韓曉玉，黃孝泉，李永松，尹健民，向家菠

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010；2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院,武漢 430074)

烏東德水電工程河谷地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律

韓曉玉1，黃孝泉2，李永松1，尹健民1，向家菠2

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,武漢 430010；2.長(zhǎng)江三峽勘測(cè)研究院,武漢 430074)

以烏東德水電工程壩址區(qū)300個(gè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù),輔以數(shù)值回歸分析,對(duì)烏東德壩址河谷應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示:烏東德河谷斷面可劃分為應(yīng)力釋放區(qū)、過(guò)渡區(qū)和應(yīng)力方向穩(wěn)定區(qū)；應(yīng)力方向穩(wěn)定區(qū)最大水平主應(yīng)力方向與近壩斷層和區(qū)域控制性斷裂接近,與近場(chǎng)區(qū)地震構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同。通過(guò)對(duì)比烏東德壩址河谷和對(duì)稱河谷應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)烏東德壩址河谷具有河床和坡腳高應(yīng)力區(qū)、岸坡巖體呈“駝峰”應(yīng)力分布等對(duì)稱河谷應(yīng)力分布特點(diǎn)；受烏東德河谷形態(tài)影響,河床和坡腳高應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱性,山體高聳岸坡側(cè)高應(yīng)力區(qū)分布范圍較廣；兩岸巖體“駝峰”應(yīng)力曲線“尾部”未穩(wěn)定。

地應(yīng)力；烏東德水電工程；河谷應(yīng)力場(chǎng)；水壓致裂法；最大水平主應(yīng)力

2015,32(11):34-39

1 研究背景

由于受地形因素影響較大,河谷地應(yīng)力場(chǎng)有著其特殊分布規(guī)律。受限于單個(gè)工程實(shí)測(cè)資料分布范圍和數(shù)量,河谷地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律難以進(jìn)行充分探討[1-8]。同時(shí),數(shù)值模擬河谷應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究往往限定于對(duì)稱河谷[9]。一般認(rèn)為,河谷應(yīng)力場(chǎng)存在河床高應(yīng)力區(qū),岸坡巖體分為應(yīng)力釋放區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)。黃潤(rùn)秋教授[10]對(duì)河谷應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行了總結(jié),認(rèn)為對(duì)稱河谷分布特征如圖1所示。

圖1 深切河谷應(yīng)力場(chǎng)分布特征［10］Fig.1 Typical stress distribution patternin a deep valley［10］

隨著金沙江烏東德水電站工程勘探進(jìn)度,長(zhǎng)江科學(xué)院于2004—2011年間在壩址區(qū)多個(gè)部位獲得了300個(gè)地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)資料。本文以實(shí)測(cè)資料為依據(jù),輔以回歸分析結(jié)果,對(duì)該工程河谷應(yīng)力分布規(guī)律進(jìn)行了總結(jié)。結(jié)果顯示,烏東德河谷可劃分為應(yīng)力釋放區(qū)、過(guò)渡區(qū)和應(yīng)力方向穩(wěn)定區(qū)。通過(guò)對(duì)烏東德壩址河谷和對(duì)稱河谷應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)對(duì)比,發(fā)現(xiàn)烏東德壩址河谷具有河床和坡腳高應(yīng)力區(qū)、岸坡巖體呈“駝峰”應(yīng)力分布等對(duì)稱河谷應(yīng)力分布特點(diǎn),但該“駝峰”曲線的形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)有所不同。

2 工程概況及地質(zhì)條件

烏東德水電站[11]是金沙江下游河段最上游梯級(jí),以發(fā)電為主,兼顧防洪、航運(yùn)、攔沙等綜合利用效益。烏東德水電站設(shè)計(jì)正常蓄水位高程975 m。電站初擬裝機(jī)容量8 700 MW(12×725 MW)；水庫(kù)總庫(kù)容74.05億m3。

2.1 地形地貌

烏東德水電站地處我國(guó)地勢(shì)第一階梯的川、滇山地及與第二階梯的過(guò)渡段,屬山原峽谷地貌類型,地勢(shì)總體上西北高南東低,地貌結(jié)構(gòu)是以丘狀高原面或分割山頂面為“基面”,基面之上有山嶺、殘山；基面以下為河谷和盆地。

壩址區(qū)金沙江以SE160°方向流經(jīng)壩址區(qū),至金坪子滑坡前緣弧形拐彎后以225°方向流向下游。壩址區(qū)河床地面高程為800～805 m,基巖高程730～740 m。壩址河段屬中山峽谷地貌,兩岸地形陡峻,河谷呈狹窄的“V”型。兩岸高程1 050～1 200 m以下為金沙江峽谷,岸坡陡立局部近直立。峽谷谷頂高程1 050 m,寬300～360 m,河谷寬高比為1.0～1.2,高程1 050～1 200 m呈緩臺(tái)。高程1 200 m以上為金沙江寬谷,岸坡總體較緩,左岸山頂高程1 836 m,右岸山頂高程1 630～1 430 m。

2.2 地層巖性

壩址區(qū)地層主要由褶皺基底淺變質(zhì)巖及蓋層沉積巖構(gòu)成。主要工程巖體為淺變質(zhì)碳酸鹽巖。巖性以灰?guī)r、大理巖、白云巖和大理巖化白云巖為主。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

烏東德水電站在大地構(gòu)造分區(qū)屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西部邊緣區(qū),康滇地軸二級(jí)構(gòu)造單元中東部。區(qū)域構(gòu)造以斷裂構(gòu)造為主,主體走向?yàn)槟媳毕?次為北東、北西向。

近壩址區(qū)規(guī)模較大斷層有5條(圖2中1～5號(hào)斷層)。“1”和“2”斷層走向NE,“3”和“4”斷層走向近EW,“5”斷層走向NNE。同時(shí)6—8號(hào)3個(gè)較小斷層靠近測(cè)試區(qū)域,走向?yàn)镹NE—NE向。壩線區(qū)裂隙總體不甚發(fā)育,可分為SN組和EW組2大組,其中SN組可分為NNW和NNE 2個(gè)亞組。

圖2 烏東德水電工程近壩斷層分布Fig.2 Fault distribution near the dam of Wudongde hydropower project

3 測(cè)試結(jié)果綜述及回歸分析

3.1 實(shí)測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析

烏東德水電工程壩址區(qū)地應(yīng)力測(cè)試采用水壓致裂法和孔壁應(yīng)變法,共進(jìn)行了22個(gè)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試,共獲得300個(gè)測(cè)值[12]。地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)分布最大高程912 m,最低高程647 m。測(cè)試分布區(qū)域涵蓋河床區(qū)、近岸坡區(qū)和兩岸深部巖體。地應(yīng)力鉆孔平面布置如圖3所示。

圖3 地應(yīng)力測(cè)孔平面布置Fig.3 Layout of geostress measurement holes

統(tǒng)計(jì)三維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果,左岸巖體第一主應(yīng)力(σ1)最大值為19.5 MPa,傾角集中為40°～70°,方位角主要分布范圍為NNE—EW向。第三主應(yīng)力(σ3)最大值為11.7 MPa,傾角集中為0°～20°,方位角主要為NW向和SEE—SE向。右岸巖體第一主應(yīng)力(σ1)最大值為13.0 MPa。傾角集中為40°～70°。第三主應(yīng)力(σ3)一般為3～5 MPa,傾角集中為0°～20°。因測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少,第一主應(yīng)力和第三主應(yīng)力方位角無(wú)明顯集中方向,第二主應(yīng)力無(wú)明顯規(guī)律。

取孔壁應(yīng)變法和三維水壓致裂法成果的水平主應(yīng)力數(shù)據(jù)與水壓致裂法結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),得到烏東德測(cè)區(qū)最大水平主應(yīng)力(σH)集中在8～16 MPa,最大值20.9 MPa；最大水平主應(yīng)力方向(αH)按測(cè)點(diǎn)高程統(tǒng)計(jì),高程在870 m以上的測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向主要為NW—NS向,與河流走向近乎平行；高程在750～870 m范圍測(cè)點(diǎn)主要為NNE—EW向；高程在750～700 m集中為NNE—NEE向,高程在700 m以下集中為NNE—NE向。最小水平主應(yīng)力集中在4～9 MPa,最大值為12.1 MPa。其中河谷右岸被近壩斷層和金沙江河谷合圍(圖2),另受巖體埋深淺等影響,其應(yīng)力總體較左岸低30%～40%。

為了直觀顯示,將垂直鉆孔向地應(yīng)力剖面進(jìn)行投影。在剖面上將測(cè)試結(jié)果的最大水平主應(yīng)力量值和方向進(jìn)行形象化表示(圖4)。最大水平主應(yīng)力垂直于孔深方向,距離與量值大小呈正比,邊緣連線并填充。最大水平主應(yīng)力方向采用破裂縫對(duì)正北向的順時(shí)針轉(zhuǎn)角表示。

為了方便成果解釋,在圖4所示剖面內(nèi)將鉆孔內(nèi)最大水平主應(yīng)力達(dá)到(或推測(cè))10 MPa和右岸7 MPa最大高程測(cè)點(diǎn)分別連線,其中左岸“2”線出發(fā)部位在坡腳應(yīng)力增高區(qū)上緣,“3”線從坡腳應(yīng)力增高區(qū)域下緣出發(fā)。右岸7 MPa線采用同樣方式進(jìn)行(“4”,“5”線)?！?”,“5”線和部分坡腳高應(yīng)力區(qū)將左右岸劃分為Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū)。依據(jù)Ⅰ區(qū)內(nèi)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向,將左右岸I區(qū)巖體各分為左右岸I-1和Ⅰ-2個(gè)亞區(qū)(“1”線為分界線),Ⅰ-2個(gè)亞區(qū)包含部分坡腳部位高應(yīng)力區(qū)。

根據(jù)圖4最大水平主應(yīng)力方向規(guī)律可知,左右區(qū)和Ⅱ區(qū)鉆孔水壓致裂法、三孔交匯水壓致裂法及解除法地應(yīng)力測(cè)試資料,以及壩址區(qū)主要地質(zhì)條件中“2”,“3”,“5”和“8”號(hào)斷層和主要巖體物理力學(xué)參數(shù),對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行回歸分析,三維有限元網(wǎng)格模型[13]如圖5所示。為了與實(shí)測(cè)結(jié)果相對(duì)照,測(cè)區(qū)河谷斷面的水平主應(yīng)力等值線結(jié)果如圖6[13]所示。

圖4 最大水平主應(yīng)力值和方位直觀圖Fig.4 Intuitive figure of values and orientations of maximum horizontal principal stress

圖5 三維有限元網(wǎng)格模型Fig.5 Model of three-dimensional finite element mesh

對(duì)比實(shí)測(cè)結(jié)果和數(shù)值回歸分析結(jié)果中最大水平主應(yīng)力分布情況,圖6中8～9 MPa的σH等值線與圖4中“2”線和回歸分析結(jié)果中分布趨勢(shì)較為一致,在同高程情況僅存在1～2 MPa差值。右岸7 MPa應(yīng)力連線(“4”線)與回岸Ⅰ區(qū)是受金沙江岸河谷地形影響最大區(qū)域。其中I-1亞區(qū)最大水平主應(yīng)力方向與金沙江河谷走向(160°)基本平行,是應(yīng)力釋放區(qū)。其余I區(qū)部分(未包含河谷部位)劃分為Ⅰ-2亞區(qū),左右岸Ⅰ-2亞區(qū)最大水平主應(yīng)力方向有近EW向、近NS向和NE向等,存在較大的變動(dòng),該亞區(qū)為應(yīng)力釋放區(qū)和Ⅱ區(qū)的過(guò)渡區(qū)域。Ⅱ區(qū)最大水平主應(yīng)力方向集中為NNE—NEE向,為應(yīng)力方向穩(wěn)定區(qū)。

依據(jù)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力與孔深關(guān)系判定河床區(qū)和近岸坡區(qū)單個(gè)鉆孔的明顯應(yīng)力集中部位,將相鄰部位鉆孔的應(yīng)力集中部位相連,可粗略圈定河谷及坡腳部位高應(yīng)力區(qū)(圖4中Ⅲ區(qū))。

應(yīng)該說(shuō)明的是,以上區(qū)域劃分是根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果的規(guī)律得出的,但無(wú)嚴(yán)格依據(jù),其標(biāo)準(zhǔn)有待討論。對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)河谷應(yīng)力分區(qū),左右岸Ⅰ-1亞區(qū)可粗略對(duì)應(yīng)于應(yīng)力釋放區(qū),Ⅰ-2亞區(qū)粗略對(duì)應(yīng)于應(yīng)力增高區(qū)。Ⅱ區(qū)粗略對(duì)應(yīng)于應(yīng)力穩(wěn)定區(qū)。3.2 數(shù)值回歸分析

圖6 水平主應(yīng)力等值線Fig.6 Contours of the horizontal principal stresses

依據(jù)I-2亞區(qū)和Ⅱ區(qū)的左岸鉆孔左右岸Ⅰ-2亞歸分析結(jié)果極為相似?；貧w分析顯示了與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合的應(yīng)力分布特征,并得到了更大范圍的應(yīng)力分布,可以有以下結(jié)論:

(1)河床部位和坡腳部位巖體存在應(yīng)力增高區(qū),呈現(xiàn)非對(duì)稱性,左側(cè)分布范圍廣。

(2)右岸巖體應(yīng)力總體較左岸明顯偏低,同高程最大水平主應(yīng)力值約低30%,與實(shí)測(cè)結(jié)論相似。

(3)河谷內(nèi)側(cè)有較為明顯的應(yīng)力釋放,其分布與河谷地形相關(guān)。如圖6中σH＜8 MPa和σh＜5 MPa的等值線。

應(yīng)該說(shuō)明,地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果易受局部巖體完整性和局部斷層分布等影響,同時(shí),圖4剖面鉆孔位置是實(shí)測(cè)鉆孔在該剖面的投影,測(cè)孔所在部位地質(zhì)條件可能有所不同。因此,連線與回歸分析的等值線有所差異。

4 河谷應(yīng)力場(chǎng)典型特征分析

河谷地應(yīng)力的典型特征是存在河床及坡腳部位的高應(yīng)力區(qū)和兩岸巖體的“駝峰”應(yīng)力分布。

4.1 河床及坡腳高應(yīng)力區(qū)

烏東德水電工程壩址河床區(qū)分布有3個(gè)鉆孔(ZK3,ZK34和ZK35)、近岸坡左岸2個(gè)鉆孔(ZK141和DZK1)、右岸1個(gè)鉆孔(ZK158)。由實(shí)測(cè)結(jié)果和回歸分析知河床最大水平主應(yīng)力在高程670～690 m存在較為明顯的應(yīng)力增加。河床區(qū)測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向范圍為NNE—NEE向,鉆孔底部測(cè)點(diǎn)方向集中為NNE—NE向。

左岸近岸坡ZK141測(cè)孔明顯應(yīng)力增高部位高程為700～750 m,DZK1測(cè)孔為760～830 m。右岸ZK158測(cè)孔在高程范圍730～750 m有較為明顯的應(yīng)力增高。左右岸在高程750 m(河床基巖高程730～740 m)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NW—EW向, 750 m高程以下轉(zhuǎn)變?yōu)镹NE—NEE向。

河床鉆孔深部最大水平主應(yīng)力方向與近壩址區(qū)NNE—NE走向斷層斷裂相近,與區(qū)域斷裂走向(NS向?yàn)橹黧w)小角度相交,與近場(chǎng)區(qū)地震構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)[11](SSE和SEE向壓應(yīng)力場(chǎng))夾角較大。以上結(jié)果說(shuō)明,測(cè)試部位應(yīng)力狀態(tài)受近壩斷層和深切河谷地形影響較大。

依據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律分析和回歸分析結(jié)果可知,河床和坡腳存在較明顯的高應(yīng)力區(qū),圖4中Ⅲ區(qū)僅為河床和坡腳部位高應(yīng)力區(qū)較為明顯的一部分。同時(shí),受金沙江河谷之上寬谷岸坡展布的影響,高應(yīng)力區(qū)呈現(xiàn)非對(duì)稱性,山體高聳岸坡側(cè)高應(yīng)力區(qū)分布范圍較廣。

4.2 兩岸巖體應(yīng)力分布

選擇測(cè)試數(shù)據(jù)較為密集高程830 m和750 m繪制應(yīng)力分布“駝峰”線。以每測(cè)孔兩高程線上下20 m范圍測(cè)點(diǎn)的水平主應(yīng)力值均值為豎直坐標(biāo),各鉆孔距離岸坡線或河床覆蓋層線的水平距離為水平坐標(biāo)取點(diǎn)并連線,原點(diǎn)至第一個(gè)測(cè)孔處適當(dāng)推測(cè),“駝峰”應(yīng)力曲線如圖7所示。

圖7 由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的“駝峰＂應(yīng)力曲線Fig.7 Hump-shaped stress curves drawn by the measured data

結(jié)合烏東德河谷地形特征(圖2)及回歸分析所得的水平主應(yīng)力分布特征(圖6)可得以下結(jié)論:

(1)由實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)繪制的駝峰曲線與回歸分析所得水平主應(yīng)力分布特征基本相同。

(2)由于右岸受近壩斷層、金沙江河谷應(yīng)力隔斷、巖體埋深淺等因素的影響,其應(yīng)力值較左岸總體低30%～40%。

(3)除右岸750 m高程曲線外其余3個(gè)部位均具有較為明顯的“駝峰”特征,反映出河谷應(yīng)力分布中岸坡巖體應(yīng)力分布特征。其中“駝峰”出現(xiàn)位置均在距離河床沖積層或者岸坡線120～160 m范圍內(nèi)。右岸750 m高程可能因測(cè)孔分布原因未能反映出“駝峰”特征。

(4)受烏東德河谷之上寬谷地形影響,兩岸巖體“駝峰”應(yīng)力曲線形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)有所不同,其“尾部”巖體應(yīng)力未穩(wěn)定,隨埋深增加而增加。

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)烏東德壩址區(qū)地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果規(guī)律總結(jié)、地應(yīng)力場(chǎng)回歸分析,以及對(duì)烏東德壩址河谷和對(duì)稱河谷應(yīng)力場(chǎng)分布特點(diǎn)對(duì)比,得到如下結(jié)論:

(1)烏東德河谷右岸由于受近壩斷層和金沙江河谷合圍、巖體埋深淺等因素影響,其地應(yīng)力較左岸明顯偏低。

(2)依據(jù)最大水平主應(yīng)力方向變化規(guī)律,烏東德河谷內(nèi)側(cè)存在明顯的應(yīng)力釋放區(qū),最大水平主應(yīng)力方向與河谷走向平行,此外可分為過(guò)渡區(qū)和應(yīng)力方向穩(wěn)定區(qū)。

(3)與對(duì)稱河谷相同,烏東德河谷在河床和坡腳部位存在高應(yīng)力區(qū),兩岸巖體地應(yīng)力分布具有“駝峰”特征。

(4)河床和Ⅱ區(qū)巖體測(cè)點(diǎn)最大水平主應(yīng)力方向與近壩斷層和區(qū)域控制性斷裂較為接近,與近場(chǎng)區(qū)地震構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)不同,河谷地應(yīng)力場(chǎng)受近壩斷層和河谷地形影響較大。

(5)受烏東德河谷之上寬谷地形影響,河床坡腳及河床區(qū)的高應(yīng)力區(qū)在山體高聳岸坡側(cè)分布范圍較廣。兩岸巖體應(yīng)力分布“駝峰”曲線的形態(tài)與標(biāo)準(zhǔn)形態(tài)不同。

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(編輯:黃 玲)

Distribution of Geostress Field in the Valley of Wudongde Hydropower Project

HAN Xiao-yu1,HUANG Xiao-quan2,LI Yong-song1,YIN Jian-min1,XIANG Jia-bo2
(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan 430010,China；2.Three Gorges Investigation and Research Institute,Wuhan 430074,China)

With the 300 measured data obtained from dam site area in Wudongde Hydropower Station Project,supplemented by numerical regression analysis,the geostress distribution of the area was summarized.The results show that the valley section can be divided into stress-release,stress-transition and stress-direction stable zone,and the direction of maximum horizontal principal stress in stress-direction stable zone is relatively close to controlling fracture fault near the dam area,which is different from seismic geostress field in near field region.By comparing geostress distribution of valley in Wudongde dam area with that of symmetrical valley,we can find that the dam area valley has similar stress distribution of symmetrical valleys including the high-stress zone of riverbed and the toe area,and hump-shaped stress distribution characteristics of rock mass near valley slope.Affected by the morphology of Wudongde valley,the high-stress zone of riverbed and the toe area show a symmetry feature,and the high-stress zone is widely distributed on higher side of the mountain slope.At the same time,the tail of the hump-shaped stress curves of the rock mass by the valley is not stable.

geostress；Wudongde Hydropower Station；geostress field in the valley；hydraulic fracturing method；maximum horizontal principal stress

TV22

A

1001-5485(2015)11-0034-06

10.11988/ckyyb.20140487

2014-06-12；

2014-07-11

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973)項(xiàng)目(2011CB710603)；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201001009)；中央級(jí)公益性科研院所基金項(xiàng)目(CKSF2011020/YT)

韓曉玉(1975-),男,山東金鄉(xiāng)人,高級(jí)工程師,碩士,主要從事地應(yīng)力試驗(yàn)及試驗(yàn)設(shè)備研發(fā)方面的研究工作,(電話)027-82926517 (電子信箱)han_xiaoyu@yeah.net。