三河口水利枢纽工程坝址区河谷应力场分析研究

赵宪民，尹健民，李永松，周春华

（1．长安大学地质工程与测绘学院，西安 710001；2．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3．陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001）

三河口水利枢纽工程坝址区河谷应力场分析研究

赵宪民1，3，尹健民2，李永松2，周春华2

（1．长安大学地质工程与测绘学院，西安 710001；2．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；3．陕西省水利电力勘测设计研究院，西安 710001）

三河口水利枢纽工程地处东秦岭地区的河谷地段，复杂地质结构和复杂地形地貌决定了工程区地应力分布的复杂性。为了研究其地应力分布情况，采用水压致裂法在左右坝肩边坡和河床部位3个钻孔进行现场地应力测量。测试结果表明：河床部位测孔埋深0～50 m及两岸边坡测孔500～530 m高程岩体应力量值较大，可划为应力增高区；而河床测孔埋深50 m以下和边坡测孔500 m高程以下，可归为原岩应力区；河床浅部岩体最大水平主应力方位与河流走向基本垂直，随着埋深的增加而向区域构造方位靠近；边坡浅层岩体最大水平主应力方向与河流在该段走向呈小角度相交，随着竖直埋深的增加，最大水平主应力方位逐渐向NE向过渡，而接近区域构造方位。

三河口水利枢纽工程；地应力；区域构造

1 研究背景

地应力是水工建筑物的基本荷载之一，对坝基岩体的变形和稳定具有重要影响。水工建设坝基所处的河谷地带的地应力在诸如剥蚀、冲蚀、沉积、侵蚀等地表地质作用的影响下，岩体的地应力分布较为复杂。因此，岩体地应力的组成虽以重力和构造应力为主，但并不是二者的简单相加［1］，这在剥蚀和侵蚀作用都相当突出的深切河谷地区更是如此［2］，可以把河谷地应力场看成是在一般地应力场（主要由重力和构造应力组成）的基础上，由于河谷改造后形成的一个局部应力场［3］。黄润秋教授根据我国西部地区已建、在建和拟建的几座大型水利水电工程天然和人工高边坡的应力分布情况，将河谷应力场分为如图1所示的应力降低区、应力增高区和原岩应力区［4］。

图1 河谷边坡应力场分布图Fig．1 In-situ stress distribution in the river valley slope

由于三河口水利枢纽工程坝址区岩体结构复杂，且地处河谷纵横、沟谷深切的复杂地形地貌区，因此，深入开展工程区地应力场分布规律研究对于工程选址、设计与施工都具有非常重要的意义。为此，采用了常规水压致裂法在左右坝肩边坡和河床部位分别进行了地应力测试，并根据测试结果对工程区应力状态与区域构造的关系进行了讨论。

2 地质概况

三河口水利枢纽为引汉济渭工程的2个水源之一，是整个调水工程的调蓄中枢。工程地处陕西省汉中市佛坪县与安康市宁陕县交界的子午河中游V形河谷段，枢纽坝址位于佛坪县大河坝乡上游约3．8 km处，枢纽主要由大坝、坝身泄洪放空系统、坝后泵站、电站和连接洞等组成。坝址位于佛坪县大河坝乡以北约3．8km的子午河峡谷段，属秦岭中段南麓中低山区，河谷呈“V”字形发育，两岸地形基本对称，山体雄厚，自然边坡坡度35°～50°。坝轴线附近河床高程524．80～526．50 m，谷底宽79～87 m，河床覆盖层厚度5．8～11．8 m。

坝址区发育的断层大部为逆断层，力学性质以压性及压扭性为主。地表出露的断层破碎带宽度一般为30～150 cm，影响带宽度1．0～8．0 m；平硐出露的断层延伸长度小于50 m，破碎带宽度一般为5～20 cm，影响带宽度为0．3～0．5 m，规模较小。坝址区主要出露断层大部分为高倾角，断层走向玫瑰花图如图2。由图2可知，断层按走向可分为4组：①走向270°～285°（SW）∠50°～80°，力学性质为压性；②走向300°～320°（NE／SW）∠58°～88°，力学性质以压扭性为主；③330°～350°（SW）∠50°～80°，力学性质以压扭性为主；④10°～20°（NE）∠50°～80°，力学性质为张性、张扭性为主。

图2 坝址区断层走向玫瑰图Fig．2 Rose diagram of faults in the dam area

3 测试方法及测试结果

3．1 测试方法简介［5］

本次采用常规水压致裂法进行测试。常规水压致裂法地应力测试原理是利用一对可膨胀的橡胶封隔器，在预定的测试深度封隔一段钻孔，然后泵入液体对该段钻孔施压，根据压裂过程曲线的压力特征值计算钻孔横截面上的最大、最小主应力值。若钻孔铅直（如本次测试），钻孔横截面上的最大、最小主应力即为最大与最小水平主应力，记作σH与σh。由于致裂缝通常情况下沿钻孔轴线及钻孔横截面上的最大主应力方向起裂与扩展，裂缝的方向就是钻孔横截面上的最大主应力方向。σH与σh按下式计算：

式中：Ps为维持裂缝张开的瞬时关闭压力；Pr为裂缝重张压力；Pb为破裂压力；P0为孔隙水压力；σt为岩石的抗拉强度。

另外，垂直应力由测点上覆岩体自重计算，压裂缝方向由定向印模器确定。这种测试方法的测试深度大，测试结果计算时不需弹性常数，进而避免了由于参数取值不准而引起的误差，同时具有能在假设条件下对二维应力的分布规律进行分析的优点，经常被应用在一些工程岩体地应力测试研究中。

3．2 测试成果分析

根据工程需要和测试安排，在左右岸坝肩边坡及河床部位的3个钻孔进行了水压致裂法地应力测试。测孔布置见图3，其中：ZK41的孔口高程为665．33 m，ZK33的孔口高程为681．3 m，ZK47的孔口高程为527．3 m。测试结果见图4。

图3 工程坝轴线纵剖面及测孔布置图Fig．3 Longitudinal profile of the dam axis and position of test boreholes

测试结果显示河床测孔ZK47测试区域最大水平主应力量值在5．2～13．9 MPa之间，最小水平主应力在3．6～10．2 MPa之间，最大水平主应力侧压系数（λ＝σH／σz）在3．0～11．4之间，表明该区应力场以水平应力为主导。且河床底部存在明显的应力集中现象，参考文献［4］的分区方法，可将河床部位埋深0～50 m的范围划为应力增高区，而埋深50 m以下归为原岩应力区。该测孔浅部岩体最大水平主应力方位为NNW（N29°W－N39°W），与河流走向基本垂直。深部岩体最大水平主应力方位为NNE（N12°E－N21°E）。

图4 水平主应力量值与孔深的关系Fig．4 Relationship between horizontal principal stress and depth

ZK33钻孔在测试区域内最大水平主应力量值范围在2．1～11．1 MPa之间，最小水平主应力在1．8～7．2 MPa之间。ZK44钻孔在测试区域内最大水平主应力量值范围在2．1～10．7 MPa之间，最小水平主应力在1．8～6．5 MPa之间。总的来说，岸坡测孔测试结果相似，岸坡测孔在高程530 m以上岩体最大水平主应力侧压系数（λ＝σH／σz）在0．7～1．7之间；高程500～530 m岩体最大水平主应力的范围为7．2～11．1 MPa，相对较大，且最大水平主应力侧压系数在1．7～2．6之间；高程370～500 m岩体最大水平主应力侧压系数在0．8～2．0之间，集中分布在1．3左右。测试范围内，岩体最大水平主应力侧压系数远大于自重σz产生的侧压力系数μ／（1－μ），表明该区应力场以水平应力为主导。

从图4可以看出：边坡测孔在500～530 m高程范围内应力量值较高，参考文献［4］的分区方法，可以归为应力集中区，随着深度的增加，地形影响逐渐减弱，应力量值随埋深增加稳定增大，可以归为原岩应力区。

综合以上测试结果，三测孔在河床高程附近均有应力集中。河床高程附近及以上测点地应力方位受局部地形控制。河床以上的最大水平主应力方位与子午河及山体走势（N51°E）基本平行。河床高程岩体最大水平主应力方位与子午河及山体走势大角度相交。深部岩体最大水平主应力方位集中分布在NNE向。

4 工程区应力状态与区域构造的关系

三河口水利枢纽工程地处新构造活动和地震活动都较弱的东秦岭地区，位于扬子准地台北缘主边裂带，以南相对稳定的地块上。工程区属于秦岭纬向构造体系中留坝—山阳构造带略阳—宁陕断裂亚带，大致以大河坝、两河一带分为西段略阳—洋县断裂带和东段的宁陕—南宽坪断裂带。由多条平行断裂组成，近东西向波状展布。断面多向北陡倾，挤压破碎带、透镜体发育，炭化片理化普遍。主干断裂旁侧派生构造发育，并指示主干断裂具顺时针扭动特征。主要是燕山早期和中期归并改造早期生成的断裂而强烈活动的压扭性断裂带，表明区域主要应力方向为南北向。

从该水利枢纽工程坝址区的测试结果可以看出：边坡孔浅部岩体最大水平主应力方位受河谷地形的影响，与河流及山体走向基本平行，随着埋深的增加，构造应力影响越来越大，河床测孔和边坡测孔最大水平主应力方位逐渐向NNE方向偏转而接近南北向。这与工程区域构造应力方向基本一致。且3测孔深部岩体最大水平主应力方位与工程区域NS向的构造方向及坝址区张性断层走向接近，同时，与坝址区压扭性断层走向成大角度相交。

5 结 论

坝址区的地应力实测结果分析表明：

（1）坝肩边坡及河床部位钻孔地应力测试结果显示河床孔测试部位岩体最大水平主应力量值范围为5．2～13．9 MPa，最小水平主应力为3．6～10．2 MPa。左右岸两测孔应力分布规律基本相同，其最大水平主应力为2．1～11．1 MPa，最小水平主应力为1．8～7．2 MPa。

（2）受河谷地形的影响，河床部位及左右岸测孔在河床高程附近均有明显的应力集中现象。可将河床部位埋深0～50 m的范围划为应力增高区，而埋深50 m以下归为原岩应力区。边坡测孔500～530 m高程岩体最大水平主应力侧压系数较大，可划为应力增高区；而边坡测孔500 m高程以下岩体最大水平主应力侧压系数集中分布在1．3左右，可归为原岩应力区。

（3）受河谷地形的影响，河床高程以上岩体最大水平主应力方位与河流走向与山体走势基本平行。河床底部岩体最大水平主应力方位与子午河及山体走势大角度相交。随着埋深的增加，构造应力影响越来越大，最大水平主应力方位逐渐向工程区域构造应力方向偏转。

［1］ 陶振宇，朱焕春，高延法，等．岩石力学的地质和物理基础［M］．武汉：中国地质大学出版社，1996．（TAO Zhen-yu，ZHU Huan-chun，GAO Yan-fa，et al．The Geological and Physical Basis of Rock Mechanics［M］．Wuhan：China University of Geosciences Press，1996．（in Chinese））

［2］ 王 涛，周先前，田树斌，等．基于正交设计的河谷地应力场数值模拟方法及应用［J］．岩土力学，2003，24（5）：831－835．（WANG Tao，ZHOU Xian-qian，TIAN Shu-bin，et al．Numerical Simulation Method for Rock Natural Stress Field of a Valley and Its Application Based on Orthogonal Experiments［J］．Rock and SoilMechanics，2003，24（5）：831－835．（in Chinese））

［3］ 黄润秋．岩石高陡边坡发育的动力过程及其稳定性控制［J］．岩石力学与工程学报，2008，27（8）：1525－1544．（HUANG Run-qiu．Geodynamical Process and Stability Control of High Rock Slop Development［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（8）：1525－1544．（in Chinese））

［4］ 黄润秋．中国西南岩石高边坡的主要特征及其演化［J］．地球科学进展，2005，20（3）：1525－1544．（HUANG Run-qiu．Main Characteristics of High Rock Slopes in Southwestern China and Their Dynamic Evolution［J］．Advances in Earth Science，2005，20（3）：1525－1544．（in Chinese））

［5］ 刘允芳．岩体地应力与工程建设［M］．武汉：湖北科学技术出版社，2000．（LIU Yun-fang．Geostress and Engineering Construction［M］．Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2000．（in Chinese） ）

（编辑：刘运飞）

In-situ Stress in the River Valley of Dam Site of Sanhekou Hydro-Junction

ZHAO Xian-min1，3，YIN Jian-min2，LIYong-song2，ZHOU Chun-hua2
（1．School of Geological Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China；2．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Shaanxi Provincial Institute ofWater Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an 710054，China）

Sanhekou Hydro-junction project is located in the river valley of east Qinling area．Complex geological structure and topography determines the complexity of in-situ stress distribution．To investigate the distribution of in-situ stress，hydraulic fracturing testwas carried out on 3 boreholes in the slopes of both abutments and the river bed．Measured results show that the stress values are relatively large in buried depth of 0-50m in borehole at the river bed，and elevation of 500-530m in the boreholes at both banks，which can be designated as increased stress zone．Meanwhile，the area of buried depth under 50m in the borehole of river bed and elevation under500m in the boreholes of both banks can be designated as original stress zone．In the shallow rockmass under the riverbed，the orientation ofmaximum horizontal principal stress is nearly perpendicular to the river trend，and with the increase of burial depth，it is close to the direction of regional structure．In the surface rockmass of slope，the direction of maximum horizontal principal stress intersectswith the river trend at an small angle，and with the increase of burial depth，it transits to the northeast gradually．In deep buried rock mass，the direction ofmaximum horizontal principal stress is close to the regional tectonic．

Sanhekou hydro-junction project；in-situ stress；regional tectonic

TV223．31

A

1001－5485（2013）02－0031－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．007

2012－06－05

国家重点基础研究发展计划973项目（2011CB710603）；水利部公益性行业科研专项项目（201001009）；中央级公益性科研院所基本科研业务费项目（CKSF2011020／YT）

赵宪民（1963－），男，陕西蒲城人，高级工程师，博士研究生，从事地质工程专业研究，（电话）13809143632（电子信箱）zxm1201＠vip．sina．com。