崔建凱，沈軍輝，陳春文

（1.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，成都 610017；2.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，成都 610059；3.中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，成都 610072）

長(zhǎng)河壩水電站為大渡河干流梯級(jí)開發(fā)的第10級(jí)大型電站，工程區(qū)位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，壩址位于大渡河支流金湯河口下游約5～6 k m河段，壩型為心墻堆石壩，最大壩高240 m，裝機(jī)容量2 600 MW。

在該項(xiàng)目勘測(cè)過程中出現(xiàn)了諸如河床鉆孔巖芯餅裂、平硐深部片幫等高地應(yīng)力現(xiàn)象，同時(shí)在地表測(cè)繪過程中發(fā)現(xiàn)壩址區(qū)發(fā)育F0、f20及f24等對(duì)邊坡起控制作用的長(zhǎng)大斷層。為全面把握壩址區(qū)地應(yīng)力形成及分布特征，對(duì)壩址區(qū)應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行深入的研究，本文根據(jù)壩址區(qū)水壓致裂法及孔徑變形法地應(yīng)力測(cè)試成果，通過模擬河谷的下切形成過程來(lái)獲得深切河谷應(yīng)力場(chǎng)分布的一般特征及斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 壩區(qū)工程地質(zhì)條件

工程區(qū)位于青藏?cái)鄩K東部邊緣地帶，處于由N W向鮮水河構(gòu)造帶、SN向川滇構(gòu)造帶、NE向龍門山構(gòu)造帶構(gòu)成的“Y”形構(gòu)造交接部位之北；地貌上處于川西北丘狀高原東南緣向四川盆地過渡地帶；喜馬拉雅期應(yīng)力場(chǎng)為EW～NWW向擠壓，新構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)為大面積間歇性強(qiáng)烈抬升背景下的斷塊差異升降和走滑，區(qū)域河谷地貌表現(xiàn)為三級(jí)夷平面、六級(jí)河谷階地；工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度。

壩址區(qū)大渡河呈一向東凸的河灣，河谷呈較寬的“V”形谷，左岸斜坡坡度為50°～55°，右岸為45°～50°。壩址區(qū)巖體為晉寧－澄江期的花崗巖（γ2（4））和（石英）閃長(zhǎng)巖（δ02（3）），壩肩一帶斷層多呈NE向，主要有F0、f20及f24等，壩址下游則以N W向?yàn)橹鳎▓D1）。

圖1 壩址區(qū)地質(zhì)簡(jiǎn)圖

2 壩址區(qū)應(yīng)力測(cè)試成果分析

中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院采用水壓致裂法對(duì)河床鉆孔SZK02進(jìn)行了9段地應(yīng)力測(cè)試（表1），同時(shí)采用孔徑變形法在壩址區(qū)左岸XPD10及右岸XPD01平硐進(jìn)行了6處地應(yīng)力測(cè)試（表2），由水壓致裂法及孔徑變形法地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果表可以看出地應(yīng)力有如下特征：

（1）因壩址區(qū)地處現(xiàn)代活動(dòng)構(gòu)造帶交接部位附近，構(gòu)造應(yīng)力相對(duì)較大；加之花崗巖、石英閃長(zhǎng)巖強(qiáng)度高，有利于彈性應(yīng)變能的積聚，故壩址區(qū)屬中高地應(yīng)力區(qū)。斜坡實(shí)測(cè)應(yīng)力最大可達(dá)31.96 MPa。

（2）兩種方法所測(cè)得最大主應(yīng)力方向近于一致，主要為N WW～E W向，與喜山運(yùn)動(dòng)晚期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)相似。但在斜坡淺表部位，水平深度小于360 m處，最大主應(yīng)力σ1以NN W～N W向?yàn)橹?，反映了水平埋深小?60 m的斜坡淺部地應(yīng)力場(chǎng)受斜坡重力場(chǎng)疊加的影響。

表1 SZK02鉆孔水壓致裂法應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

（3）斜坡水平深度大于360 m處，最大主應(yīng)力軸傾角均小于21°，表明地應(yīng)力場(chǎng)以近水平向?yàn)橹?，中間主應(yīng)力軸傾角大于60°，屬潛在走滑型應(yīng)力狀態(tài)。斜坡淺部受重力場(chǎng)的疊加，最大主應(yīng)力向平行于岸坡方向偏轉(zhuǎn)，如右岸水平深度250 m的XPD01–1測(cè)點(diǎn)，σ1方向偏為N42°W，傾角達(dá)68°。

（4）河谷部位基巖頂板以下62.28 m出現(xiàn)應(yīng)力峰值，最大水平應(yīng)力達(dá)23.56 MPa，最小水平應(yīng)力為12.48 MPa，該段為河谷應(yīng)力集中帶，與餅狀巖芯出現(xiàn)深度大體一致。

分析表明，壩址區(qū)斜坡應(yīng)力場(chǎng)是構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與自重應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果，應(yīng)力場(chǎng)受河谷地貌影響較大，最大主壓應(yīng)力呈NWW向，屬潛在走滑型，繼承了喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)晚期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的總體特征，也表明壩址區(qū)受構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響較大。

為了更全面地把握壩址區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布特征，根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果，采用三維數(shù)值模擬方法對(duì)壩址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的空間分布規(guī)律進(jìn)行更深入的研究。

表2 長(zhǎng)河壩水電站孔徑變形法地應(yīng)力測(cè)試成果

3 壩址區(qū)應(yīng)力場(chǎng)三維數(shù)值模擬

3.1 計(jì)算模型及計(jì)算方案

根據(jù)長(zhǎng)河壩區(qū)域地貌演化特征，區(qū)內(nèi)新構(gòu)造活動(dòng)表現(xiàn)為間歇性抬升，發(fā)育有三級(jí)夷平面（一級(jí)夷平面的高程4 500 m，二級(jí)夷平面高程4 100 m，三級(jí)夷平面的高程3 500 m）及六級(jí)河谷階地。為了簡(jiǎn)化計(jì)算過程，將模型分六步開挖，分別為二級(jí)夷平面、三級(jí)夷平面、T6級(jí)階地、T4級(jí)階地、T2級(jí)階地及現(xiàn)河谷地貌六次開挖。

為了消除或減小模型邊界效應(yīng)的影響，模型上、下游邊界大體與河流走向垂直，模型垂直河谷方向?qū)?6 000 m，順河谷方向長(zhǎng)6 000 m，高4 600 m。計(jì)算模型中考慮了對(duì)邊坡起控制作用的F0、f20、f24斷層，斷層的建模按其產(chǎn)狀及延伸長(zhǎng)度用實(shí)體單元來(lái)考慮（圖2）。

3.2 模型邊界條件及力學(xué)參數(shù)

模型側(cè)邊界施加梯形荷載，三角形部分為側(cè)向自重應(yīng)力，矩形部分為構(gòu)造應(yīng)力（根據(jù)應(yīng)力測(cè)試成果，經(jīng)反復(fù)試算確定為2 MPa），其余邊界采用單向約束方式，谷坡表面為自由表面。

根據(jù)中國(guó)水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提供的巖體力學(xué)參數(shù)資料，結(jié)合工程地質(zhì)類比，確定的有限元模型計(jì)算中介質(zhì)參數(shù)如表3所示。

圖2 計(jì)算模型

表3 模型巖體力學(xué)參數(shù)

計(jì)算采用FLAC－3D（version3.0）程序，模型對(duì)斷層及下切（開挖）區(qū)域進(jìn)行了加密處理，模型共劃分808 223個(gè)單元，142 337個(gè)節(jié)點(diǎn)。

3.3 地應(yīng)力場(chǎng)形成演化過程分析

（1）初始階段

初始狀態(tài)模型頂面是一級(jí)夷平面，其高程約4 600 m。其最大主應(yīng)力的分布如圖3所示。

圖3 初始階段σ1云圖

整個(gè)模型區(qū)域范圍內(nèi)的應(yīng)力分布比較均勻，類似半無(wú)限空間的應(yīng)力分布特征，在頂部有一定厚度的各向同性層。在模型的斷層處有一定的應(yīng)力集中。最大主應(yīng)力力量值總體上隨深度的增大而增大，模型底部（即4 600 m深處）最小主應(yīng)力量值96.76 MPa，最大主應(yīng)力量值240.66 MPa。

（2）區(qū)域性侵蝕階段

區(qū)域性侵蝕包括形成二級(jí)夷平面和三級(jí)夷平面兩個(gè)階段，對(duì)應(yīng)為第一步開挖和第二步開挖，其中第一步開挖至4 100 m高程，第二步開挖至3 500 m高程。剝掉厚度分別為400 m和600 m，剝蝕后的應(yīng)力分布其變化主要表現(xiàn)在各部位垂直應(yīng)力有所降低，表面的最大主應(yīng)力偏轉(zhuǎn)，與表面平行，此外，由于卸荷作用，夷平面表面最小主應(yīng)力局部變?yōu)槔瓚?yīng)力（圖4）。

圖4 區(qū)域性侵蝕階段σ1云圖

（3）河谷下蝕階段

河流下蝕的整個(gè)地質(zhì)過程由計(jì)算模型的第三步至第六步下切開挖來(lái)模擬。第六步開挖完成后，現(xiàn)今河谷地貌形成，主應(yīng)力方向在近坡面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，且其量值隨著埋深的增加而增大（圖5）。最大主應(yīng)力在河谷谷底部位較為集中，形成明顯的高應(yīng)力包（圖6），其量值一般可達(dá)27～35 MPa。

圖5 河谷形成后σ1云圖

圖6 A－A＇剖面σ1 云圖

3.4 斷層對(duì)應(yīng)力場(chǎng)的影響分析

數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，f20、f24、F0等長(zhǎng)大斷層對(duì)河谷應(yīng)力場(chǎng)的分布影響較明顯。

圖7 f20斷層附近σ1變化規(guī)律

（1）f20斷層

根據(jù)σ1隨坡體水平深度的變化曲線（圖7）可以看出斷層上盤（從坡面到f20段）的應(yīng)力量值明顯小于下盤（f20斷層向坡體內(nèi)部段），上下盤應(yīng)力差值約6 MPa。在斷層上盤側(cè)應(yīng)力量值明顯減小，但當(dāng)過渡到下盤時(shí)應(yīng)力又顯著增大，并且出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中。根據(jù)圖8，在斜坡淺部最大主應(yīng)力跡線近于平行坡面，在接近斷層帶附近主應(yīng)力跡線發(fā)生較大偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度達(dá)35°～45°。通過斷層影響帶以后，應(yīng)力方向又與坡面近于平行，表現(xiàn)出斜坡淺表部應(yīng)力特征。

（2）F0斷層

對(duì)于F0斷層，表現(xiàn)出與f20斷層截然不同的特征。斷層的存在對(duì)于最大主應(yīng)力的分布基本沒有影響，但是最小主應(yīng)力卻在斷層帶產(chǎn)生明顯的集中（圖9），量值達(dá)7.4 MPa，并且斷層上盤比下盤的應(yīng)力量值高出3～4 MPa。從圖10可以看出，F(xiàn)0斷層附近應(yīng)力跡線發(fā)生微小偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度約10°～15°。

圖8 f20斷層附近主應(yīng)力矢量圖

圖9 F0斷層附近σ3變化規(guī)律

圖10 F0斷層附近主應(yīng)力矢量圖

根據(jù)上述分析，可得到以下認(rèn)識(shí)：

（1）對(duì)于f20和F0斷層附近應(yīng)力的分布差異主要是由于斷層的空間性質(zhì)所引起，f20是與邊坡斜交的順坡斷層，因此其對(duì)σ1的影響較大。而F0反傾坡內(nèi)，且走向與斜坡走向近于一致，所以其對(duì)σ3影響較大。

（2）在斷層附近，應(yīng)力方位發(fā)生轉(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)角度從十幾度到四十多度。斷層造成地應(yīng)力局部分區(qū)的界面，斷層的上盤和下盤的應(yīng)力量值有明顯差別。

4 主要認(rèn)識(shí)

（1）總體上，現(xiàn)今河谷應(yīng)力場(chǎng)顯示出構(gòu)造應(yīng)力與自重應(yīng)力疊加作用的特點(diǎn)。

（2）最大主應(yīng)力在河谷谷底部位較為集中，形成明顯的高應(yīng)力包，其量值一般可達(dá)27～35 MPa。

（3）隨著各階段的模擬開挖，主應(yīng)力跡線在近坡面發(fā)生明顯偏轉(zhuǎn)，最小主應(yīng)力垂直坡面，且量值較小，最大主應(yīng)力平行坡面。離坡面一定距離后，應(yīng)力跡線恢復(fù)正常。最大主應(yīng)力量級(jí)在垂向上隨深度的遞增而增大。

（4）斷層的存在未改變整體的應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，僅在斷層附近改變應(yīng)力的方向和量值，造成局部的應(yīng)力集中，應(yīng)力集中情況視斷層的空間性質(zhì)而定。在斷層附近，應(yīng)力方向發(fā)生轉(zhuǎn)向，旋轉(zhuǎn)角度從十幾度到四十多度。斷層造成地應(yīng)力局部分區(qū)的界面，其上盤和下盤的應(yīng)力量值有明顯差別。

（5）在兩岸谷肩地形突變處、陡緩過渡區(qū)域易產(chǎn)生主應(yīng)力集中。右岸凸出山體不同部位的臨空面有較大差異，相應(yīng)地產(chǎn)生了不同部位主應(yīng)力方向的明顯偏轉(zhuǎn)。

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