深切河谷地形下地应力场分布特征与规律

裴书锋,臧东升,李家豪,何建华,李国良,陈炳瑞

(1. 华北水利水电大学 地球科学与工程学院,郑州 450046;2. 中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司,成都 610072;3. 中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043;4. 中国科学院武汉岩土力学研究所,武汉 430071)

0 前 言

中国西南地区水电资源丰富,但受地质构造和河流侵蚀下切影响,河谷深切陡峻,加之受断层等结构面影响,各大电站洞室群区域地应力场变化剧烈。地应力场由于是影响地下洞室群稳定的主要因素,因此深切河谷地形下地应力场分布规律一直是诸多学者研究的重点[1-2]。此研究对保证水电工程在复杂应力场区域的安全运营、工程选址和具体设计有十分重要的意义。

诸多学者从统计分析、数值模拟等方面研究了深切河谷地形下的地应力场分布规律。李华等根据中国西南地区数十个大型水电站地应力的实测数据,统计分析了西南深切峡谷边坡地应力场随垂向、水平深度变化规律,并且根据主应力量级、倾角变化规律探讨了边坡浅表部地应力场特征[3]。谢富仁等利用断层滑动方向确定构造应力张量,通过观测区域内大量活动断层的擦痕,从稳定时期、应力方向和最大主应力轴方向等方面总结了中国西南地区现代构造应力场基本特征[4]。裴启涛等对不同河谷几何形态、不同围岩参数模拟,发现主应力方向分布特征在河谷不同部位存在明显差异,且坡度越大,差异越大[5]。田玉中等选取两种典型高山河谷模拟其形成过程,发现空间地应力场分布受区域主压应力方向与河谷走向之间关系的影响[6]。王孝健等通过收集西南地区地应力资料,发现地壳不同深度的主压应力作用方向及地应力构造状态上具有明显的一致性[7]。范桃园等通过模拟青藏高原东缘现今地应力场的分布特征和控制因素,发现地形梯度较大的地区由浅到深地应力变化较明显[8]。金长宇等分析了白鹤滩水电站历史地质构造运动组成和现场实测地应力数据,得出区域应力场受河流侵蚀下切和岸坡卸荷作用,水电站左右两岸地应力方向均产生了偏转[9]。江权等提出了考虑地层剥蚀过程的深切河谷地应力场反演方法[10]。

深切河谷边坡地应力场存在着明显的分区现象,分区主要受构造应力、卸荷深度等多种因素的影响,郑小燕等从有无卸荷带、有无构造应力等角度分析了边坡主应力的分布特征[11]。祁生文等发现卸荷带是最大主应力从坡表至坡内出现3个带的本质原因[12]。刘亚群等通过对南水北调西线工程7个坝址区的地应力分析,发现深切河谷区最大水平主应力量值随深度成分段线性关系[13]。

为阐明深切河谷区地应力场分布规律,本文收集西南地区各大水电站地应力实测数据,研究主应力及其比值随垂直埋深、水平埋深的变化规律,通过数值模拟,分析不同河谷坡度对地应力场分布规律的影响。

1 各大水电站实测地应力统计

为分析各大水电站地应力场分布规律,本文收集了白鹤滩[8]、猴子岩[13-14]、锦屏一级[15-16]、锦屏二级[9]、双江口[17-18]、二滩、溪洛渡[19]、官地[20]、长河坝[21]、拉西瓦[22]、瀑布沟[23]、硬梁包[24]、叶巴滩共13座水电站的地应力实测数据,并分析了主应力及比值随垂直埋深、水平埋深的变化规律。

1.1 实测地应力数据收集

以双江口水电站、叶巴滩水电站为例,收集了两座水电站的实测地应力数据,其它水电站同。

(1) 双江口水电站

双江口水电站是在大渡河上建设的大型梯级水电工程,该项目建在一个“V”形山谷中,双江口水电站厂址区域河谷地貌如图1所示。该工程大坝为高314 m的土芯堆石坝,是世界上最高的土芯堆石坝。地下洞室群的最大主应力σ1为15.98～37.82 MPa,应力水平较高[17]。双江口水电站地应力实测结果参见表1[18-19]。

表1 双江口水电站实测地应力

图1 双江口水电站厂址区域河谷地貌

图2 金沙江叶巴滩水电站厂址区域河谷地貌

(2) 叶巴滩水电站

叶巴滩水电站位于金沙江上游川藏段河道,降曲自坝址上游汇入,坝址下游发育董俄措沟。两岸地形陡峻,左岸边坡坡度45°～55°,右岸边坡坡度40°～45°。一坡到顶,无缓坡平台。低高程谷宽70～110 m,高程2 889.00 m谷宽350～460 m。工程区地处青藏高原的东南部侵蚀高山山原区,随着青藏高原的快速隆升并向东部扩展推移,工程区现今构造应力场为 NWW～EW 向主压应力场[25]。

叶巴滩地下洞室群区域测点最大主应力σ1值16.51～37.57 MPa,均值为24.31 MPa,属高应力水平,方位范围N82°E～N54°W,平均值N80.4°W,总体倾向河谷,与区域构造主压应力方向较为接近,叶巴滩地应力实测结果见表2。

表2 金沙江叶巴滩水电站厂区岩体应力测试结果(引自成勘院)

1.2 实测地应力分析

1.2.1主应力量级随垂向埋深变化规律

将各电站地下洞室群区域最大主应力、中间主应力、最小主应力实测点随埋深绘制成图(见图3),除二滩水电站主应力分布较离散外,其他电站主应力随垂直埋深总体呈线性增大,且存在上下界限,各主应力随垂直埋深的变化规律可表示如下:

图3 主应力随垂向埋深变化

(1)

统计表明,当垂直埋深在0～300 m时,主应力量级分布较为离散,最大主应力σ1最大可达65.9 MPa,最小仅有6 MPa;中间主应力σ2最大为32 MPa,最小仅有3 MPa;最小主应力σ3最大有22.2 MPa,最小约为1.4 MPa。当垂直埋深在300～600 m时,主应力量级分布比较集中,最大主应力σ1主要集中在12～36 MPa;中间主应力σ2主要集中在5～24 MPa;最小主应力σ3主要集中在2～14 MPa。

1.2.2主应力量级随水平埋深变化规律

主应力量级随水平埋深的增加也呈现出明显的分区特征,这与随垂直埋深的变化规律类似。统计表明,最大、最小主应力随水平埋深增加呈阶梯式变化(见图4),当水平埋深处在0～200 m时,主应力量级波动较为剧烈,最大主应力σ1最大有26.6 MPa,最小仅有7 MPa;最小主应力σ3最大有16.3 MPa,最小仅有约1.4 MPa。当水平埋深处在200～600 m时,主应力量级逐渐增高,且分布比较集中,最大主应力σ1为15～34 MPa,最小主应力σ3为3.85～16 MPa。

图4 主应力随水平埋深变化

1.2.3主应力比值随垂直埋深变化规律

研究边坡应力场中水平应力分布规律多采用水平主应力均值与垂直应力比值[26-27]或最大、最小水平主应力比值[28]。本文分别统计了最大、最小主应力均值与中间主应力比值k、最大与最小主应力比值σ1/σ3以及中间与最小主应力比值σ2/σ3随垂向埋深变化的规律,其中:

(2)

k值、σ1/σ3以及σ2/σ3随垂直埋深的变化呈区域性变化见图5～7。垂直埋深在0～300 m时,k值分布较为离散,最小值0.86,最大值1.74;σ1/σ3分布也较为离散,从最小1.11到最大10.48都有分布;σ2/σ3从最小值邻近1到最大值5.5。垂直埋深300～600 m时,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。三者的变化规律可用线性界限函数表示:

图5 最大、最小主应力均值与中间主应力比值k随垂直埋深变化

图6 最大主应力与最小主应力比值σ1/σ3随垂直埋深变化

图7 中间主应力与最小主应力比值σ2/σ3随垂直埋深变化

(3)

(4)

(5)

从主应力随垂直、水平埋深的变化特征可以看出,西南深切河谷边坡应力场存在明显分区。在垂直深度300 m和水平深度200 m的浅表部,存在较为明显的应力集中与应力释放现象,导致主应力量级有剧烈波动;而在超过此深度的边坡深部,主应力量级分布逐渐稳定。

采用CASMO可视化工具将收集的大渡河、雅砻江和金沙江上各大水电站最大主应力方向绘制于世界应力图计划 WSM2016 数据库中(见图8),可见该区域主应力方向主要为NW方向,其中白鹤滩水电站左岸为NW方向,右岸为近于正北或正北略偏东,图中绘制的为右岸洞室群主应力。

图8 基于CASMO可视化工具绘制的西南地区应力

2 深切河谷地应力场数值模拟

2.1 三维数值模型

为分析河谷坡度对地应力场分布规律的影响,建立了河谷坡度分别为30°、45°、60°的三维数值计算模型(见图9),谷底宽度为100 m,模型尺寸均为3 800 m×1 600 m×100 m(长×宽×厚度)。计算采用弹性本构模型,模型边界条件为下底面固定,前后左右4个方向为法向约束,上表面自由,围岩力学参数参见表3。考虑自重应力和水平构造应力影响,重力加速度取9.81 m/s2,水平应力与自重应力比值k取为2。

表3 岩石的力学参数

图9 河谷不同坡度的三维数值模型

2.2 结果分析

以坡度为45°的河谷边坡为例,根据施加的侧压力系数和自重应力,地应力场平衡后,临近边坡部位主应力近于平行边坡,随着垂直埋深的增加,最大主应力方向逐渐趋于水平,并缓倾向河谷侧,这是地下洞室群区域最大主应力方向的通常规律(见图10)。

图10 河谷坡度45°时的主应力矢量方向(灰色线为最大主应力方向)

图11为3种坡度下边坡最大主应力云图。由图11可见河谷谷底出现显著的应力集中,并且随着坡度的增加,谷底应力集中程度越剧烈。随垂直埋深增加,最大主应力逐渐增大,临近边坡的部位受河谷边坡卸荷的影响较为显著,当垂直埋深达到临近谷底高程附近时,又受到谷底应力集中的影响。

图11 河谷不同坡度下最大主应力云图 单位:Pa

图12为3种河谷垂直埋深分别为200、300、400、500、600、700 m和800 m时,不同水平埋深下的最大主应力曲线图。总体而言,当垂直埋深小于600 m,水平埋深较小部位最大主应力变化较剧烈,且量值总体略小于水平埋深较大部位。当垂直埋深大于700 m时,受河谷谷底应力集中影响,随水平埋深增加,最大主应力逐渐减小至稳定。总体而言,边坡内部最大主应力分布既受水平埋深和垂直埋深影响,也受到河谷坡度影响。

图12 3种河谷坡度各垂直埋深下最大主应力随水平埋深变化

3 结 论

本文收集了西南地区各大电站地应力实测数据,分析了主应力随埋深的演化规律,并通过FLAC3D软件进行了河谷不同坡度下地应力场的数值模拟,主要得到以下结论:

(1) 西南地区深切河谷边坡应力场总体随垂直埋深呈线性增长趋势,在水平方向,具有明显的分区性,边坡浅表部主应力量值有剧烈波动,而在边坡深部,主应力量级分布逐渐稳定。

(2) 随垂直埋深增加,最大、最小主应力均值与中间主应力比值k、最大与最小主应力比值σ1/σ3以及中间与最小主应力比值σ2/σ3的离散程度逐渐减弱,其比值大小均可以用负指数函数表示。

(3) 数值模拟结果显示河谷谷底具有明显的应力集中现象,而且随着坡度的增加,应力集中程度越显著。边坡水平埋深较小部位最大主应力变化较为剧烈,随水平埋深增加,逐渐稳定。其变化趋势与垂直埋深有关,垂直埋深较小时,最大主应力随水平埋深逐渐增大至稳定,临近谷底部位,随水平埋深增加逐渐减小至稳定。整体而言,边坡最大主应力受水平埋深、垂直埋深和河谷坡度综合影响。