李萬(wàn)才，鄧輝，蘇航，丁中輝，陸泌鋒，郝浩，李安潤(rùn)

(1.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，四川成都610059； 2.四川省地質(zhì)工程勘察院集團(tuán)有限公司，四川成都610072；3.中交隧道局第四工程有限公司，四川成都610031)

經(jīng)由漫長(zhǎng)的地質(zhì)演化，河谷地貌最終得以形成。在該過(guò)程中，強(qiáng)烈的侵蝕和剝蝕作用促使了深切河谷的形成。不少學(xué)者在深切河谷地應(yīng)力場(chǎng)方面做了許多研究：黃潤(rùn)秋[1]在分析總結(jié)西南地區(qū)大量工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，建立了卸荷條件下巖石高邊坡發(fā)育的動(dòng)力過(guò)程及三階段演化模式；梁瑤[2]圍繞錦屏水電站所處的特殊地質(zhì)地貌特征，對(duì)河谷地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)和邊坡開(kāi)挖穩(wěn)定性進(jìn)行了深入的研究，確定河谷的發(fā)育演化是影響河谷地區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)成因的重要因素并詳細(xì)討論了地應(yīng)力的松弛卸荷對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響；劉亞群等[3]通過(guò)對(duì)南水北調(diào)西線工程多個(gè)壩址區(qū)地應(yīng)力測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，初步得出深切河谷區(qū)最大水平主應(yīng)力量值隨深度呈分段線性關(guān)系的結(jié)論；端木杰超[4]通過(guò)建立深切河谷應(yīng)力場(chǎng)的彈塑性有限元模型，模擬了侵蝕基準(zhǔn)面及表層風(fēng)化對(duì)河谷應(yīng)力場(chǎng)的影響以及不同構(gòu)造應(yīng)力模式對(duì)河谷應(yīng)力場(chǎng)的影響；黃書嶺等[5]通過(guò)將復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下三維地應(yīng)力場(chǎng)模型與洞室群精細(xì)開(kāi)挖計(jì)算模型相耦合，提出考慮河谷演化規(guī)律的廠址區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)量化精細(xì)數(shù)值模型的建立方法和分析思路；李超等[6]通過(guò)數(shù)值分析研究了不同坡角的山坡在重力場(chǎng)和構(gòu)造應(yīng)力條件下山體中在垂直向和水平向典型剖面中初始地應(yīng)力分布的特點(diǎn)；李永松等[7]提出了深切河谷應(yīng)力場(chǎng)非線性系統(tǒng)分析方法并實(shí)際運(yùn)用到烏東德水電站壩址區(qū)巖體應(yīng)力場(chǎng)的研究過(guò)程中；胡斌等[8]基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)分析手段分析了某深切河谷和岸坡中的地應(yīng)力場(chǎng)的特征，得到了河谷區(qū)和岸坡中最大水平應(yīng)力的方向，并分析了河谷區(qū)最大水平應(yīng)力量值與埋深的關(guān)系。

相較平坦的地形而言，由于受到強(qiáng)烈的剝蝕、侵蝕作用以及沉積作用等因素的影響，河谷地區(qū)地應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，從而在局部形成特殊的應(yīng)力場(chǎng)。深切河谷地區(qū)的地形高低不平，呈現(xiàn)劇烈起伏的形態(tài)，可將內(nèi)部應(yīng)力場(chǎng)看作為隨河谷不斷演化而造成的原始應(yīng)力場(chǎng)不斷變化的局部應(yīng)力場(chǎng)。由于后期受到地形起伏的影響、地表剝蝕作用、河流的侵蝕作用以及風(fēng)化等作用的綜合影響，先期形成地應(yīng)力場(chǎng)不斷調(diào)整并發(fā)生改變。從河谷的發(fā)育機(jī)理來(lái)看，河谷地形的演變可近似看作為“巖體的開(kāi)挖”，這種開(kāi)挖是指對(duì)應(yīng)于河谷的剝蝕下切(不考慮河谷水文的變化，同時(shí)不考慮岸坡孔隙水壓的變化)。

1 下壩址區(qū)地質(zhì)條件

下壩址位于色汝小河下游的位置。左岸岸坡坡度大多在35～50°之間，局部位置坡度在60°以上，右岸岸坡在3 078 m高程以下的岸坡坡度稍微陡峭，大多在50～60°之間，局部位置在60～70°之間，而在3 078 m高程以上的斜坡坡度多在30～40°之間，河谷總體呈“V”形，河谷形貌影響著河谷地應(yīng)力分布[9-11]。壩址一帶左岸受色汝河切割影響，形成高陡山脊，壩區(qū)右岸臨江邊坡高度多在2 000 m之上。壩址區(qū)巖性主要為英安巖，左岸出現(xiàn)多旋回含角礫英安巖和凝灰?guī)r，壩址左岸至河床位置分布有印支期(γδ)的花崗閃長(zhǎng)斑巖。河床部位為沖積砂、卵礫石夾近緣崩塌堆積碎塊石。經(jīng)壩址區(qū)地質(zhì)測(cè)繪，壩址區(qū)的主要構(gòu)造有韌性長(zhǎng)大裂隙、剪切帶、小斷層、平硐揭露裂隙及柱狀節(jié)理等地質(zhì)構(gòu)造。其中，壩址區(qū)韌性剪切帶的寬度約30～150 m，剪切帶內(nèi)具有明顯的巖體片理化以及糜棱化現(xiàn)象。壩址區(qū)出露地層主要為英安巖，物理地質(zhì)現(xiàn)象主要有風(fēng)化堆積體、碎屑流、泥石流、卸荷、崩塌、蝕變、碎裂松動(dòng)巖體等不良地質(zhì)現(xiàn)象。本區(qū)主要發(fā)育有怒江、瀾滄江、金沙江及其他支流，沿兩岸常發(fā)育有對(duì)稱或不對(duì)稱的河谷階地，階地在峽谷地段不發(fā)育，寬谷段發(fā)育有五級(jí)階地[12-13]，見(jiàn)表1、圖1。根據(jù)相關(guān)資料顯示，自進(jìn)入峽谷期以來(lái)，瀾滄江河谷下切速率很快，下切速率在1.9 ～4.4 mm/a之間。

表1 西藏曲孜卡瀾滄江河谷階地特征

1.河流相砂礫石層；2.砂巖；3.泥頁(yè)巖；4.階地編號(hào)(形成時(shí)代)圖1 西藏曲孜卡瀾滄江河流階地實(shí)測(cè)剖面

2 數(shù)值模擬建立

2.1 模型的建立

建模建立前期，采用CAD和Surfer軟件進(jìn)行高程數(shù)據(jù)導(dǎo)出，然后導(dǎo)入到ANSYS中進(jìn)行模型的搭建和網(wǎng)格劃分，最終再生成FLAC 3D可讀入模型進(jìn)行計(jì)算。針對(duì)五次河谷的下切，在模型計(jì)算過(guò)程中采用“null”命令依次對(duì)各個(gè)階地賦為空模型來(lái)模擬河谷的下切，現(xiàn)今河谷按照現(xiàn)今實(shí)際情況進(jìn)行模擬。計(jì)算模型按彈塑性材料考慮，破壞準(zhǔn)則采用莫爾-庫(kù)倫強(qiáng)度準(zhǔn)則。

根據(jù)下壩工程平面地質(zhì)圖、建模區(qū)工程地質(zhì)條件并結(jié)合河谷下切深度表(河谷下切深度取平均值)建立地質(zhì)模型，見(jiàn)圖2。模型X方向(與河道近于垂直)長(zhǎng)750 m，Y方向(與河道近于平行)長(zhǎng)200 m，Z方向(垂直方向)高程界于2 800～3 240 m。在模型建立過(guò)程中，河谷現(xiàn)今狀態(tài)建立時(shí)考慮了強(qiáng)弱卸荷帶和韌性剪切帶，在恢復(fù)河谷階地時(shí)未考慮韌性剪切帶。經(jīng)網(wǎng)格化之后，整個(gè)模型共劃分為21 467個(gè)節(jié)點(diǎn)和116 450個(gè)單元，模型分為9個(gè)體，其中體1代表第I級(jí)階地，體2代表第II級(jí)階地，體3代表第III級(jí)階地，體4代表第IV級(jí)階地，體5代表第V級(jí)階地，體6代表強(qiáng)卸荷巖體，體7代表弱卸荷巖體，體8代表基巖，體9代表韌性剪切帶巖體。

圖2 網(wǎng)格化后模型

2.2 參數(shù)選取及邊界條件的確定

模型區(qū)內(nèi)一共有4種材料，在模型建立過(guò)程中，考慮到網(wǎng)格劃分，在韌性剪切帶內(nèi)并未劃分卸荷帶，但對(duì)其巖體參數(shù)進(jìn)行了一定的折減。模型采用的力學(xué)參數(shù)取值參照貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院提供的相關(guān)力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，考慮模型簡(jiǎn)化后進(jìn)行參數(shù)取值，最終取值見(jiàn)表2。模型計(jì)算所需的體積模量、剪切模量可由下列公式計(jì)算得到：

(1)

(2)

式中K——體積模量；G——剪切模量；E——彈性模量；μ——泊松比。

表2 巖體力學(xué)參數(shù)取值

考慮到河谷下切以及巖體結(jié)構(gòu)面的影響，在河谷5次下切過(guò)程中，韌性剪切帶按照給出建議值進(jìn)行取值，其他塊體的巖體物理力學(xué)參數(shù)均取未卸荷帶參數(shù)進(jìn)行一定的折減再帶入進(jìn)行計(jì)算；在計(jì)算現(xiàn)今狀態(tài)時(shí)，按照現(xiàn)今實(shí)際情況的巖體參數(shù)進(jìn)行選取。

模型4個(gè)側(cè)面以及底面采用位移約束條件，模型頂面采用自由邊界，模型為應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)。一般說(shuō)來(lái)，自然斜坡卸荷作用隨側(cè)向地應(yīng)力增大而增大，而在構(gòu)造地應(yīng)力不大的地區(qū)，側(cè)向地應(yīng)力主要由巖體自重應(yīng)力產(chǎn)生；在深切河谷下切過(guò)程中，自重應(yīng)力變化是導(dǎo)致斜坡發(fā)生卸荷變形的主要原因[14-16]。因此，在本次數(shù)值模擬過(guò)程中，僅考慮自重應(yīng)力，未考慮水平應(yīng)力的影響，自重應(yīng)力則通過(guò)在Z方向上施加重力加速度來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 應(yīng)力場(chǎng)特征

為了更好地反映河谷下切過(guò)程中應(yīng)力變化情況，選取Y=100 m處的縱剖面為對(duì)象，下面將從該剖面的變化情況來(lái)分析應(yīng)力場(chǎng)的變化情況。在模擬河谷下切時(shí)，將對(duì)應(yīng)的階地設(shè)為空模型來(lái)模擬階地的下切。

河谷下切導(dǎo)致了主應(yīng)力方向的變化。坡體深部最大主應(yīng)力呈近豎直向且垂直于最小主應(yīng)力，當(dāng)接近臨空面時(shí)，其方向發(fā)生變化，近似與坡面平行。坡體深部最小主應(yīng)力呈近水平向，當(dāng)接近臨空面時(shí)，其方向也發(fā)生變化，近似與坡面垂直。

剖面最大主應(yīng)力云見(jiàn)圖3，剖面最小主應(yīng)力云見(jiàn)圖4。由圖3可知，最大主應(yīng)力云有以下特征。

a) 隨著河谷的持續(xù)下切，應(yīng)力發(fā)生重新分布，坡體最大主應(yīng)力逐漸降低；在坡體頂部、坡表和韌性剪切帶附近最大主應(yīng)力值較小，最大主應(yīng)力最大值分布區(qū)域近似沿河道呈現(xiàn)為對(duì)稱形式。

b) 在同一高程位置，由坡表向坡內(nèi)延伸，最大主應(yīng)力逐漸增大。

c) 最大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力，在越靠近坡表的位置，應(yīng)力水平就越低。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷圖3 最大主應(yīng)力演化過(guò)程

a) 第一次下切圖4 最小主應(yīng)力演化過(guò)程

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷續(xù)圖4 最小主應(yīng)力演化過(guò)程

由圖4可知，最小主應(yīng)力云特征如下：① 隨著河谷持續(xù)下切，最小主應(yīng)力逐漸降低，應(yīng)力集中位置由河谷位置逐漸向河道兩側(cè)轉(zhuǎn)移;②最小主應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，越靠近坡表，應(yīng)力水平就越低,在坡表及坡頂位置(尤其是在坡頂和韌性剪切帶附近)分布有少量的拉應(yīng)力區(qū)。

總體來(lái)看，河谷下切造成了最大、最小主應(yīng)力值的降低，應(yīng)力隨著河谷下切發(fā)生重分布，應(yīng)力方向也產(chǎn)生調(diào)整；應(yīng)力最小值主要出現(xiàn)在坡頂和韌性剪切帶附近，韌性剪切帶對(duì)斜坡應(yīng)力影響較大；整體來(lái)看，在現(xiàn)今狀態(tài)下，斜坡坡腳位置有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象；在同一高程下，坡表應(yīng)力比坡體內(nèi)部應(yīng)力要低， 河谷下切后，坡體內(nèi)部應(yīng)力逐漸調(diào)整，坡體整體應(yīng)力都出現(xiàn)一定的降低，在坡表部分位置(比如坡頂、韌性剪切帶附近)甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力。

隨著河谷持續(xù)下切，河谷巖體逐漸發(fā)生卸荷，河谷邊坡應(yīng)力逐漸發(fā)生調(diào)整，總體上邊坡應(yīng)力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢(shì)。從坡表到坡體內(nèi)部，卸荷作用逐漸降低，應(yīng)力降低幅度也逐漸減小；從坡體頂部到河谷不同高程位置，坡體巖體均發(fā)生卸荷作用，但高程越高的位置，坡體卸荷作用越明顯，表現(xiàn)為應(yīng)力降低幅度更大，而在河谷位置，由于卸荷作用時(shí)間短，卸荷作用不是很充分，應(yīng)力降低幅度相對(duì)而言要小很多。

4 位移場(chǎng)特征

在模擬計(jì)算時(shí)，上一階地計(jì)算完成后，只是將速度清零，而位移保留到下一階地的計(jì)算過(guò)程中，即位移變化可以進(jìn)行累積。為便于分析位移變化情況，選取上述剖面進(jìn)行位移分析。隨著河谷下切，岸坡巖體產(chǎn)生向河谷方向的位移。岸坡巖體的下切，主要導(dǎo)致坡體發(fā)生向河谷方向的位移，因此模型結(jié)果只導(dǎo)出了X方向(即垂直河道方向)的位移。

各級(jí)階地下切后的剖面X方向(即垂直河道方向)位移變化情況見(jiàn)圖5。從圖5中可以看出，位移場(chǎng)有以下特征：從河谷開(kāi)始下切到現(xiàn)今狀態(tài)，坡體位移呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，即隨著河谷下切，X方向位移逐漸增大，從第一次下切的最大位移約3.6 mm到現(xiàn)今的最大位移7.2 mm；整體來(lái)看，坡表的位移要大于坡體內(nèi)部位移；受韌性剪切帶的影響，坡體位移最大范圍出現(xiàn)在左右兩岸的韌性剪切帶范圍，在河谷位置的位移相對(duì)很??；河谷左岸的位移表現(xiàn)為正值(即位移沿著X正方向產(chǎn)生)，河谷右岸的位移表現(xiàn)為負(fù)值(即位移沿X負(fù)方向產(chǎn)生)，兩者均向河道方向發(fā)生變形。由于韌性剪切帶巖體物理力學(xué)參數(shù)相對(duì)周圍巖體取值要低，在重力作用下，上覆巖體作用在韌性剪切帶上，韌性剪切帶發(fā)生向坡腳方向的變形，類似于發(fā)生傾倒變形，韌性剪切帶就會(huì)擠壓下覆巖體。因此，在韌性剪切帶附近會(huì)出現(xiàn)較大位移，而遠(yuǎn)離韌性剪切帶的巖體，受到韌性剪切帶變形所造成的位移逐漸減小，位移相對(duì)較小。韌性剪切帶在左右兩岸均傾向坡體，因此在上覆巖體重力等作用下產(chǎn)生兩個(gè)相反方向的位移。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷圖5 X方向位移演化過(guò)程

5 塑性區(qū)特征

各級(jí)階地下切后的剖面塑性破壞區(qū)的變化情況見(jiàn)圖6，其中tension和shear分別代表的是拉張塑性狀態(tài)和剪切塑性狀態(tài)。另外，none表示沒(méi)有塑性區(qū)出現(xiàn)；n表示當(dāng)前處于塑性狀態(tài)的單元；p表示過(guò)去處于塑性狀態(tài)的單元。從圖6中可以看出，剖面絕大多數(shù)范圍沒(méi)有塑性區(qū)的分布；隨著河谷的下切，坡體塑性區(qū)范圍逐漸擴(kuò)大，塑性區(qū)主要集中在右岸韌性剪切帶范圍和右岸坡表局部區(qū)域，在左岸韌性剪切帶也有少量的分布；隨著階地的下切，塑性區(qū)由韌性坡表逐漸向坡體內(nèi)部發(fā)展，這種現(xiàn)象在韌性剪切帶內(nèi)更為明顯。在左岸韌性剪切帶內(nèi)，塑性區(qū)的分布范圍主要集中在低高程位置，可能是由于左岸韌性剪切帶的厚度較大、分布的高程要低，上覆巖體自重造成的韌性剪切帶產(chǎn)生變形，但未達(dá)到破壞所造成。在西部常見(jiàn)的巖質(zhì)高邊坡中，邊坡頂部及地形突出部位處的最小主應(yīng)力往往要比巖體的抗拉強(qiáng)度大，而近于與坡表相互平行的最大主應(yīng)力基本起不到任何作用，因此在最小主應(yīng)力的作用下，常常形成與坡面平行的拉裂縫。最小主應(yīng)力在韌性剪切帶和坡頂?shù)炔课槐憩F(xiàn)為拉應(yīng)力，因此在這些部位容易出現(xiàn)塑性區(qū)。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

f)現(xiàn)今河谷圖6 塑性區(qū)變化

結(jié)合河谷下切的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)以及塑性區(qū)的變化情況來(lái)看，隨著河谷不斷下切，坡體的卸荷作用逐漸增強(qiáng)，表現(xiàn)為塑性區(qū)的擴(kuò)大以及應(yīng)力的降低，與此同時(shí)位移也增加。由于坡體兩岸存在著韌性剪切帶，對(duì)坡體而言，其屬于相對(duì)軟巖帶，隨著河谷的下切，產(chǎn)生的位移最大值以及主要的塑性區(qū)分布帶就分布在韌性剪切帶周邊。在河谷卸荷過(guò)程中，由于韌性剪切帶的物理力學(xué)參數(shù)相對(duì)壩址區(qū)主要巖性英安巖來(lái)說(shuō)取值很小，其在卸荷過(guò)程中的應(yīng)力變化以及變形等較大，卸荷作用對(duì)韌性剪切帶造成的影響較大，導(dǎo)致在此處的卸荷現(xiàn)象相對(duì)壩址區(qū)其他位置而言要明顯一些。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)研究區(qū)地質(zhì)情況進(jìn)行概化，對(duì)河谷分為了5次下切來(lái)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到以下結(jié)論。

a) 隨河谷下切，邊坡巖體產(chǎn)生卸荷作用，造成應(yīng)力產(chǎn)生重新分布，最大、最小主應(yīng)力逐漸降低；壓應(yīng)力在坡體中占絕大部分，而有少量拉應(yīng)力存在于坡表部位；總體來(lái)看，在同一高程，坡體內(nèi)部應(yīng)力水平大于坡表部位。

b) 在河谷下切過(guò)程中，位移呈現(xiàn)隨河谷演化逐漸增大的趨勢(shì)，左右兩岸巖體均產(chǎn)生向河谷方向的位移，位移最大值出現(xiàn)在韌性剪切帶內(nèi)及韌性剪切帶附近的影響范圍內(nèi)；而在河谷位置，始終為位移較小值分布區(qū)域；總體而言，坡表到坡體內(nèi)部所產(chǎn)生的位移是逐漸減小的。

c) 隨河谷的逐漸演化，坡體塑性區(qū)分布范圍明顯比上一級(jí)階地下切前要大，而且塑性區(qū)分布深度也在逐漸加深，說(shuō)明卸荷深度在不斷向內(nèi)部發(fā)展；塑性區(qū)的分布范圍主要集中在右岸韌性剪切帶內(nèi)和右岸坡表位置，在左岸韌性剪切帶表層分布有少量塑性區(qū)；在坡體表層，巖體更多的是產(chǎn)生剪切塑性區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看，相較于壩址區(qū)左岸，韌性剪切帶對(duì)壩址區(qū)右岸邊坡巖體的卸荷影響較大。