乌东德水电工程河谷地应力场分布规律

韩晓玉，黄孝泉，李永松，尹健民，向家菠

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010；2.长江三峡勘测研究院,武汉 430074)

乌东德水电工程河谷地应力场分布规律

韩晓玉1，黄孝泉2，李永松1，尹健民1，向家菠2

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010；2.长江三峡勘测研究院,武汉 430074)

以乌东德水电工程坝址区300个实测数据为依据,辅以数值回归分析,对乌东德坝址河谷应力场分布规律进行了研究。研究结果显示:乌东德河谷断面可划分为应力释放区、过渡区和应力方向稳定区；应力方向稳定区最大水平主应力方向与近坝断层和区域控制性断裂接近,与近场区地震构造应力场不同。通过对比乌东德坝址河谷和对称河谷应力场分布特点,发现乌东德坝址河谷具有河床和坡脚高应力区、岸坡岩体呈“驼峰”应力分布等对称河谷应力分布特点；受乌东德河谷形态影响,河床和坡脚高应力区呈现非对称性,山体高耸岸坡侧高应力区分布范围较广；两岸岩体“驼峰”应力曲线“尾部”未稳定。

地应力；乌东德水电工程；河谷应力场；水压致裂法；最大水平主应力

2015,32(11):34-39

1 研究背景

由于受地形因素影响较大,河谷地应力场有着其特殊分布规律。受限于单个工程实测资料分布范围和数量,河谷地应力场分布规律难以进行充分探讨[1-8]。同时,数值模拟河谷应力场分布规律研究往往限定于对称河谷[9]。一般认为,河谷应力场存在河床高应力区,岸坡岩体分为应力释放区、应力增高区和原岩应力区。黄润秋教授[10]对河谷应力场进行了总结,认为对称河谷分布特征如图1所示。

图1 深切河谷应力场分布特征［10］Fig.1 Typical stress distribution patternin a deep valley［10］

随着金沙江乌东德水电站工程勘探进度,长江科学院于2004—2011年间在坝址区多个部位获得了300个地应力测点资料。本文以实测资料为依据,辅以回归分析结果,对该工程河谷应力分布规律进行了总结。结果显示,乌东德河谷可划分为应力释放区、过渡区和应力方向稳定区。通过对乌东德坝址河谷和对称河谷应力场分布特点对比,发现乌东德坝址河谷具有河床和坡脚高应力区、岸坡岩体呈“驼峰”应力分布等对称河谷应力分布特点,但该“驼峰”曲线的形态与标准形态有所不同。

2 工程概况及地质条件

乌东德水电站[11]是金沙江下游河段最上游梯级,以发电为主,兼顾防洪、航运、拦沙等综合利用效益。乌东德水电站设计正常蓄水位高程975 m。电站初拟装机容量8 700 MW(12×725 MW)；水库总库容74.05亿m3。

2.1 地形地貌

乌东德水电站地处我国地势第一阶梯的川、滇山地及与第二阶梯的过渡段,属山原峡谷地貌类型,地势总体上西北高南东低,地貌结构是以丘状高原面或分割山顶面为“基面”,基面之上有山岭、残山；基面以下为河谷和盆地。

坝址区金沙江以SE160°方向流经坝址区,至金坪子滑坡前缘弧形拐弯后以225°方向流向下游。坝址区河床地面高程为800～805 m,基岩高程730～740 m。坝址河段属中山峡谷地貌,两岸地形陡峻,河谷呈狭窄的“V”型。两岸高程1 050～1 200 m以下为金沙江峡谷,岸坡陡立局部近直立。峡谷谷顶高程1 050 m,宽300～360 m,河谷宽高比为1.0～1.2,高程1 050～1 200 m呈缓台。高程1 200 m以上为金沙江宽谷,岸坡总体较缓,左岸山顶高程1 836 m,右岸山顶高程1 630～1 430 m。

2.2 地层岩性

坝址区地层主要由褶皱基底浅变质岩及盖层沉积岩构成。主要工程岩体为浅变质碳酸盐岩。岩性以灰岩、大理岩、白云岩和大理岩化白云岩为主。

2.3 地质构造

乌东德水电站在大地构造分区属于扬子准地台西部边缘区,康滇地轴二级构造单元中东部。区域构造以断裂构造为主,主体走向为南北向,次为北东、北西向。

近坝址区规模较大断层有5条(图2中1～5号断层)。“1”和“2”断层走向NE,“3”和“4”断层走向近EW,“5”断层走向NNE。同时6—8号3个较小断层靠近测试区域,走向为NNE—NE向。坝线区裂隙总体不甚发育,可分为SN组和EW组2大组,其中SN组可分为NNW和NNE 2个亚组。

图2 乌东德水电工程近坝断层分布Fig.2 Fault distribution near the dam of Wudongde hydropower project

3 测试结果综述及回归分析

3.1 实测结果统计分析

乌东德水电工程坝址区地应力测试采用水压致裂法和孔壁应变法,共进行了22个钻孔的地应力测试,共获得300个测值[12]。地应力测点分布最大高程912 m,最低高程647 m。测试分布区域涵盖河床区、近岸坡区和两岸深部岩体。地应力钻孔平面布置如图3所示。

图3 地应力测孔平面布置Fig.3 Layout of geostress measurement holes

统计三维地应力测试结果,左岸岩体第一主应力(σ1)最大值为19.5 MPa,倾角集中为40°～70°,方位角主要分布范围为NNE—EW向。第三主应力(σ3)最大值为11.7 MPa,倾角集中为0°～20°,方位角主要为NW向和SEE—SE向。右岸岩体第一主应力(σ1)最大值为13.0 MPa。倾角集中为40°～70°。第三主应力(σ3)一般为3～5 MPa,倾角集中为0°～20°。因测点数量较少,第一主应力和第三主应力方位角无明显集中方向,第二主应力无明显规律。

取孔壁应变法和三维水压致裂法成果的水平主应力数据与水压致裂法结果进行统计,得到乌东德测区最大水平主应力(σH)集中在8～16 MPa,最大值20.9 MPa；最大水平主应力方向(αH)按测点高程统计,高程在870 m以上的测点最大水平主应力方向主要为NW—NS向,与河流走向近乎平行；高程在750～870 m范围测点主要为NNE—EW向；高程在750～700 m集中为NNE—NEE向,高程在700 m以下集中为NNE—NE向。最小水平主应力集中在4～9 MPa,最大值为12.1 MPa。其中河谷右岸被近坝断层和金沙江河谷合围(图2),另受岩体埋深浅等影响,其应力总体较左岸低30%～40%。

为了直观显示,将垂直钻孔向地应力剖面进行投影。在剖面上将测试结果的最大水平主应力量值和方向进行形象化表示(图4)。最大水平主应力垂直于孔深方向,距离与量值大小呈正比,边缘连线并填充。最大水平主应力方向采用破裂缝对正北向的顺时针转角表示。

为了方便成果解释,在图4所示剖面内将钻孔内最大水平主应力达到(或推测)10 MPa和右岸7 MPa最大高程测点分别连线,其中左岸“2”线出发部位在坡脚应力增高区上缘,“3”线从坡脚应力增高区域下缘出发。右岸7 MPa线采用同样方式进行(“4”,“5”线)。“3”,“5”线和部分坡脚高应力区将左右岸划分为Ⅰ区和Ⅱ区。依据Ⅰ区内测点最大水平主应力方向,将左右岸I区岩体各分为左右岸I-1和Ⅰ-2个亚区(“1”线为分界线),Ⅰ-2个亚区包含部分坡脚部位高应力区。

根据图4最大水平主应力方向规律可知,左右区和Ⅱ区钻孔水压致裂法、三孔交汇水压致裂法及解除法地应力测试资料,以及坝址区主要地质条件中“2”,“3”,“5”和“8”号断层和主要岩体物理力学参数,对测试结果进行回归分析,三维有限元网格模型[13]如图5所示。为了与实测结果相对照,测区河谷断面的水平主应力等值线结果如图6[13]所示。

图4 最大水平主应力值和方位直观图Fig.4 Intuitive figure of values and orientations of maximum horizontal principal stress

图5 三维有限元网格模型Fig.5 Model of three-dimensional finite element mesh

对比实测结果和数值回归分析结果中最大水平主应力分布情况,图6中8～9 MPa的σH等值线与图4中“2”线和回归分析结果中分布趋势较为一致,在同高程情况仅存在1～2 MPa差值。右岸7 MPa应力连线(“4”线)与回岸Ⅰ区是受金沙江岸河谷地形影响最大区域。其中I-1亚区最大水平主应力方向与金沙江河谷走向(160°)基本平行,是应力释放区。其余I区部分(未包含河谷部位)划分为Ⅰ-2亚区,左右岸Ⅰ-2亚区最大水平主应力方向有近EW向、近NS向和NE向等,存在较大的变动,该亚区为应力释放区和Ⅱ区的过渡区域。Ⅱ区最大水平主应力方向集中为NNE—NEE向,为应力方向稳定区。

依据测点应力与孔深关系判定河床区和近岸坡区单个钻孔的明显应力集中部位,将相邻部位钻孔的应力集中部位相连,可粗略圈定河谷及坡脚部位高应力区(图4中Ⅲ区)。

应该说明的是,以上区域划分是根据实测结果的规律得出的,但无严格依据,其标准有待讨论。对照标准河谷应力分区,左右岸Ⅰ-1亚区可粗略对应于应力释放区,Ⅰ-2亚区粗略对应于应力增高区。Ⅱ区粗略对应于应力稳定区。3.2 数值回归分析

图6 水平主应力等值线Fig.6 Contours of the horizontal principal stresses

依据I-2亚区和Ⅱ区的左岸钻孔左右岸Ⅰ-2亚归分析结果极为相似。回归分析显示了与实测结果较为吻合的应力分布特征,并得到了更大范围的应力分布,可以有以下结论:

(1)河床部位和坡脚部位岩体存在应力增高区,呈现非对称性,左侧分布范围广。

(2)右岸岩体应力总体较左岸明显偏低,同高程最大水平主应力值约低30%,与实测结论相似。

(3)河谷内侧有较为明显的应力释放,其分布与河谷地形相关。如图6中σH＜8 MPa和σh＜5 MPa的等值线。

应该说明,地应力实测结果易受局部岩体完整性和局部断层分布等影响,同时,图4剖面钻孔位置是实测钻孔在该剖面的投影,测孔所在部位地质条件可能有所不同。因此,连线与回归分析的等值线有所差异。

4 河谷应力场典型特征分析

河谷地应力的典型特征是存在河床及坡脚部位的高应力区和两岸岩体的“驼峰”应力分布。

4.1 河床及坡脚高应力区

乌东德水电工程坝址河床区分布有3个钻孔(ZK3,ZK34和ZK35)、近岸坡左岸2个钻孔(ZK141和DZK1)、右岸1个钻孔(ZK158)。由实测结果和回归分析知河床最大水平主应力在高程670～690 m存在较为明显的应力增加。河床区测点最大水平主应力方向范围为NNE—NEE向,钻孔底部测点方向集中为NNE—NE向。

左岸近岸坡ZK141测孔明显应力增高部位高程为700～750 m,DZK1测孔为760～830 m。右岸ZK158测孔在高程范围730～750 m有较为明显的应力增高。左右岸在高程750 m(河床基岩高程730～740 m)最大水平主应力方向为NNW—EW向, 750 m高程以下转变为NNE—NEE向。

河床钻孔深部最大水平主应力方向与近坝址区NNE—NE走向断层断裂相近,与区域断裂走向(NS向为主体)小角度相交,与近场区地震构造应力场[11](SSE和SEE向压应力场)夹角较大。以上结果说明,测试部位应力状态受近坝断层和深切河谷地形影响较大。

依据实测结果规律分析和回归分析结果可知,河床和坡脚存在较明显的高应力区,图4中Ⅲ区仅为河床和坡脚部位高应力区较为明显的一部分。同时,受金沙江河谷之上宽谷岸坡展布的影响,高应力区呈现非对称性,山体高耸岸坡侧高应力区分布范围较广。

4.2 两岸岩体应力分布

选择测试数据较为密集高程830 m和750 m绘制应力分布“驼峰”线。以每测孔两高程线上下20 m范围测点的水平主应力值均值为竖直坐标,各钻孔距离岸坡线或河床覆盖层线的水平距离为水平坐标取点并连线,原点至第一个测孔处适当推测,“驼峰”应力曲线如图7所示。

图7 由实测数据绘制的“驼峰＂应力曲线Fig.7 Hump-shaped stress curves drawn by the measured data

结合乌东德河谷地形特征(图2)及回归分析所得的水平主应力分布特征(图6)可得以下结论:

(1)由实测数据绘制的驼峰曲线与回归分析所得水平主应力分布特征基本相同。

(2)由于右岸受近坝断层、金沙江河谷应力隔断、岩体埋深浅等因素的影响,其应力值较左岸总体低30%～40%。

(3)除右岸750 m高程曲线外其余3个部位均具有较为明显的“驼峰”特征,反映出河谷应力分布中岸坡岩体应力分布特征。其中“驼峰”出现位置均在距离河床冲积层或者岸坡线120～160 m范围内。右岸750 m高程可能因测孔分布原因未能反映出“驼峰”特征。

(4)受乌东德河谷之上宽谷地形影响,两岸岩体“驼峰”应力曲线形态与标准形态有所不同,其“尾部”岩体应力未稳定,随埋深增加而增加。

5 结 语

通过对乌东德坝址区地应力测试结果规律总结、地应力场回归分析,以及对乌东德坝址河谷和对称河谷应力场分布特点对比,得到如下结论:

(1)乌东德河谷右岸由于受近坝断层和金沙江河谷合围、岩体埋深浅等因素影响,其地应力较左岸明显偏低。

(2)依据最大水平主应力方向变化规律,乌东德河谷内侧存在明显的应力释放区,最大水平主应力方向与河谷走向平行,此外可分为过渡区和应力方向稳定区。

(3)与对称河谷相同,乌东德河谷在河床和坡脚部位存在高应力区,两岸岩体地应力分布具有“驼峰”特征。

(4)河床和Ⅱ区岩体测点最大水平主应力方向与近坝断层和区域控制性断裂较为接近,与近场区地震构造应力场不同,河谷地应力场受近坝断层和河谷地形影响较大。

(5)受乌东德河谷之上宽谷地形影响,河床坡脚及河床区的高应力区在山体高耸岸坡侧分布范围较广。两岸岩体应力分布“驼峰”曲线的形态与标准形态不同。

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(编辑:黄 玲)

Distribution of Geostress Field in the Valley of Wudongde Hydropower Project

HAN Xiao-yu1,HUANG Xiao-quan2,LI Yong-song1,YIN Jian-min1,XIANG Jia-bo2
(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Three Gorges Investigation and Research Institute,Wuhan 430074,China)

With the 300 measured data obtained from dam site area in Wudongde Hydropower Station Project,supplemented by numerical regression analysis,the geostress distribution of the area was summarized.The results show that the valley section can be divided into stress-release,stress-transition and stress-direction stable zone,and the direction of maximum horizontal principal stress in stress-direction stable zone is relatively close to controlling fracture fault near the dam area,which is different from seismic geostress field in near field region.By comparing geostress distribution of valley in Wudongde dam area with that of symmetrical valley,we can find that the dam area valley has similar stress distribution of symmetrical valleys including the high-stress zone of riverbed and the toe area,and hump-shaped stress distribution characteristics of rock mass near valley slope.Affected by the morphology of Wudongde valley,the high-stress zone of riverbed and the toe area show a symmetry feature,and the high-stress zone is widely distributed on higher side of the mountain slope.At the same time,the tail of the hump-shaped stress curves of the rock mass by the valley is not stable.

geostress；Wudongde Hydropower Station；geostress field in the valley；hydraulic fracturing method；maximum horizontal principal stress

TV22

A

1001-5485(2015)11-0034-06

10.11988/ckyyb.20140487

2014-06-12；

2014-07-11

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(201001009)；中央级公益性科研院所基金项目(CKSF2011020/YT)

韩晓玉(1975-),男,山东金乡人,高级工程师,硕士,主要从事地应力试验及试验设备研发方面的研究工作,(电话)027-82926517 (电子信箱)han_xiaoyu@yeah.net。