陳佳

(四川農(nóng)業(yè)大學城鄉(xiāng)建設學院，四川都江堰 611830)

0 引言

地殼巖體中的應力狀態(tài)與人類工程活動的關系極大，它不僅是決定區(qū)域穩(wěn)定性和巖體穩(wěn)定性的重要因素，而且往往對各類建筑物設計和施工造成直接的影響。因此，地應力場研究也就成為大型工程建設中的一項重要課題。

在大型水電站工程中，針對壩址區(qū)巖體初始地應力場的反演已做了大量研究，方法已經(jīng)成熟，而針對壩區(qū)河谷初始地應力場反演影響因素分析的并不多，本文以某水電工程為實例，結(jié)合三維數(shù)值模擬，分析河谷在下切過程中受斷層、錯動帶以及側(cè)向剝蝕等因素的影響地應力變化研究。

1 工程實例

某水電站位于金沙江上，河谷呈不對稱的“V”字形，兩岸為單斜山，左岸谷肩以上為斜坡地形，斜坡沿巖流層層面發(fā)育，傾向SE，傾角15°左右，谷肩以下為臨江陡壁地形，陡壁間有2級～3級緩坡臺地相連;右岸谷肩以上為緩坡地形，巖層傾向SE，傾角10°～15°，近谷肩附近覆蓋層厚度5 m～10 m。谷肩以下為陡壁地形，岸坡高陡，間有狹窄的緩坡臺階。此段河流總體流向為由南向北流。

通過對實測地應力資料的分析整理，研究區(qū)地應力場實測應力場以NE向為主。在臨空面附近的斜坡巖體中，實測最大主應力量值在5 MPa以內(nèi)，方位角與河流向近于平行，傾角基本上與坡面近于平行，最小主應力方位角與河流向則近于垂直，傾角與坡面也近于垂直;最大、最小主應力從邊坡表面向坡內(nèi)隨深度增大而增大，在斷層穿越帶應力產(chǎn)生分異，整體上以壓應力為主;由于研究區(qū)范圍較大，為了分析更準確，計算結(jié)果更接近實際值［1］。

2 三維有限元模型

現(xiàn)今河谷應力場主要是在區(qū)域應力場背景下，由于河谷下切、巖體卸荷導致一定范圍內(nèi)谷底、谷坡應力場調(diào)整所致。在建模過程中對模型概化作如下考慮［2］:

1)巖流層。

由于模型選取的范圍大，為了便于模型的建立與計算，模型中沒有具體區(qū)別不同類型的玄武巖和角礫熔巖，而將其作為同一種材料。

2)結(jié)構面。

為了突出重點，模型中僅考慮了錯動較為強烈的F17，F(xiàn)14，F(xiàn)16，F(xiàn)19，F(xiàn)20，C2，C3。

3)地形。

考慮到研究區(qū)河谷應力場主要受河谷形狀的影響，故建模時只考慮河谷的整體形態(tài)及右岸的深溝，而忽略了兩岸邊坡的微地形。

4)階地。

研究區(qū)金沙江河谷在壩址區(qū)段經(jīng)過了寬谷期和峽谷期兩個過程，一共經(jīng)過了五次快速下切，才形成目前河谷形態(tài)。在進行數(shù)值模擬計算時，寬谷期考慮為一次形成，而峽谷期則為四次下切形成。

5)計算模型。

模型X軸正方向?qū)乩碜鴺说恼龞|向(垂直金沙江)，Y軸正方向?qū)乩碜鴺说恼毕?金沙江流向)，Z軸正方向?qū)乩碜鴺素Q直向上。模型中全部采用八節(jié)點四面體單元，總單元數(shù)為502 765個，節(jié)點數(shù)為695 726個(見圖1，圖2)。

圖1 初始網(wǎng)格模型

圖2 研究區(qū)壩址區(qū)網(wǎng)格模型

前人研究表明，該水電站區(qū)域構造應力場的量級為8 MPa～12 MPa，方向為NE向。而我們對研究區(qū)地應力實測資料的統(tǒng)計分析的結(jié)果表明，廠房區(qū)地應力實測結(jié)果，深部最大主應力方向為N30°～80°E，量級在19 MPa～22 MPa之間;最小主應力方向為N64°～73°W，量級為6 MPa～9 MPa。因此，構造應力應沿N30°～80°E方向施加。在FLAC3D計算過程中，將該構造力分解為X方向的力、Y方向的力以及τxy，τxz，τyz施加到各個單元的節(jié)點上。

3 影響因素應力規(guī)律分析

計算后，從所篩選的兩岸岸坡及地下廠房應力進行擬合，量值上，此次擬合計算70%模擬應力值相對誤差小于20%，其中30%的模擬值相對誤差達到40%左右。方向上，方位角走向基本一致。中間主應力及最小主應力傾角均擬合較好，低高程擬合效果較高。因此，計算結(jié)果具有一定的真實性，可以為下面影響因素分析提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

3.1 斷層及錯動帶的影響分析

模型中考慮了斷層F17，F(xiàn)14，F(xiàn)16，F(xiàn)19，F(xiàn)20和層間錯動帶C2，C3。河谷應力場反演分析提取出來的數(shù)據(jù)表明，斷層及錯動帶附近地應力都發(fā)生突變。

根據(jù)模擬結(jié)果提取出來的數(shù)據(jù)可知，研究區(qū)斷層及錯動帶對地應力的影響可歸納為如下幾點:

1)C2對地應力有放大作用，影響范圍約為100 m。如圖3～圖5所示，在C2通過的高程，影響范圍內(nèi)巖體的應力增大，增大量值約1 MPa～3 MPa，影響范圍外的左右兩側(cè)應力大小相等;

2)C3與C2不同，對附近巖體應力的影響則是先放大然后縮小。由圖6～圖8可以看出，C3上盤應力值明顯大于下盤應力值，且上下盤應力量值差約為4 MPa。在C3的上盤應力值明顯增大，但當過渡到下盤時應力值又突然減小;

圖3 勘Ⅰ1線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

3)F17，F(xiàn)19，F(xiàn)16附近巖體應力降低，如圖4，圖7所示。F14，F(xiàn)20對巖體應力影響不大，主要表現(xiàn)在F14，F(xiàn)20通過的地方巖體應力略有下降但不是很明顯，如圖3所示。

圖4 勘Ⅰ4線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

圖5 勘Ⅰ2線左岸680 m高程斷層附近σ1變化

圖6 勘Ⅰ1線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖7 勘Ⅰ2線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖8 勘Ⅸ2線左岸780 m高程斷層附近σ1變化

圖9 勘Ⅰ1線左岸780 m高程σ1變化曲線

圖10 勘Ⅸ2線左岸780 m高程σ1變化曲線

3.2 側(cè)向剝蝕的影響分析

側(cè)向剝蝕主要影響左岸應力分布，而對右岸應力分布的影響不是很明顯。在河谷應力反演過程中，根據(jù)追蹤線上的應力可以看出，第一階段、第二階段的寬谷河床巖體應力變化規(guī)律基本上相同，在這兩個階段研究區(qū)巖體主要受垂向剝蝕的影響，從第三階段峽谷初期開始到第五階段風化卸荷期，這三個階段的應力變化規(guī)律基本上相同，研究區(qū)巖體在這三個階段主要受側(cè)向剝蝕的影響，巖體應力的這兩次較大變化，主要體現(xiàn)在受層間錯動帶C3影響的地方，如圖9～圖12均受C3影響，在第一、二階段受C3影響范圍內(nèi)的巖體在C3上盤巖體應力值明顯減小，C3下盤巖體應力值明顯增大，第三、四、五階段C3附近巖體應力變化剛好與前兩個階段相反，即在C3的上盤則表現(xiàn)為巖體應力值明顯增大，而C3下盤則表現(xiàn)為巖體應力值明顯減小。

圖11 勘Ⅸ2線左岸720 m高程σ1變化曲線

圖12 勘Ⅰ2線左岸780 m高程σ1變化曲線

4 結(jié)語

1)在斷層、斷層與斷層及斷層與層間錯動帶交錯部位巖體應力明顯減小，在層間錯動帶C2上巖體應力值明顯增大，在層間錯動帶C3上盤巖體應力值增大，C3下盤巖體應力值減小，且在斷層及層間錯動帶發(fā)育的部位最大主應力的方向表現(xiàn)為平行結(jié)構面。側(cè)向剝蝕主要影響左岸應力分布，而對右岸應力分布的影響不是很明顯。

2)影響地應力的因素有很多，除上述兩種外，風化剝蝕、地形地貌對地應力的影響也很大。

［1］ 李攀峰.金沙江溪洛渡水電站壩區(qū)地應力場及地下洞室群圍巖穩(wěn)定性數(shù)值模擬［D］.成都:成都理工學院碩士學位論文，2001.

［2］ 柴賀軍，劉浩吾，王明華.大型電站壩區(qū)應力場三維彈塑性有限元模擬與擬合［J］.巖石力學與工程學報，2002，21(9): 1314-1318.

［3］ 張建國，張強勇.大崗山水電站壩區(qū)初始地應力場反演分析［J］.巖土力學，2009，30(10):3071-3078.

［4］ 董蘭鳳，陳萬業(yè).拉西瓦水電站峽谷地應力場特征研究［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(sup):2544-2547.