錦屏一級水電站地應(yīng)力場反演模擬研究

錦屏一級水電站地應(yīng)力場反演模擬研究

1地貌特征對應(yīng)力試算的反演地壓力是水利水電工程的基本負(fù)荷之一，對項(xiàng)目的布局和設(shè)計(jì)，尤其是對開挖工程巖體的變形和穩(wěn)定性有重要影響。因此，對河谷內(nèi)巖體的地壓力研究是水利水電工程中的一個(gè)重要課題?，F(xiàn)場測試是目前工程中直接獲得巖體地應(yīng)力資料的惟一方法,但其存在諸如受經(jīng)費(fèi)限制、實(shí)測點(diǎn)數(shù)有限、受局部地質(zhì)構(gòu)造、地形、測試方法等的影響,測得數(shù)據(jù)很分散等缺點(diǎn),很難從實(shí)測數(shù)據(jù)中獲得整體地應(yīng)力場特征。一些研究者提出了利用少量測量資料擬合出一定范圍內(nèi)的全場地應(yīng)力分布的數(shù)值模擬方法,如地應(yīng)力回歸分析法、地應(yīng)力趨勢分析法、正交設(shè)計(jì)法、應(yīng)力試算法。地應(yīng)力回歸分析法和趨勢分析法的可靠性主要依賴于測點(diǎn)數(shù)量和精度,對地質(zhì)條件的反映不足;正交設(shè)計(jì)法是對描述河谷形成前小區(qū)域地應(yīng)力場的狀態(tài)參數(shù)K1、K2、T1、T2和地表形態(tài)參數(shù)D、D0,進(jìn)行科學(xué)安排與分析多因素試驗(yàn)的一種方法,前提是實(shí)測點(diǎn)數(shù)據(jù)不受或少受局部構(gòu)造、現(xiàn)今河谷形態(tài)等因素影響,能實(shí)際反映小區(qū)域地應(yīng)力;應(yīng)力試算法是在邊界施加一定的水平應(yīng)力或位移或速度,進(jìn)行試算,當(dāng)試算的結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)有較好吻合度時(shí),認(rèn)為此時(shí)的應(yīng)力場分布即為實(shí)際斜坡的應(yīng)力場。河谷區(qū)地應(yīng)力場是在區(qū)域地應(yīng)力的基礎(chǔ)上由于地表剝蝕、河流侵蝕等地質(zhì)作用或受河谷地形影響而形成的局部地應(yīng)力場,若只是據(jù)邊坡目前幾何形狀建立計(jì)算模型進(jìn)行應(yīng)力場數(shù)值模擬,則忽略了河床迅速下切過程中,側(cè)向及垂向卸荷作用對邊坡一定深度范圍內(nèi)應(yīng)力場的影響。這樣反演出的谷坡應(yīng)力場顯然與實(shí)際會有較大的差別,尤其是當(dāng)要研究與河谷下切過程相關(guān)的地質(zhì)問題時(shí),河谷下切過程的模擬必不可少。因此,人們在進(jìn)行錦屏深裂縫及其有關(guān)變形與穩(wěn)定性問題研究時(shí),都對樞紐區(qū)河谷進(jìn)行了河谷下切模擬。錦屏一級水電站為高地應(yīng)力區(qū),在水電可研、勘察及建設(shè)階段都遇到了諸多由高地應(yīng)力形成的獨(dú)特現(xiàn)象,為此,人們運(yùn)用ANSYS、、FLAC3D、UDEC、3DEC及其他有限元法等多種手段進(jìn)行了該區(qū)地應(yīng)力場的反演計(jì)算。然而,以往的反演計(jì)算,沒有進(jìn)行河谷下切模擬,或者對谷坡結(jié)構(gòu)的概化過于簡單,對錦屏河谷應(yīng)力場分布特征也沒有進(jìn)行系統(tǒng)地分析。因此,本文根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及前人研究成果,在分析壩址區(qū)工程地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上,概化復(fù)雜結(jié)構(gòu)谷坡,采用有限差分法模擬河谷演化發(fā)展,對照實(shí)測地應(yīng)力數(shù)據(jù),反演地應(yīng)力場,并對其特征進(jìn)行分析。采用應(yīng)力試算法進(jìn)行反演,其結(jié)果取決于以下幾個(gè)方面:(1)邊界施加應(yīng)力的量值和方式,包括采用何種邊界,如應(yīng)力邊界、速度邊界、位移邊界;何種加載方式,如先計(jì)算重力場,然后施加均勻的水平向應(yīng)力邊界或是速度、位移邊界,或是直接施加梯度邊界。對稱加載,還是一邊加載,一邊固定;一個(gè)方向加載還是兩個(gè)甚至三個(gè)方向加載。(2)谷坡結(jié)構(gòu)的概化,包括巖性、巖組結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造條件、風(fēng)化界限等。(3)河谷發(fā)育條件概化,包括河谷類型、形態(tài)、發(fā)育時(shí)間、階地高程、岸坡線演化等。本文對以上幾個(gè)方面將給出詳細(xì)介紹,并與前人的模擬過程進(jìn)行對比,并根據(jù)計(jì)算結(jié)果分析錦屏現(xiàn)今河谷應(yīng)力場特征。2地質(zhì)背景及結(jié)構(gòu)錦屏一級水電站位于四川省西南部雅礱江上游大河灣水文站至手爬溝河段之間的下游段,地處四川省木里縣和鹽源縣交界部位。該水電站設(shè)計(jì)壩高305m,正常蓄水位為1880m,裝機(jī)容量為3200MW,庫容為77億m3,是雅礱江流域規(guī)劃擬建的最大庫容水電站。大地構(gòu)造位置屬揚(yáng)子板塊西緣,青藏高原東部邊緣的川滇棱形斷塊中段東部的錦屏山斷裂東側(cè)。壩區(qū)主要結(jié)構(gòu)為三灘向斜、普斯羅溝背斜及4組斷層,左岸發(fā)育的斷層主要有f5、f8、f2。發(fā)育的結(jié)構(gòu)面可分為4組:層面N20o~35oE/NW∠30o~45o,控制邊坡穩(wěn)定性的2組節(jié)理,即N50o~70oE/SE∠50o~80o和N20o~40oE/SE∠60o~85o,以及1組不怎么發(fā)育的節(jié)理:N50o~70oW/NE。壩區(qū)河流流向N25oE,河道順直狹窄,兩岸山體雄厚,岸坡陡峻,為典型的高山峽谷地貌、深切V型河谷。左岸地層總體產(chǎn)狀N15o~30oE/NW∠30o~55o,反向坡,下陡上緩。由壩址從上游往下游1850~1900m高程線以下為三疊系雜谷腦組段大理巖出露坡段,坡度為55o~70o。1900m高程以上為變質(zhì)砂巖、粉沙質(zhì)板巖出露段岸坡,坡度為40o~50o。3模型的總結(jié)3.1模型的巖體結(jié)構(gòu)及模型本文選取與壩軸線相交的II1勘探剖面為研究對象,圖1為該勘探線的地質(zhì)剖面圖。由圖可見,該剖面中的地質(zhì)結(jié)構(gòu)面除了前面介紹的f5、f8、f2斷層外,還有f42-9,以及左右岸各有1條黃斑巖脈,右岸有f13、f14斷層。本文概化的模型涵蓋了以上所有斷層和黃斑巖脈,通過巖體質(zhì)量的調(diào)整,概化了強(qiáng)卸荷線、中卸荷線及弱卸荷線,模型涵蓋了左右岸。各巖體按圖1中各巖性的巖體質(zhì)量進(jìn)行設(shè)置,巖體質(zhì)量參數(shù)見表1,參數(shù)取值與文獻(xiàn)幾乎一致。如圖2所示為概化后的II1岸坡的模型圖,X軸為剖面方向,即S62°E方向,由左岸指向右岸,寬2833m;Y軸為高程方向,底板高程為750m,坡面最高高程為3022m,相對高差2272m。Z軸為河流方向,本次模型平行拉伸Z方向,構(gòu)成假三維模型,進(jìn)行三維應(yīng)力計(jì)算與分析。相比較而言,文獻(xiàn)中的模型采用對稱邊界簡化了右岸,且左岸只有f5斷層及中卸荷線。文獻(xiàn)中的模型缺少f42-9、f14以及2條黃斑巖脈,只有1條卸荷線;文獻(xiàn)中的模型左岸只有f9、f2斷層,右岸則有f13、f14斷層和2條黃斑巖脈,模型中考慮了層面;文獻(xiàn)未見有關(guān)斷層的描述,文獻(xiàn)模型的X方向與本文相同,而文獻(xiàn)模型中的X方向?yàn)檎龞|,Z軸方向?yàn)檎?y軸正向向上。3.2河谷下切模擬分析已有的地質(zhì)資料可知,該河段共有六級階地,離錦屏最近的階地高程為洼里階地,因此參照洼里階地的拔河高度,對II1剖面模型進(jìn)行階地高程設(shè)計(jì),分別為1980、1905、1805、1730、1690、1660m,如圖3所示。河谷發(fā)育過程,不僅僅對應(yīng)著階地高程,還有岸坡線的演化,這個(gè)演化完全是一個(gè)黑箱操作,因此只能進(jìn)行一些推測。本文平移現(xiàn)今河谷岸坡線至VI級階地高程,作為初始岸坡線,下切過程中的岸坡線退化速度,與各階地下切速度和經(jīng)歷時(shí)間成正比,最后設(shè)計(jì)結(jié)果見圖3。另外,下切過程中岸坡巖體的風(fēng)化線演進(jìn),也是一個(gè)黑箱過程,本文設(shè)計(jì)的過程見表2。表中,各數(shù)字代表著相應(yīng)的組,共有57組,阿拉伯?dāng)?shù)字對應(yīng)圖3中的材料編號。各組位置見圖3,圖中,阿拉伯?dāng)?shù)字為模型材料編號。相比較而言,文獻(xiàn)均未進(jìn)行河谷下切模擬。文獻(xiàn)進(jìn)行了河谷演化,先設(shè)計(jì)成平坦地質(zhì)體,然后進(jìn)行四級階地演化,卸荷過程中巖體強(qiáng)度變化規(guī)律采用Mohr-Coulomb模型雙線性應(yīng)變軟化遍布節(jié)理模型來實(shí)現(xiàn)。4重力場模擬4.1模型構(gòu)建基本結(jié)論本文采用應(yīng)力試算法,且前人研究已得出結(jié)論,認(rèn)為錦屏構(gòu)造應(yīng)力背景值在7~12MPa之間,這為本文的試算工作節(jié)省很多時(shí)間。采用VI級階地模型時(shí),先用重力加速度算出重力場,再在邊界上施加恰當(dāng)?shù)木妓綐?gòu)造應(yīng)力,然后進(jìn)行河谷下切演化,得到現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場。由于控制河谷地區(qū)基本構(gòu)造格局的構(gòu)造運(yùn)動發(fā)生在燕山期或更早,河流發(fā)育在晚第三紀(jì)才開始,因此認(rèn)為河谷發(fā)育期間,基本構(gòu)造應(yīng)力場保持不變,即整個(gè)下切過程中,施加邊界的水平構(gòu)造應(yīng)力不變。另外,當(dāng)河谷走向與區(qū)域地應(yīng)力場中最大主壓應(yīng)力方位的銳角越大時(shí),它對河谷地應(yīng)力場分布的影響越大。這種影響在應(yīng)力試算法的數(shù)值模擬中如何體現(xiàn)?當(dāng)模型邊界與最大主壓方向不一致時(shí),在某一邊界上施加的應(yīng)力,可看作是水平構(gòu)造應(yīng)力的綜合體現(xiàn),但不是構(gòu)造應(yīng)力背景值。這里要提出的問題是,本文模型的X方向與區(qū)域主壓方向一致,即與最大主應(yīng)力方向一致,若只是在X方向施加構(gòu)造應(yīng)力,那么第二與第三主應(yīng)力受構(gòu)造應(yīng)力的影響如何體現(xiàn)?通常的應(yīng)力試算法,都只是在某一方向施加水平應(yīng)力,如文獻(xiàn)均是在X邊界上施加8MPa的構(gòu)造應(yīng)力背景值。當(dāng)筆者采用在X邊界上對稱施加12MPa(施加在VI級階地模型的邊界上,其他邊界為固定邊界)的構(gòu)造背景應(yīng)力值進(jìn)行河谷下切演化時(shí),發(fā)現(xiàn)此種邊界條件下的現(xiàn)今河谷應(yīng)力場只有最大主應(yīng)力值與實(shí)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)相近,而第二、三主應(yīng)力值均非常小?？梢?當(dāng)數(shù)值模型邊界與區(qū)域主壓方向一致時(shí),只施加一個(gè)方向的邊界應(yīng)力,不足以很好地?cái)M合真實(shí)的應(yīng)力場。文獻(xiàn)采用有限元回歸分析法,經(jīng)多次還原計(jì)算最終得到有限元模型中各節(jié)點(diǎn)的初始應(yīng)力值。正如前述,該方法的準(zhǔn)確性取決于測點(diǎn)數(shù)據(jù)的精度和個(gè)數(shù),而且最后得到的是一個(gè)統(tǒng)一的回歸方程。但是,對于谷坡應(yīng)力場,不同位置,其應(yīng)力場分布特征不一樣,不可能用一個(gè)式子就能對其進(jìn)行概括,因此認(rèn)為該方法適合用于地形平坦,巖性較為均一的區(qū)域。文獻(xiàn)的初始模型為一平坦地面模型,通過一定的計(jì)算方法,得出各坐標(biāo)方向上應(yīng)力隨深度變化的規(guī)律,見式(1)。將該分布規(guī)律初始化到初始模型中,采用速度約束邊界,對其進(jìn)行河谷下切演化,得到現(xiàn)今河谷應(yīng)力場。該文給出的初始應(yīng)力分布規(guī)律與朱煥春等提出的采用正交法得到的初始應(yīng)力分布規(guī)律,見式(2)。式中:T1、T2、K1、K2為常數(shù);為巖石密度。相類似,所不同的是式(2)中的豎向應(yīng)力只是重力,不受構(gòu)造應(yīng)力的影響,而且水平向應(yīng)力總是為最大、最小主應(yīng)力,因此是一種潛在走滑型應(yīng)力場。但豎直應(yīng)力在多數(shù)情況下為最小主應(yīng)力,在少數(shù)情況下為中間主應(yīng)力,只有個(gè)別情況下為最大主應(yīng)力。而式(1)中的豎向應(yīng)力,即Y方向應(yīng)力,不僅僅是重力,也受構(gòu)造應(yīng)力的影響,這與黃潤秋等提出的‘歐亞大陸板塊垂直應(yīng)力隨深度增加梯度大于由巖石重度所確定的增加梯度’相一致。筆者認(rèn)為文獻(xiàn)中初始應(yīng)力的賦值更為合理。綜上,結(jié)合錦屏條件及本模型的構(gòu)建情況,經(jīng)多次試算后確定,在X方向?qū)ΨQ施加12MPa邊界應(yīng)力,Z方向?qū)ΨQ施加8MPa邊界應(yīng)力,Y方向底部采用固定邊界。此種條件下得到的河谷現(xiàn)今應(yīng)力場與實(shí)測值最為接近。4.2應(yīng)力包與實(shí)測值比較II1勘探線前后有較多的地應(yīng)力實(shí)測點(diǎn),圖4為谷底鉆孔P122、P123、P124測點(diǎn)數(shù)據(jù)的最大水平應(yīng)力分布圖,各鉆孔相對位置見圖1。由圖4可見,谷底應(yīng)力包范圍為河床下80~145m,約1580~1485m高程,最大水平應(yīng)力為22~37MPa,且應(yīng)力包偏向于右岸。與鉆孔P122、P123、P124相對應(yīng)位置處,截取了相應(yīng)的數(shù)值模擬結(jié)果,即最大主應(yīng)力隨深度變化曲線。以25MPa進(jìn)行谷底“應(yīng)力包”劃定,以內(nèi)部應(yīng)力變化斜率突變點(diǎn)為最深深度,各自的應(yīng)力包范圍分別為1578~1490m,1572~1489m,1578~1500m,這與實(shí)測值非常一致。圖5為P123位置處的分布圖及相應(yīng)的測壓力系數(shù)隨深度變化曲線圖。從圖中曲線可以看出,模擬的應(yīng)力包量值顯然比實(shí)測值大,這是因?yàn)樵诤庸鹊撞坑捎诘匦斡绊?導(dǎo)致構(gòu)建數(shù)值模型時(shí),產(chǎn)生一些畸形單元,這些單元會產(chǎn)生非常大的應(yīng)力,可達(dá)上百M(fèi)Pa,如圖6中藍(lán)色的十字應(yīng)力標(biāo),因此,FLAC3D軟件在進(jìn)行中間的插點(diǎn)計(jì)算時(shí),這些畸形點(diǎn)周圍的應(yīng)力會顯著增大,如圖7的最大主應(yīng)力云圖,其最大值可達(dá)52MPa。圖6為各單元的應(yīng)力標(biāo)量圖,為各個(gè)單元獨(dú)立計(jì)算后顯示的主應(yīng)力,從圖中可看出,排除極個(gè)別點(diǎn)后,應(yīng)力包范圍內(nèi)的單元,最大主應(yīng)力值范圍為30~39MPa,比實(shí)測值偏大10%~30%,屬可接受范圍。本文所計(jì)算的河谷應(yīng)力包與文獻(xiàn)計(jì)算的結(jié)力包,其最大主應(yīng)力近水平,在25~35MPa之間,應(yīng)力包內(nèi)及上部分布有應(yīng)力值特別大的單元。表3為左右岸實(shí)測點(diǎn)應(yīng)力數(shù)據(jù)對比表,各編號位置見圖中相應(yīng)點(diǎn)所示。從表中可見,各測點(diǎn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù),最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力十分接近,但是最小主應(yīng)力差別較大。最小主應(yīng)力之所以差別較大,筆者認(rèn)為與泊松比的取值有關(guān)。計(jì)算過程中采用的是報(bào)告中按巖體質(zhì)量等級給出的參數(shù),尤其是對位置較深部位的巖體,應(yīng)按巖石參數(shù)進(jìn)行取值計(jì)算,其結(jié)果或許更為合理。5應(yīng)力功能區(qū)監(jiān)測總體表現(xiàn)如下特征(在FLAC3D軟件中,以壓為負(fù),以拉為正,因此,在文中所有從該軟件中得到的截圖,即圖6~8均是以壓為負(fù),以拉為正)。(1)應(yīng)力分異現(xiàn)象顯著,且分異帶寬度較寬,或者說是由坡表逐漸向內(nèi)過渡,很難明確劃分其范圍(圖6、8)。在該范圍內(nèi),主應(yīng)力方向發(fā)生偏轉(zhuǎn),越接近坡表,最大主應(yīng)力越平行于坡面,最小主應(yīng)力則越垂直于坡面。按照最大主應(yīng)力與坡面的方向關(guān)系,將最大主應(yīng)力與坡面基本平行的區(qū)域圈定為應(yīng)力分異強(qiáng)烈?guī)?見圖8)。顯然左右岸不對稱,左岸受傾坡外的f42-9斷層和黃斑巖脈影響,應(yīng)力分異強(qiáng)烈?guī)У纳疃蕊@著加深。(2)應(yīng)力集中區(qū)主要表現(xiàn)為坡腳、谷底的集中區(qū),谷底應(yīng)力包量值在30~39MPa,略偏向于右側(cè)(見圖6、7),最大剪應(yīng)力則達(dá)20.7MPa。(3)應(yīng)力分區(qū)(降低區(qū)、增高區(qū)、平穩(wěn)區(qū))現(xiàn)象較復(fù)雜,且左右岸情況不一致。模型中設(shè)置了1620、1700、1750、1800、1870、1950m高程的左右岸監(jiān)測線,具體位置見圖1。從這些監(jiān)測線的水平深度與最大主應(yīng)力關(guān)系曲線圖上看,左右岸應(yīng)力分布不對稱,左岸比右岸復(fù)雜。的水平深度與最大主應(yīng)力關(guān)系曲線圖上看,左右岸應(yīng)力分布不對稱,左岸比右岸復(fù)雜。右岸1750~1950m間的應(yīng)力分布具有相似特征,如圖9(a)為右岸1800m監(jiān)測線上最大主應(yīng)力與水平深度間的關(guān)系曲線,從圖中可知,應(yīng)力降低區(qū)與中卸荷線深度一致,水平深度約40m。應(yīng)力增高區(qū)深度約為280~610m之間,最大主應(yīng)力值達(dá)到最大,且變化平緩。在降低區(qū)與增高區(qū)之間有一個(gè)過渡區(qū),區(qū)內(nèi),最大主應(yīng)力隨深度增加呈線性增大。應(yīng)力增高區(qū)以內(nèi)則為原巖應(yīng)力區(qū)。1750m以下應(yīng)力增高區(qū)的深度變淺,其寬度迅速減小并逐漸消失,如1700m監(jiān)測線上的應(yīng)力增高區(qū)范圍為225~300m,過渡區(qū)內(nèi)應(yīng)力分布受f13、f14影響,波狀起伏,而1620m監(jiān)測線的最大主應(yīng)力分布,受谷底