长河坝水电站河谷应力场特征三维数值模拟研究

2015-03-01崔建凯沈军辉陈春文

地质灾害与环境保护 2015年1期

崔建凯，沈军辉，陈春文

（1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，成都 610017；2.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，成都 610059；3.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，成都 610072）

长河坝水电站为大渡河干流梯级开发的第10级大型电站，工程区位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，坝址位于大渡河支流金汤河口下游约5～6 k m河段，坝型为心墙堆石坝，最大坝高240 m，装机容量2 600 MW。

在该项目勘测过程中出现了诸如河床钻孔岩芯饼裂、平硐深部片帮等高地应力现象，同时在地表测绘过程中发现坝址区发育F0、f20及f24等对边坡起控制作用的长大断层。为全面把握坝址区地应力形成及分布特征，对坝址区应力状态进行深入的研究，本文根据坝址区水压致裂法及孔径变形法地应力测试成果，通过模拟河谷的下切形成过程来获得深切河谷应力场分布的一般特征及断层对应力场的影响规律。

1 坝区工程地质条件

工程区位于青藏断块东部边缘地带，处于由N W向鲜水河构造带、SN向川滇构造带、NE向龙门山构造带构成的“Y”形构造交接部位之北；地貌上处于川西北丘状高原东南缘向四川盆地过渡地带；喜马拉雅期应力场为EW～NWW向挤压，新构造活动表现为大面积间歇性强烈抬升背景下的断块差异升降和走滑，区域河谷地貌表现为三级夷平面、六级河谷阶地；工程区地震基本烈度为Ⅷ度。

坝址区大渡河呈一向东凸的河湾，河谷呈较宽的“V”形谷，左岸斜坡坡度为50°～55°，右岸为45°～50°。坝址区岩体为晋宁－澄江期的花岗岩（γ2（4））和（石英）闪长岩（δ02（3）），坝肩一带断层多呈NE向，主要有F0、f20及f24等，坝址下游则以N W向为主（图1）。

图1 坝址区地质简图

2 坝址区应力测试成果分析

中国水电顾问集团成都勘测设计研究院采用水压致裂法对河床钻孔SZK02进行了9段地应力测试（表1），同时采用孔径变形法在坝址区左岸XPD10及右岸XPD01平硐进行了6处地应力测试（表2），由水压致裂法及孔径变形法地应力实测成果表可以看出地应力有如下特征：

（1）因坝址区地处现代活动构造带交接部位附近，构造应力相对较大；加之花岗岩、石英闪长岩强度高，有利于弹性应变能的积聚，故坝址区属中高地应力区。斜坡实测应力最大可达31.96 MPa。

（2）两种方法所测得最大主应力方向近于一致，主要为N WW～E W向，与喜山运动晚期构造应力场相似。但在斜坡浅表部位，水平深度小于360 m处，最大主应力σ1以NN W～N W向为主，反映了水平埋深小于360 m的斜坡浅部地应力场受斜坡重力场叠加的影响。

表1 SZK02钻孔水压致裂法应力测量结果

（3）斜坡水平深度大于360 m处，最大主应力轴倾角均小于21°，表明地应力场以近水平向为主，中间主应力轴倾角大于60°，属潜在走滑型应力状态。斜坡浅部受重力场的叠加，最大主应力向平行于岸坡方向偏转，如右岸水平深度250 m的XPD01–1测点，σ1方向偏为N42°W，倾角达68°。

（4）河谷部位基岩顶板以下62.28 m出现应力峰值，最大水平应力达23.56 MPa，最小水平应力为12.48 MPa，该段为河谷应力集中带，与饼状岩芯出现深度大体一致。

分析表明，坝址区斜坡应力场是构造应力场与自重应力场叠加的结果，应力场受河谷地貌影响较大，最大主压应力呈NWW向，属潜在走滑型，继承了喜马拉雅运动晚期构造应力场的总体特征，也表明坝址区受构造应力场的影响较大。

为了更全面地把握坝址区应力场分布特征，根据地应力实测成果，采用三维数值模拟方法对坝址区地应力场的空间分布规律进行更深入的研究。

表2 长河坝水电站孔径变形法地应力测试成果

3 坝址区应力场三维数值模拟

3.1 计算模型及计算方案

根据长河坝区域地貌演化特征，区内新构造活动表现为间歇性抬升，发育有三级夷平面（一级夷平面的高程4 500 m，二级夷平面高程4 100 m，三级夷平面的高程3 500 m）及六级河谷阶地。为了简化计算过程，将模型分六步开挖，分别为二级夷平面、三级夷平面、T6级阶地、T4级阶地、T2级阶地及现河谷地貌六次开挖。

为了消除或减小模型边界效应的影响，模型上、下游边界大体与河流走向垂直，模型垂直河谷方向宽16 000 m，顺河谷方向长6 000 m，高4 600 m。计算模型中考虑了对边坡起控制作用的F0、f20、f24断层，断层的建模按其产状及延伸长度用实体单元来考虑（图2）。

3.2 模型边界条件及力学参数

模型侧边界施加梯形荷载，三角形部分为侧向自重应力，矩形部分为构造应力（根据应力测试成果，经反复试算确定为2 MPa），其余边界采用单向约束方式，谷坡表面为自由表面。

根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院提供的岩体力学参数资料，结合工程地质类比，确定的有限元模型计算中介质参数如表3所示。

图2 计算模型

表3 模型岩体力学参数

计算采用FLAC－3D（version3.0）程序，模型对断层及下切（开挖）区域进行了加密处理，模型共划分808 223个单元，142 337个节点。

3.3 地应力场形成演化过程分析

（1）初始阶段

初始状态模型顶面是一级夷平面，其高程约4 600 m。其最大主应力的分布如图3所示。

图3 初始阶段σ1云图

整个模型区域范围内的应力分布比较均匀，类似半无限空间的应力分布特征，在顶部有一定厚度的各向同性层。在模型的断层处有一定的应力集中。最大主应力力量值总体上随深度的增大而增大，模型底部（即4 600 m深处）最小主应力量值96.76 MPa，最大主应力量值240.66 MPa。

（2）区域性侵蚀阶段

区域性侵蚀包括形成二级夷平面和三级夷平面两个阶段，对应为第一步开挖和第二步开挖，其中第一步开挖至4 100 m高程，第二步开挖至3 500 m高程。剥掉厚度分别为400 m和600 m，剥蚀后的应力分布其变化主要表现在各部位垂直应力有所降低，表面的最大主应力偏转，与表面平行，此外，由于卸荷作用，夷平面表面最小主应力局部变为拉应力（图4）。

图4 区域性侵蚀阶段σ1云图

（3）河谷下蚀阶段

河流下蚀的整个地质过程由计算模型的第三步至第六步下切开挖来模拟。第六步开挖完成后，现今河谷地貌形成，主应力方向在近坡面发生偏转，且其量值随着埋深的增加而增大（图5）。最大主应力在河谷谷底部位较为集中，形成明显的高应力包（图6），其量值一般可达27～35 MPa。

图5 河谷形成后σ1云图

图6 A－A＇剖面σ1 云图

3.4 断层对应力场的影响分析

数值计算结果表明，f20、f24、F0等长大断层对河谷应力场的分布影响较明显。

图7 f20断层附近σ1变化规律

（1）f20断层

根据σ1随坡体水平深度的变化曲线（图7）可以看出断层上盘（从坡面到f20段）的应力量值明显小于下盘（f20断层向坡体内部段），上下盘应力差值约6 MPa。在断层上盘侧应力量值明显减小，但当过渡到下盘时应力又显著增大，并且出现明显的应力集中。根据图8，在斜坡浅部最大主应力迹线近于平行坡面，在接近断层带附近主应力迹线发生较大偏转，偏转角度达35°～45°。通过断层影响带以后，应力方向又与坡面近于平行，表现出斜坡浅表部应力特征。

（2）F0断层

对于F0断层，表现出与f20断层截然不同的特征。断层的存在对于最大主应力的分布基本没有影响，但是最小主应力却在断层带产生明显的集中（图9），量值达7.4 MPa，并且断层上盘比下盘的应力量值高出3～4 MPa。从图10可以看出，F0断层附近应力迹线发生微小偏转，偏转角度约10°～15°。