基于水力模型的地應(yīng)力場反演研究

基于水力模型的地應(yīng)力場反演研究

1河谷區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律隨著中國西部大規(guī)模開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，大量大型節(jié)水工程已在中國西部進(jìn)行。由于工程區(qū)大多地處河谷縱橫、溝谷深切的復(fù)雜地形地貌區(qū),深入開展河谷區(qū)地應(yīng)力場分布規(guī)律研究對(duì)于工程選址、設(shè)計(jì)與施工都具有非常重要的意義。深切河谷區(qū)地應(yīng)力場是在區(qū)域地應(yīng)力場的基礎(chǔ)上由于地表剝蝕、河流侵蝕等地質(zhì)作用,并伴隨河流下切過程,在谷底和岸坡一定范圍內(nèi)發(fā)生應(yīng)力調(diào)整而形成的局部地應(yīng)力場,其分布規(guī)律受到巖組條件、區(qū)域地應(yīng)力場條件、河谷形態(tài)及演化歷史等因素的影響。研究人員從不同角度對(duì)河谷區(qū)地應(yīng)力場影響因素進(jìn)行了研究分析。白世偉和李光煜根據(jù)二灘壩址區(qū)實(shí)測地應(yīng)力資料,發(fā)現(xiàn)谷坡地應(yīng)力明顯存在應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)、應(yīng)力平穩(wěn)區(qū),在河床淺部受地表風(fēng)化和卸荷作用,先出現(xiàn)應(yīng)力松弛而后出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。修俊峰等根據(jù)某工程3個(gè)壩段的地應(yīng)力實(shí)測資料,結(jié)合地應(yīng)力的地質(zhì)成因及其展布規(guī)律分析,將河谷區(qū)應(yīng)力場分為應(yīng)力松弛帶、應(yīng)力集中帶、應(yīng)力趨穩(wěn)帶和應(yīng)力穩(wěn)定帶,其中應(yīng)力松弛帶、應(yīng)力集中帶、應(yīng)力趨穩(wěn)帶均在地形、地貌、卸荷影響范圍內(nèi),故可總稱為應(yīng)力調(diào)整帶;而應(yīng)力穩(wěn)定帶則可稱為應(yīng)力非調(diào)整帶。朱煥春等通過二灘、小灣等水電站的河谷應(yīng)力分布規(guī)律研究發(fā)現(xiàn),河谷應(yīng)力場地應(yīng)力分布主要受巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地殼運(yùn)動(dòng)等區(qū)域性地質(zhì)條件,以及河谷發(fā)育特征,包括河谷形態(tài)、走向和河谷發(fā)育時(shí)間等兩個(gè)方面的影響因素,并討論了用河谷形態(tài)(高寬比)、河谷發(fā)育時(shí)間以及區(qū)域地應(yīng)力場強(qiáng)弱(區(qū)域邊界上的應(yīng)力比)等來研究河谷應(yīng)力場的影響。黃潤秋等對(duì)錦屏、二灘、小灣、溪洛渡、瀑布溝、龍羊峽、拉西瓦、李家峽等大型水電站壩址區(qū)的河谷地應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)研究,發(fā)現(xiàn)可將壩區(qū)河谷應(yīng)力場從宏觀上劃分為3個(gè)帶和1個(gè)谷底高應(yīng)力區(qū),其中,應(yīng)力增高帶內(nèi)的應(yīng)力高低主要受巖性及斷裂構(gòu)造控制,谷底部位應(yīng)力受河谷形態(tài)控制。谷坡應(yīng)力釋放主要是通過“塑性破壞區(qū)”來實(shí)現(xiàn)。田玉中和李攀峰通過數(shù)值模擬等手段,研究了構(gòu)造應(yīng)力走向與河谷走向不同夾角的情況下的河谷地應(yīng)力場分布特征:當(dāng)區(qū)域主壓應(yīng)力的方向與河谷走向垂直(或大角度相交)時(shí),岸坡部位表現(xiàn)為明顯的應(yīng)力分異現(xiàn)象——應(yīng)力駝峰,河谷部位同樣也有明顯的應(yīng)力分異現(xiàn)象——應(yīng)力包;相反,與河谷走向(接近)平行的主應(yīng)力(尤其是傾角較緩)不易出現(xiàn)應(yīng)力分異現(xiàn)象。水壓致裂法是確定地應(yīng)力場的最主要的方法之一,適用于地形相對(duì)平坦地區(qū);然而,在河谷和岸坡地形起伏較大的地區(qū),由于卸荷作用岸坡近坡面處主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),此時(shí)水壓致裂法地應(yīng)力測量的一個(gè)很重要的假定,即當(dāng)鉆孔垂直時(shí)重力為一個(gè)主應(yīng)力的假設(shè)可能不滿足,其適用性如何尚未有一致結(jié)論。此外,現(xiàn)有研究成果初步認(rèn)為河谷區(qū)地應(yīng)力場存在3個(gè)分區(qū),即應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū),但應(yīng)力分區(qū)機(jī)制及各區(qū)之間出現(xiàn)的具體埋深缺乏系統(tǒng)科學(xué)的分析,有待開展進(jìn)一步的深入研究工作。鑒于此,本文通過對(duì)南水北調(diào)西線工程7個(gè)壩區(qū)的水壓致裂法地應(yīng)力測試結(jié)果的詳細(xì)分析,并基于三維有限差分?jǐn)?shù)值模擬技術(shù),對(duì)阿達(dá)壩址區(qū)的地應(yīng)力場進(jìn)行了反演,討論了水壓致裂法在河床和谷坡的適用性問題,并分析了阿達(dá)壩址區(qū)河床與谷坡的地應(yīng)力分布規(guī)律,從而為工程設(shè)計(jì)與施工提供可靠的地應(yīng)力依據(jù),研究成果對(duì)類似工程研究具有一定的借鑒意義。2工程地質(zhì)概況南水北調(diào)西線工程位于青藏高原東北部,從長江上游經(jīng)巴顏喀拉山輸水入黃河,是我國水資源優(yōu)化配置、解決北方地區(qū)缺水的一項(xiàng)戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施工程。經(jīng)多方案比選,初步選定雅礱江、大渡河5條支流的達(dá)曲–賈曲聯(lián)合自流線路調(diào)水40億m3為第一期工程;雅礱江干流阿達(dá)水庫輸水到黃河支流賈曲的自流線路,調(diào)水50億m3,為第二期工程。受黃河水利勘測設(shè)計(jì)有限公司委托,中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所共對(duì)西線一期工程的加塔、扎洛、申達(dá)、紀(jì)柯、阿安5座壩址和二期工程的阿達(dá)和博愛壩址進(jìn)行了現(xiàn)場地應(yīng)力試驗(yàn)。由于篇幅有限,本文僅對(duì)阿達(dá)壩區(qū)工程地質(zhì)條件進(jìn)行簡述,其余6個(gè)壩區(qū)工程地質(zhì)概況參見報(bào)告。阿達(dá)壩區(qū)壩段河谷為峽谷,高程為3443.2~3460.2m,相對(duì)高差600~1000m,兩岸臨河山頂高程一般為4000~4400m,山頂渾圓,屬中等~深切割高山峽谷區(qū)。壩址區(qū)河谷底寬70~150m,總體流向自北向南。岸坡自然坡度一般為30°~40°,發(fā)育I,II,III級(jí)階地。壩段基巖巖性為中細(xì)?；◢忛W長巖,壩段構(gòu)造不發(fā)育,未見較大規(guī)模斷層分布,主要的結(jié)構(gòu)面為節(jié)理裂隙。壩址區(qū)地層為燕山早期巖漿巖侵入三疊系侏倭組(T3zw)中形成的中酸性~酸性巖漿巖侵入體,侵入體周圍出露有三疊系上統(tǒng)侏倭組,此外還有第四系地層分布。第四系以沖積砂礫石為主,河床覆蓋層厚度0~20m,壩肩覆蓋層較薄,強(qiáng)弱風(fēng)化帶深度大約為50m。3地層水景地質(zhì)條件及水壓致裂地應(yīng)力分析與其他地應(yīng)力測試方法進(jìn)行比較,水壓致裂法突出的優(yōu)點(diǎn)是測量深部巖體地應(yīng)力。此外,該方法還具有以下優(yōu)點(diǎn):(1)不需要巖石彈性常數(shù)參與計(jì)算,可避免由彈性常數(shù)取值不準(zhǔn)確而引起的誤差;(2)巖壁受力范圍較廣(孔壁承壓段可長達(dá)1~2m),從而避免了“點(diǎn)”應(yīng)力狀態(tài)的局限性和地質(zhì)條件不均勻的影響;(3)操作簡易、測試周期短等。通過對(duì)南水北調(diào)西線工程區(qū)7個(gè)壩址孔現(xiàn)場水壓致裂地應(yīng)力測試結(jié)果(見表1)進(jìn)行回歸分析(見圖1),可以發(fā)現(xiàn),近地表區(qū)(河床約60m以上),受谷坡卸荷影響,屬于應(yīng)力釋放區(qū),巖體地應(yīng)力量值較低;遠(yuǎn)地表區(qū)(河床約60m以下),屬于應(yīng)力集中區(qū),巖體地應(yīng)力量值明顯增大。由于各壩段河床寬度為50~80m,初步認(rèn)為,河谷區(qū)地應(yīng)力場在1倍河床寬度深度范圍內(nèi)屬于應(yīng)力釋放區(qū),超過1倍河床寬度深度范圍則屬于應(yīng)力集中區(qū)。4模型回歸分析由于上述壩址區(qū)河床孔深度限制,使得現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù)有限,不能很好地揭示河谷區(qū)地應(yīng)力場的分區(qū)變化規(guī)律,尤其是應(yīng)力集中區(qū)下限深度的具體位置。本文以阿達(dá)壩址為工程背景,根據(jù)阿達(dá)壩址河床孔ZK4現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果,如表2所示,采用目前工程中常用的有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析方法來反演阿達(dá)壩址區(qū)初始地應(yīng)力場。此外,考慮到由于卸荷作用岸坡近坡面處主應(yīng)力方向會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn),此時(shí)水壓致裂法地應(yīng)力測量的一個(gè)很重要的假定,即當(dāng)鉆孔垂直時(shí)重力為一個(gè)主應(yīng)力的假設(shè)可能不滿足,故以河床孔ZK4現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行反演分析,將河床孔實(shí)測數(shù)據(jù)與反演結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析驗(yàn)證反演方法的實(shí)用性。同時(shí),將壩肩孔ZK3實(shí)測深度處對(duì)應(yīng)的計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果(見表2)進(jìn)行對(duì)比,分析卸荷作用引起岸坡主應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)的影響范圍,進(jìn)而討論水壓致裂法在谷坡的適用性。根據(jù)大地坐標(biāo)系與任意空間坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換公式,將表2中的實(shí)測值轉(zhuǎn)換為模型坐標(biāo)系下的應(yīng)力分量,如表3所示。表3中河床孔ZK4和壩肩孔ZK3均有應(yīng)力分量值τyz=τzx=0。4.1局部因素分析從表2可以看出,在測試深度范圍內(nèi),隨著測試深度的增加,阿達(dá)壩址河床孔ZK4最大水平主應(yīng)力值基本呈增大趨勢。值得指出的是,7#測點(diǎn)處由于存在原生裂隙,使得測試結(jié)果明顯偏低,數(shù)值反演分析時(shí)由于無法考慮該局部因素的影響,故實(shí)際反演過程中剔除該點(diǎn)數(shù)據(jù)。根據(jù)河床孔ZK4的地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果,統(tǒng)計(jì)大主應(yīng)力(最大水平主應(yīng)力)、中主應(yīng)力(最小水平主應(yīng)力)以及側(cè)壓系數(shù)與高程間的關(guān)系,如表2所示。其中側(cè)壓系數(shù)λ1,λ2分別為最大、最小水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值。4.2多元回歸方程有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析方法是將可能形成初始應(yīng)力場的因素(如自重,構(gòu)造作用等)作為待定因素,建立待定因素與實(shí)測資料之間的多元回歸方程,運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法,使殘差平方和達(dá)到最小,由此求得回歸方程中各自變量(待定因素)系數(shù)的唯一解,然后根據(jù)所求得的回歸方程,計(jì)算出整個(gè)區(qū)域的初始應(yīng)力場。4.3模型總體結(jié)構(gòu)根據(jù)場區(qū)地形圖及工程地質(zhì)勘察報(bào)告,建立壩址區(qū)模型實(shí)體及網(wǎng)格劃分,如圖2所示,模型尺寸為長×寬×高=1000m×2000m×1000m,圖2中的地層編號(hào)1~4與表4一致。計(jì)算模型以壩段內(nèi)河流方向?yàn)閥向,垂直于河流方向?yàn)閤向,垂直向上為z向。整個(gè)模型采用四、六面體單元,共791271個(gè)單元,481687個(gè)節(jié)點(diǎn)。巖體材料本構(gòu)模型采用彈性本構(gòu)模型,選用物理力學(xué)參數(shù)如表4所示。4.4主應(yīng)力的傾角圖3為壩址區(qū)地應(yīng)力場第一主應(yīng)力分布云圖。為了檢驗(yàn)?zāi)M結(jié)果的可靠性,將壩址區(qū)河床孔現(xiàn)場實(shí)測地應(yīng)力結(jié)果與對(duì)應(yīng)點(diǎn)位的數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,如表5所示。結(jié)果表明,除7#測點(diǎn)(鉆孔測試深度96.02m)的計(jì)算值與實(shí)測值相差較大外,其他各測點(diǎn)的誤差都較小(基本上都在20%以內(nèi));河床孔的第一、第二主應(yīng)力傾角近似水平,各測點(diǎn)的絕對(duì)值平均為3.5°;第三主應(yīng)力傾角的平均值為86.08°(近似于垂直方向);第一主應(yīng)力的方位角平均值為NE86.08°,與實(shí)測值NE79°吻合較好。因而本文采用的反演方法能較好地模擬壩址區(qū)的初始應(yīng)力場,同時(shí)也說明河谷的卸荷作用對(duì)谷底應(yīng)力場方向的影響較小,并且隨著埋深的增加,影響越來越小,第一、第二主應(yīng)力方向越來越趨于水平。7#測點(diǎn)的第一、第二主應(yīng)力的計(jì)算與實(shí)測值誤差較大的原因在于該測段所對(duì)應(yīng)巖體含原生裂隙,使得實(shí)測第一、第二主應(yīng)力值比臨近測段的主應(yīng)力值明顯偏低,而在數(shù)值反演時(shí)并不能考慮該局部因素的影響,因而使得計(jì)算與實(shí)測結(jié)果誤差較大。(4)整體上細(xì)研究點(diǎn)深度對(duì)應(yīng)的計(jì)算值分別對(duì)沿鉆孔ZK3和ZK4現(xiàn)場地應(yīng)力實(shí)測深度以下以30,20m為間距提取了計(jì)算值,實(shí)測深度范圍內(nèi)提取各測點(diǎn)深度對(duì)應(yīng)的計(jì)算值,匯總?cè)绫?所示。將提取的各計(jì)算點(diǎn)的第一主應(yīng)力值繪制曲線如圖6所示。第一主應(yīng)力沿垂直埋深的變化規(guī)律與其沿水平埋深類似,即第一主應(yīng)力在近岸坡表層巖體中量值隨深度增加較小,而在穿越風(fēng)化界線后快速上升并達(dá)到峰值,然后增加幅度變緩并逐漸趨于平穩(wěn)。此外,在同一深度,河床孔的第一主應(yīng)力值明顯高于壩肩孔。(5)層巖體應(yīng)力釋放及地應(yīng)力表現(xiàn)上述分析結(jié)果表明,阿達(dá)壩區(qū)深切河谷區(qū)地應(yīng)力場存在3個(gè)分區(qū)即應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū),岸坡地應(yīng)力場也存在上述3個(gè)分區(qū)。谷坡自坡面向里約100m及谷底60m深度范圍內(nèi),表層巖體受外界風(fēng)化、侵蝕作用以及應(yīng)力釋放的影響,第一主應(yīng)力值較低,屬地應(yīng)力釋放區(qū),圖2所示的河床孔ZK4的地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果也與之吻合得較好。在應(yīng)力釋放區(qū)深度以下,巖體地應(yīng)力值迅速增高,巖體中應(yīng)力集中顯著,為應(yīng)力集中區(qū)。當(dāng)谷底深度超過140m及谷坡水平深度超過200m后,第一主應(yīng)力沿高程及水平埋深變化較為平穩(wěn),屬于應(yīng)力穩(wěn)定區(qū),如圖6所示。本文計(jì)算得到的谷底應(yīng)力集中范圍在河床下60~140m范圍內(nèi),與白世偉和李光煜計(jì)算得到的二灘水電站應(yīng)力集中下限深度160m并不完全一致,顯然應(yīng)力集中帶的深度受巖體卸荷強(qiáng)弱程度和地形地貌的差異影響較大。5區(qū)地應(yīng)力場反演分析通過對(duì)南水北調(diào)西線工程7個(gè)壩址河床孔現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果和阿達(dá)壩址區(qū)地應(yīng)力場反演結(jié)果分析,可以初步得出如下結(jié)論:(1)南水北調(diào)西線工程7個(gè)壩址河床孔的現(xiàn)場水壓致裂地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)回歸分析結(jié)果表明,河谷區(qū)地應(yīng)力場約在1倍河床寬度(超過50m)深度范圍內(nèi)屬于應(yīng)力釋放區(qū),超過1倍河床寬度深度范圍則屬于應(yīng)力集中區(qū)。(2)阿達(dá)壩址壩肩孔的實(shí)測最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E15°,與河床孔底部最大水平主應(yīng)力方向NE79°相差64°,差值較大,反映出深切河谷地形地貌對(duì)巖體應(yīng)力方向的控制作用。(3)采用有限元數(shù)學(xué)模型回歸分析方法對(duì)阿達(dá)壩址區(qū)地應(yīng)力場進(jìn)行了反演分析,通過對(duì)比分析河床孔ZK4的反演結(jié)果與實(shí)測結(jié)果可知,地應(yīng)力大小和方向都吻合得較好,說明采用該方法來反演初始地應(yīng)力場是切實(shí)可行、簡單有效的,同時(shí)也說明河谷的卸荷作用對(duì)谷底應(yīng)力場方向的影響較小,采用水壓致裂法來確定河床區(qū)域的應(yīng)力場是可行、可靠的。通過對(duì)比分析壩肩孔ZK3的反演結(jié)果與實(shí)測結(jié)果可知,淺部谷坡的地應(yīng)力場受河谷卸荷作用影響較大,在該區(qū)域采用水壓致裂法確定地應(yīng)力場誤差可能會(huì)比較大。(4)阿達(dá)壩址區(qū)現(xiàn)場實(shí)測與數(shù)值模擬結(jié)果表明,不僅河谷區(qū)地應(yīng)力場存在3個(gè)分區(qū)即應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力集中區(qū)和應(yīng)力平穩(wěn)區(qū),岸坡地應(yīng)力場也存在上述3個(gè)分區(qū)。阿達(dá)壩址區(qū)谷底應(yīng)力集中范圍在河床下60~140m范圍內(nèi),超過140m深度范圍屬于應(yīng)力平穩(wěn)區(qū),岸坡自坡面向里深度超過200m范圍屬于應(yīng)力平穩(wěn)區(qū)。(5)深切河谷區(qū)應(yīng)力集中帶的深度受巖體卸荷強(qiáng)弱程度和地形地貌的差異影響較大。由于河谷在發(fā)育演化過程中的卸荷作用,使得岸坡在一定范圍內(nèi)的主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。為了驗(yàn)證水壓致裂法在岸坡的適用性,將表5中壩肩孔的計(jì)算值與實(shí)測值(見表2)進(jìn)行對(duì)比可知,壩肩孔第一、第二主應(yīng)力傾角離散較大,各測點(diǎn)的絕對(duì)值平均為20.89°,且第三主應(yīng)力傾角的平均值為58.59°,與水壓致裂法的假設(shè)條件相差較大,因此,淺部岸坡孔的地應(yīng)力場受河谷卸荷作用影響較大,第一主應(yīng)力傾角可達(dá)36.17°(略大于坡角32°),從而說明在該區(qū)域水壓致裂法來確定地應(yīng)力誤差可能會(huì)比較大。值得注意的是,隨著垂直埋深的增加,最大主應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)測值的相對(duì)誤差、最大、最小水平主應(yīng)力傾角總體上呈減小趨勢,因此,在較深的范圍內(nèi)，受卸荷影響作用較小時(shí)，此時(shí)水壓致裂法假設(shè)能夠滿足，則可以用來確定谷坡應(yīng)力場。通過對(duì)現(xiàn)場