穿越活断层倒虹吸结构变形影响敏感性研究

刘汉东, 赵亚文, 杨长林, 徐红超, 李冬冬

(1.华北水利水电大学,河南 郑州 450046; 2.云南省滇中引水工程有限公司,云南 昆明 650000)

随着我国水利水电事业的发展,在我国西部高烈度区,实际工程中常遇到交通隧洞、能源运输管线、引水管线等穿越活动断层的问题。活动断裂带的运动会引起地面建筑物的振动和变形,可能导致建筑物基础所处的岩土体发生剪切破坏、错动或滑坡[1-3]。如何使建筑物适应活断层的大变位是保证高烈度地区地震作用下水工建筑等安全运行的重要研究内容。

国内外学者采用物理模型试验和数值分析方法模拟断层的错动变形,分析过断层管线、隧道的破坏机理[4-7]。现有研究易忽略地形变化的影响,采用长方体模型模拟隧道穿越断层,大量研究主要集中在过断层地下隧道的破坏和防治方面[8-15]。活断层地表的研究则主要集中于断层错动模式、上覆土层厚度、断层错动量等因素对地表破裂和变形的影响。理论分析、数值模拟、现场调查及模型试验是研究断层地表变形破坏规律的主要方法。SAVAGE J C和PRESCOTT W H[16]分析了弹性半空间中垂直断层上的滑动变形。MEADE B和HAGER B[17]采用GPS,通过地表位移估计南加州主要活动断层的滑动速率。李小军等[18]利用有限元法分析断层上覆土层破裂过程。沈超等[19]通过离心机试验和实际监测数据,总结不同错动量下的地表位移规律。李连辉等[20-21]通过数值分析方法,研究不同覆土厚度、沉积层土性、活动断层的断层倾角、错断位错量、错断形式等对地表位移的影响。

现有研究主要针对断层上、下盘之间的相对变形和地表破裂变形开展研究,对岩土体力学性质等因素的影响、地基变形、地表结构破坏的分析较少[22]。倒虹吸结构主要为地面结构或浅埋结构,其受力、变形以及破坏特征与受断层变形影响的隧洞等结构有较大差别。断层及影响带范围内,岩土体受到强烈的地质作用,其物理力学参数的变化范围较大[23]。因此,本文依托滇中引水工程曲江倒虹吸段,建立考虑地形影响的二维数值模型,采用正交试验分析断层及断层影响带的物理力学参数对穿越曲江断裂的倒虹吸结构地基变形的影响,为穿越活断层倒虹吸结构设计提供重要依据。

1 简单模型计算分析

1.1 曲江断裂和倒虹吸概况

曲江断裂是滇西地区地震活动最活跃的断裂之一,有记载该地区的历史最强地震为1970年通海7.8级地震,最大水平位移3.25 m、垂直位移0.55 m,曲江断裂为右旋逆断层,右旋走滑运动速率为1.5～3.5 mm/年,以黏滑为主。曲江断裂潜在震源地震最大震级为8.0级,未来百年最大突发地震地表水平位移2.20 m、垂直位移0.39 m,最大突发地震地表位移带宽度的范围为300～500 m。断层宽度约140 m,断层破碎带宽度达120 m。

曲江倒虹吸设计流量为20 m3/s,初步设计选定管径2.6 m,采用明钢管、洞内埋管及混凝土包管等敷设。管线与曲江断裂74°夹角相交,平面位置如图1所示,曲江倒虹吸纵剖面如图2所示。

图1 曲江断裂和倒虹吸结构平面示意图

图2 曲江倒虹吸段剖面图

1.2 简单模型

首先,建立长方体模型,模拟断层错动下的地表变形。然后,在断层中间位置,沿断层的产状设接触面。其中,断层宽149 m,影响带宽140 m,断层倾角75°,模型整体长1 200 m、高500 m、宽500 m,如图3所示。

图3 简单模型

1.3 模型加载方式和参数

曲江断裂为走滑逆冲断层,根据地质勘查资料及相关文献,提出如下加载模式:进行断层错动加载前,模型底部及四周设法向约束,生成的自重应力作为初始应力。计算过程中施加刚性位移,模拟断层错动模式。逆冲加载时,以断层中心为分界线,沿Z方向和X方向在上盘底部施加速度模拟逆冲过程。加载方向分为X和Z两个方向,如图4(a)所示,X向加载速度-2.30E-5 m/步,Z向加载速度7.09E-5 m/步,循环5 500步,逆冲错动量控制为0.40 m。走滑加载时,以断层中心为分界线,沿Y方向施加反向速度模拟走滑过程,加载速度4.00E-4 m/步,循环5 500步,走滑错动量控制为2.20 m,加载俯视图如图4(b)所示。根据曲江断裂前期勘察资料及相关文献,选取简单模型岩体计算参数、接触面计算参数,分别见表1和表2。

表1 简单模型岩体计算参数

表2 接触面计算参数

图4 模型加载方式示意图

1.4 断层错动下的地表位移

不同错动模式下,简单模型倒虹吸地基地表变形如图5所示(图中红色部分为断层范围,橘色部为影响带范围,下文示意相同)。从模拟结果可知,逆冲错动下,在断层位置地表错动最大,断层两侧错动量可达0.24 m,错动量向两侧断层影响带和基岩范围内逐渐减小,总体呈“s”形,地表总错动量为0.39 m,与设计加载值一致。在逆冲错动下,上盘范围内的地表变形明显,且在上盘基岩范围内,地表位移出现明显的衰减。在走滑错动下,地表错动在断层两侧基本对称,西南侧水平错动量略大于东北侧的,总体地表变形与逆冲变形相似,呈倒“s”形,地表总错动量为2.0 m,与设计加载值基本一致。在组合错动下,地表水平和竖向变形分布与单向错动下的一致,错动量大于单向错动模式的。模型模拟结果与其他学者[5,14-15]数值分析和物理模型试验结果一致,表明本次模拟加载方式设计合理。

图5 简单模型地基地表变形曲线

2 考虑地形的二维数值模型

2.1 数值模型构建

依据曲江倒虹吸段剖面图建立二维模型。模型中两侧影响带宽120 m、断层宽140 m、倾角75°,与实际断裂相符。模型长1 100 m、宽50 m、高600 m,采用接触面模拟断层界面,shell单元模拟倒虹吸钢管,倒虹吸钢管直径2.6 m,钢管厚度18.0 mm,如图6所示。

图6 数值分析模型

2.2 计算参数及加载方式

根据勘察资料及相关文献,选取模型岩体计算参数和Shell单元计算参数,见表3和表4,接触面参数与简单模型一致。断层错动加载方式与简单模型一致,逆冲错动量为0.39 m,走滑错动量为2.2 m。

2.3 断层和影响带参数正交试验方案

断层分析时,选取断层天然容重、内摩擦角、黏聚力、变形模量、泊松比以及断层接触面摩擦角6个因素,进行6因素5水平正交试验。断层影响带分析时,选取断层影响带天然容重、内摩擦角、黏聚力、变形模量、泊松比5个因素,进行5因素5水平正交试验,断层和断层影响带参数变化范围见表5。每组正交试验依次进行逆冲错动、走滑错动及逆冲走滑错动加载,分析3种加载模式下的钢管变形情况。

表5 断层及断层影响带参数变化范围

3 参数对倒虹吸地基地表位移的影响

对模型地表面间隔20 m布设监测点,监测不同错动模式下的地表位移变化,分析不同参数对地表变形的影响。

3.1 逆冲错动下倒虹吸地基地表位移

逆冲错动模式下,参数变化对倒虹吸地基地表位移的影响如图7所示,其中zn为5因素5水平正交试验对应的第n种工况。

图7 逆冲错动模式下倒虹吸地基地表位移

逆冲错动模式下,断层位置错动变形量最大。由地表竖向位移变形可知,断层两侧竖向错动量可达0.25 m。逆冲加载下的变形,主要表现为上盘的变形,最大位移发生在影响带内。与图5(a)比较可知,考虑地形变化的地表位移与简单模型加载结果基本一致,总体呈“s”形变化,但断层和断层影响带范围外的位移变化逐渐平缓,没有明显的下降趋势。当参数变化时,上盘地表位移变化明显。断层逆冲错动下,断层上盘沿着断层面斜向上错动。逆断层带在逆冲错动过程中,水平向压缩、竖直向错动。因此,断层参数的变化直接影响到水平向压缩和竖直向错动的量值,断层影响带对逆冲错动下总位移的影响小于断层的。

3.2 走滑错动下倒虹吸地基地表位移

走滑错动模式下,参数变化对倒虹吸地基地表位移的影响如图8所示。走滑错动模式下,参数变化对地表位移的影响小于逆冲错动模式下的。走滑错动模式下的变形,主要表现为断层两侧的水平错动变形,最大错动变形发生在断层位置,接近2.20 m,最大位移发生在断层影响带内。与图5(b)比较,考虑地形变化的地表位移与简单模型变形规律一致。但受地形影响,走滑错动模式下,两侧变形对称性较差,由于岩性较弱,坡面较陡,在西南侧影响带外侧和东北侧影响带范围内,地表出现了明显变形。断层变化时,断层位置地表位移出现变化;断层影响带变化时,断层影响带位置的地表位移变化明显。走滑错动下,断层两侧沿滑面水平错动。断层两侧均受到相反的水平向剪切作用,这形成了走滑断层两侧的强变形区与破裂。其中,断层区域是直接受剪切作用并发生水平错动的区域,断层部位的变形主要受剪切位移的控制。断层影响带区域并未直接发生错动,该区域受到的水平剪力逐渐减小,影响带变形会更多地受到岩体物理力学性质的影响。这导致走滑错动下,断层影响带对总位移的影响大于断层的。

图8 走滑错动模式下倒虹吸地基地表位移

3.3 组合错动下倒虹吸地基地表位移

组合错动模式下,参数变化对倒虹吸地基地表位移的影响如图9所示。组合加载下,地表水平位移与走滑加载下的一致,地表竖向位移较逆冲加载下的位移变化较大。断层参数变化对断层范围内的地表位移影响最大,断层影响带参数变化对断层影响带内的地表位移影响最大。组合错动下,断层影响带对地表变形的影响大于断层的,尤其是对竖向位移变化的影响。这是由于组合错动下,断层位置受到更强烈的压剪作用,竖向位移明显大于逆冲错动模式下的。水平错动位移则受到剪切位移的影响,变化不大。

图9 组合错动模式下倒虹吸地基地表位移

4 参数敏感性分析

4.1 断层参数敏感性分析

选取钢管最大位移指标进行参数的敏感性分析。正交试验因素同一水平会有五组工况,选五组工况的均值作为该水平对应的指标。如断层参数正交时,z1到z5工况断层天然容重均为k1水平(1 600 kg/m3)。此时,逆冲加载下z1到z5工况对应的钢管最大位移分别为0.440、0.434、0.432、0.409、0.413 m,断层天然容重k1水平下,钢管最大位移均值为0.426 m。不同错动模式下,断层参数变化对倒虹吸钢管最大位移的影响如图10所示。

图10 断层参数敏感性分析

由图10(a)可知:逆冲错动模式下,断层弹性模量、泊松比、内摩擦角3个因素的影响最大,其次为天然容重、黏聚力和接触面摩擦角;随着泊松比的增大,钢管最大位移有所增加;随着弹性模量和内摩擦角的增大,钢管最大位移减小;逆冲错动模式下,钢管最大位移可达0.427 m。

由图10(b)可知:走滑错动模式下,断层天然容重、弹性模量、内摩擦角3个因素影响最大,其次为泊松比、断层接触面摩擦角、黏聚力;走滑错动模式下,当天然容重增大时,最大位移明显增大;随着弹性模量的增大,钢管最大位移增大;走滑错动模式下,钢管最大位移可达1.039 0 m。

由图10(c)可知:组合错动模式下,断层天然容重、接触面摩擦角、泊松比3个因素影响最大,其次为弹性模量、黏聚力、内摩擦角;组合错动模式下,当天然容重和接触面摩擦角增大,钢管最大位移减小;随着泊松比的增大,钢管最大位移增大;组合错动模式下,钢管最大位移可达1.074 m。

4.2 断层影响带参数敏感性分析

不同错动模式下,断层影响带参数变化对倒虹吸钢管最大位移的影响如图11所示。

图11 断层影响带参数敏感性分析

由图11(a)可知:逆冲错动模式下,断层影响带天然容重、泊松比、弹性模量3个因素影响最大,其次为内摩擦角、黏聚力;随着天然容重的增加,最大位移明显减小;随着泊松比和弹性模量的增加,最大位移有所减小;逆冲错动模式下,钢管最大位移可达0.428 m。

由图11(b)可知:走滑错动模式下,断层影响带内摩擦角、泊松比、弹性模量的影响最大,其次为天然容重、黏聚力;走滑错动模式下,随着内摩擦角的增大,最大位移逐渐增大;随着泊松比和弹性模量的增大,最大位移逐渐减小。走滑错动模式下,钢管最大位移可达1.051 m。

由图11(c)可知:组合错动模式下,断层影响带泊松比、弹性模量、内摩擦角3个因素影响最大,其次为天然容重、黏聚力;组合错动模式下,当泊松比和弹性模量增大时,最大位移减小;随着内摩擦角的增大,钢管最大位移值增大。组合错动模式下,最大位移可达1.085 m。

5 结论

本文采用FLAC3D软件,建立考虑地形变化的二维模型,分析了断层和断层影响带物理力学参数对地基变形和钢管变形的影响,结果表明:

1)断层位置处,考虑地形变化的模型确定的地表位移与简单模型模拟结果基本一致。逆冲加载下,断层和断层影响带范围外的地表位移变化逐渐平缓,与简单模型加载结果比较,没有明显的下降趋势。走滑加载下,受地形影响较大,上、下盘变形对称性较差。由于岩性较弱,在上盘影响带外侧和下盘影响带内,坡面较陡,地表出现了明显变形。

2)逆冲错动模式下,断层对倒虹吸地基地表变形的影响大于断层影响带的;走滑错动模式下,断层对倒虹吸地基地表变形的影响小于断层影响带的;组合错动模式下,断层影响带对倒虹吸地基地表变形的影响大于断层的,尤其是竖向位移变化。

3)基于正交试验结果,断层天然容重、泊松比、弹性模量,断层影响带内摩擦角、泊松比、弹性模量6个因素对倒虹吸钢管变形的影响较大。随着参数的变化,逆冲错动模式下,钢管最大位移可达0.428 m。走滑错动模式下,钢管最大位移可达1.051 m。组合错动模式下,钢管最大位移可达1.085 m。