擬,分析不同河谷坡度對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響。

1 各大水電站實(shí)測(cè)地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)

為分析各大水電站地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律,本文收集了白鶴灘[8]、猴子巖[13-14]、錦屏一級(jí)[15-16]、錦屏二級(jí)[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(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),并分析了主應(yīng)力及比值隨垂直埋深、水平埋深的變化規(guī)律。

1.1 實(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù)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(shí)測(cè)地應(yīng)力數(shù)據(jù),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(shè)的大型梯級(jí)水電工程,該項(xiàng)目建在一個(gè)“V”形山谷中,雙江口水電站廠址區(qū)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(yīng)力σ1為15.98～37.82 MPa,應(yīng)力水平較高[17]。雙江口水電站地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果參見表1[18-19]。

表1 雙江口水電站實(shí)測(cè)地應(yīng)力

圖1 雙江口水電站廠址區(qū)域河谷地貌

圖2 金沙江葉巴灘水電站廠址區(qū)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(fā)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(tái)。低高程谷寬70～110 m,高程2 889.00 m谷寬350～460 m。工程區(qū)地處青藏高原的東南部侵蝕高山山原區(qū),隨著青藏高原的快速隆升并向東部擴(kuò)展推移,工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為 NWW～EW 向主壓應(yīng)力場(chǎng)[25]。

葉巴灘地下洞室群區(qū)域測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力σ1值16.51～37.57 MPa,均值為24.31 MPa,屬高應(yīng)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(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力方向較為接近,葉巴灘地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果見表2。

表2 金沙江葉巴灘水電站廠區(qū)巖體應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(引自成勘院)

1.2 實(shí)測(cè)地應(yīng)力分析

1.2.1主應(yīng)力量級(jí)隨垂向埋深變化規(guī)律

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

圖3 主應(yīng)力隨垂向埋深變化

(1)

統(tǒng)計(jì)表明,當(dāng)垂直埋深在0～300 m時(shí),主應(yīng)力量級(jí)分布較為離散,最大主應(yīng)力σ1最大可達(dá)65.9 MPa,最小僅有6 MPa;中間主應(yīng)力σ2最大為32 MPa,最小僅有3 MPa;最小主應(yīng)力σ3最大有22.2 MPa,最小約為1.4 MPa。當(dāng)垂直埋深在300～600 m時(shí),主應(yīng)力量級(jí)分布比較集中,最大主應(yīng)力σ1主要集中在12～36 MPa;中間主應(yīng)力σ2主要集中在5～24 MPa;最小主應(yīng)力σ3主要集中在2～14 MPa。

1.2.2主應(yīng)力量級(jí)隨水平埋深變化規(guī)律

主應(yīng)力量級(jí)隨水平埋深的增加也呈現(xiàn)出明顯的分區(qū)特征,這與隨垂直埋深的變化規(guī)律類似。統(tǒng)計(jì)表明,最大、最小主應(yīng)力隨水平埋深增加呈階梯式變化(見圖4),當(dāng)水平埋深處在0～200 m時(shí),主應(yīng)力量級(jí)波動(dòng)較為劇烈,最大主應(yīng)力σ1最大有26.6 MPa,最小僅有7 MPa;最小主應(yīng)力σ3最大有16.3 MPa,最小僅有約1.4 MPa。當(dāng)水平埋深處在200～600 m時(shí),主應(yīng)力量級(jí)逐漸增高,且分布比較集中,最大主應(yīng)力σ1為15～34 MPa,最小主應(yīng)力σ3為3.85～16 MPa。

圖4 主應(yīng)力隨水平埋深變化

1.2.3主應(yīng)力比值隨垂直埋深變化規(guī)律

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

(2)

k值、σ1/σ3以及σ2/σ3隨垂直埋深的變化呈區(qū)域性變化見圖5～7。垂直埋深在0～300 m時(shí),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(shí),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(guī)律可用線性界限函數(shù)表示:

圖5 最大、最小主應(yīng)力均值與中間主應(yīng)力比值k隨垂直埋深變化

圖6 最大主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值σ1/σ3隨垂直埋深變化

圖7 中間主應(yīng)力與最小主應(yīng)力比值σ2/σ3隨垂直埋深變化

(3)

(4)

(5)

從主應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)存在明顯分區(qū)。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(yīng)力集中與應(yīng)力釋放現(xiàn)象,導(dǎo)致主應(yīng)力量級(jí)有劇烈波動(dòng);而在超過此深度的邊坡深部,主應(yīng)力量級(jí)分布逐漸穩(wěn)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(yīng)力方向繪制于世界應(yīng)力圖計(jì)劃 WSM2016 數(shù)據(jù)庫中(見圖8),可見該區(qū)域主應(yīng)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(yīng)力。

圖8 基于CASMO可視化工具繪制的西南地區(qū)應(yīng)力

2 深切河谷地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

2.1 三維數(shù)值模型

為分析河谷坡度對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律的影響,建立了河谷坡度分別為30°、45°、60°的三維數(shù)值計(jì)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(jì)算采用彈性本構(gòu)模型,模型邊界條件為下底面固定,前后左右4個(gè)方向?yàn)榉ㄏ蚣s束,上表面自由,圍巖力學(xué)參數(shù)參見表3?？紤]自重應(yīng)力和水平構(gòu)造應(yīng)力影響,重力加速度取9.81 m/s2,水平應(yīng)力與自重應(yīng)力比值k取為2。

表3 巖石的力學(xué)參數(shù)

圖9 河谷不同坡度的三維數(shù)值模型

2.2 結(jié)果分析

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

圖10 河谷坡度45°時(shí)的主應(yīng)力矢量方向(灰色線為最大主應(yīng)力方向)

圖11為3種坡度下邊坡最大主應(yīng)力云圖。由圖11可見河谷谷底出現(xiàn)顯著的應(yīng)力集中,并且隨著坡度的增加,谷底應(yīng)力集中程度越劇烈。隨垂直埋深增加,最大主應(yīng)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(dāng)垂直埋深達(dá)到臨近谷底高程附近時(shí),又受到谷底應(yīng)力集中的影響。

圖11 河谷不同坡度下最大主應(yīng)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(shí),不同水平埋深下的最大主應(yīng)力曲線圖。總體而言,當(dāng)垂直埋深小于600 m,水平埋深較小部位最大主應(yīng)力變化較劇烈,且量值總體略小于水平埋深較大部位。當(dāng)垂直埋深大于700 m時(shí),受河谷谷底應(yīng)力集中影響,隨水平埋深增加,最大主應(yīng)力逐漸減小至穩(wěn)定?？傮w而言,邊坡內(nèi)部最大主應(yīng)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(yīng)力隨水平埋深變化

3 結(jié) 論

本文收集了西南地區(qū)各大電站地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),分析了主應(yīng)力隨埋深的演化規(guī)律,并通過FLAC3D軟件進(jìn)行了河谷不同坡度下地應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬,主要得到以下結(jié)論:

(1) 西南地區(qū)深切河谷邊坡應(yīng)力場(chǎng)總體隨垂直埋深呈線性增長趨勢(shì),在水平方向,具有明顯的分區(qū)性,邊坡淺表部主應(yīng)力量值有劇烈波動(dòng),而在邊坡深部,主應(yīng)力量級(jí)分布逐漸穩(wěn)定。

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

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