拉西瓦水電站三維地應力場分布特征及成因分析

拉西瓦水電站三維地應力場分布特征及成因分析

1拉西瓦水電工程地質環(huán)境地質條件分析在巖石力學的發(fā)展過程中，對地應力測量、地應力場模擬等問題的研究發(fā)揮了非常重要的作用。雖然實測地應力是了解地應力場最直接、最可靠的途徑,但地應力測量費時、費財、費力、技術要求高,在工程現(xiàn)場不可能進行大量測試;另一方面,地應力場成因復雜,影響因素眾多,各測點的測量結果在很大程度上僅反映了當?shù)氐木植繎?。因?必須針對具體的工程地質條件在實測資料的基礎上進行地應力場的分析計算,以獲得更為準確、合理的較大范圍的地應力場分布。對于河谷地應力場,許多學者從不同的角度進行了有益的探討[1~7],這些研究和探討涉及到河谷地應力場的模擬反演、地質成因、分布規(guī)律及分帶特征等。從目前和未來我國大型巖體工程建設的特點與需求來看,隨著西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施,許多大型巖體工程將在西部陸續(xù)開工建設,而西部地區(qū)具有全球最強烈的現(xiàn)代地殼運動,活動斷裂發(fā)育,地質環(huán)境極為復雜,加上高山峽谷等地形地貌條件,往往使河谷區(qū)賦存有高地應力場,由此所誘發(fā)的巖爆與大變形問題,將會對工程安全與穩(wěn)定性產生重大影響,從而增加了地應力場確定的重要性。拉西瓦水電工程位于青海省東北部、貴德縣與貴南縣交界處的黃河干流上,擋水建筑物為壩高250m的對數(shù)螺旋型混凝土雙曲拱壩,水庫正常蓄水位2452m,電站額定水頭205m,裝機6臺,總裝機420×104kw,庫容10.79億m3,年發(fā)電量102億Kw?h。該電站作為黃河上最大的水電站,同時又是西電東送北通道的骨干電源,它的建成將對我國西部開發(fā)和經濟發(fā)展具有十分重要的意義。其壩址區(qū)為高山峽谷地貌,受地質構造應力、自重、地表剝蝕和河流侵蝕卸荷等作用而賦存有高地應力。由于壩址區(qū)的高地應力及其空間分布特征與多期地質構造運動及河谷演化歷史等因素密切相關,要合理確定該區(qū)三維地應力分布狀態(tài)與大小具有一定難度。此外,其地下廠房規(guī)模大,主廠房開挖尺寸為311.75m×30.0m×73.84m(長×寬×高),廠房區(qū)硐群巖性為印支期花崗巖,被Hf8,F73,F164等結構面所切割,整個廠房區(qū)地質條件較為復雜,地下洞室群在施工開挖過程中洞室圍巖穩(wěn)定和合理支護措施均與地應力場的分布密切相關。本文結合拉西瓦水電工程,采用多元線性回歸與逐步回歸相結合的方法對巖體初始地應力場進行了詳細反演,在此基礎上,深入研究了河谷區(qū)地應力場的空間分布特征與規(guī)律,并就其形成機理開展了多因素影響效應分析,以便為我國西部強烈地質作用區(qū)高地應力研究及水電工程建設提供具有參考價值的成果和工程案例。2巖餅及地層結構已有地質資料揭示,拉西瓦壩址區(qū)近河谷及坡腳部位的勘探鉆孔中普遍出現(xiàn)餅狀巖芯,勘探硐壁在開挖期間出現(xiàn)巖石爆裂、巖片(塊)彈落和新鮮巖石片狀剝落等現(xiàn)象。實測三維地應力資料表明,壩址區(qū)地應力在400m深度范圍內為20~30MPa,在河床部位可達50MPa以上,說明壩址區(qū)基巖賦存有高地應力。主要的高地應力現(xiàn)象包括:(1)三維地應力測試結果表明(見表1),最大主壓應力σ1為8.8~29.7MPa,10個點中有6個點σ1超過20MPa,且均在2300m高程以下。最小主應力σ3為2.2~13.1MPa,σ1σ3為1.7~4.0。實測點最大主壓應力傾角為19°~55°,大多在40°左右,近于平行岸坡,且均向岸外傾斜。最大主壓應力方向為NE向的有5個測點,且均在NE65o以下;NW向的有5個測點,且均大于NW300o;(2)勘探及地應力測試鉆孔中發(fā)現(xiàn)有餅狀巖芯(巖餅)(見圖1),最大集中分布厚度約70cm,單塊巖餅厚度1~2cm,巖餅底面略凸,上面略凹,斷面新鮮粗糙,中部略顯微擦痕和剪切錯動階坎;(3)勘探硐、施工交通洞、廠房上導洞等洞壁堅硬新鮮巖石中出現(xiàn)片狀剝落,斷層帶處出現(xiàn)板狀劈裂。其特征主要呈千枚狀薄片,手捏呈碎末,剝落總深度為3~5cm。而斷裂帶中板狀劈裂呈2~4cm的薄板;(4)探洞完成一段時間后,洞頂完整新鮮巖石地段局部發(fā)生非常明顯的板狀剝皮,延續(xù)時間可至開挖后2~3年內;有些探洞開挖時會出現(xiàn)巖石爆裂聲響及巖片(塊)彈落。3谷庫區(qū)三維地應力場的反演3.1剪切構造運動針對拉西瓦壩址區(qū)的高地應力特點和深切陡峭河谷地形特征,本文三維地應力場反演選擇多元回歸與逐步回歸相結合的方法,并考慮下列6種初始基本因素:(1)自重應力狀態(tài);(2)東西向水平均勻擠壓構造運動;(3)南北向水平均勻擠壓構造運動;(4)水平面內的均勻剪切構造運動;(5)東西向垂直平面內的豎直均勻剪切構造運動;(6)南北向垂直平面內的豎直均勻剪切構造運動。(水平均勻擠壓構造運動為法向作用,均勻剪切構造運動為切向作用)根據(jù)多元回歸法原理,將地應力回歸計算值σ?k作為因變量,把數(shù)值計算求得的自重應力場和各分項因素下的構造應力場相應于實測點處的應力計算值σki作為自變量,則回歸方程的形式為式中:k為觀測點的序號;為第k個觀測點的回歸計算值;Li為相應于自變量的回歸系數(shù);σki為相應應力分量計算值的單列矩陣;n為包括自重和構造應力的分項荷載模式數(shù)。假定有m個觀測點,則最小二乘法的殘差平方和為式中:σj*k為k觀測點j應力分量的觀測值;σjki為i分項荷載模式下k觀測點j應力分量的數(shù)值計算值;應力分量j=1~6,分別對應于6個應力分量。根據(jù)最小二乘法原理,使得S殘為最小值的方程式為解此方程組,得到n個待定回歸系數(shù)L=(L1,L2,,Ln)T,則計算域內任一點p的回歸地應力,可由該點各分項荷載模式下數(shù)值計算應力值疊加而得:由于各分項子構造應力之間是相容的,其中一個因素的引入必然造成其余因素的退化,因此,還需要計算復相關系數(shù)、F值和偏相關系數(shù)等,并通過對回歸方程和回歸系數(shù)進行顯著性檢驗,將不顯著因素從回歸因子中剔除。相關顯著性檢驗的基本理論在此不加累述。3.2數(shù)值計算模型根據(jù)拉西瓦工程壩址區(qū)1:1000平面地形地質圖,在壩址區(qū)數(shù)值模型中,對壩址區(qū)兩岸及河谷地形等進行了較為真實的模擬。數(shù)值模型的計算坐標為:x軸由西向東,y軸由南向北,z軸鉛垂向下。數(shù)值模型模擬范圍為:順河向從大地坐標x=3442,6300模擬至x=3442,7000共700m,橫河向從大地坐標y=399,3240模擬至y=399,4180共940m;豎直向下模擬至高程2000m。考慮斷層時的數(shù)值模型共分為549423個單元,102205個結點。其地形地貌圖與數(shù)值模型網(wǎng)格圖分別見圖2,圖3。壩基巖體容重為26.9kN/m3,泊松比μ=0.25。壩址區(qū)花崗巖體的力學參數(shù)見表2。通過對各種荷載模式進行三維數(shù)值計算,將獲得的計算應力數(shù)據(jù)(數(shù)值觀測值)用于回歸分析,并進行顯著性檢驗后確定回歸方程為式中:下標w,u,v,τ分別代表按自重、東西向水平邊界構造力、南北向水平邊界構造力和水平剪切力4種荷載因素;e代表誤差;a,b,c,d為待回歸系數(shù)。對前述10個三維測點進行回歸分析,獲得的復相關系數(shù)為:R=0.8051?？紤]到5,6,7號實測點值離散性較大,將它們剔除后再進行回歸,獲得的回歸系數(shù)分別為:a=1.8397,b=1.6434,c=0.9482,d=4.5668,e=0.4046,復相關系數(shù)為R=0.9036。表3對比列出了地應力測點的實測值與回歸值,表明各點主應力量值和方向具有良好的一致性,因此,回歸效果顯著,回歸計算模式基本上是合理的。4河谷區(qū)高肥力場特征及機理分析4.1拉西瓦址區(qū)地應力分析通過現(xiàn)場資料分析和有限元數(shù)值計算,得出拉西瓦壩址區(qū)地應力場具有如下分布特點:(1)河床部位應力分布從圖4~圖6所示近壩軸線(x=3442,6580m)剖面主應力分布可見,主應力σ1,σ2,σ3均在河床部位風化帶以下形成封閉等值線,說明該部位應力集中現(xiàn)象明顯,且呈三向壓狀態(tài),即存在所謂的“應力包”。其中,第1主壓應力σ1在河床應力集中區(qū)的大小約為30~57MPa,應力集中區(qū)范圍為豎直深度約90m,水平寬度約190m,這與河床區(qū)域地應力實測結果是基本一致的,如河床部位的地應力測點ND-11埋深為31~34.05m,主壓應力值卻高達54.6MPa(見表1),此外,地質鉆探資料表明,沿河床和坡腳部位的鉆孔巖芯餅化現(xiàn)象較為普遍,如河床ZK36#孔在深度36m以下、坡腳ZK28#孔在深度27m以下的微新花崗巖體中出現(xiàn)餅狀巖芯,說明該區(qū)存在高地應力集中。(2)主應力方向圖7的主應力矢量分布圖表明,在風化界線以上的河床及岸坡表層巖體中,沿河谷谷坡大主壓應力方向傾向河谷,且與坡面傾角基本一致。而沿風化界線向內,大主壓應力方向發(fā)生偏轉,傾角與風化界線基本一致,方向依然傾向河谷。在巖體更深部,大主壓應力傾角有逐漸變緩的趨勢。(3)地應力沿水平埋深變化規(guī)律為分析河谷兩岸第1主應力量值沿不同高程的水平變化規(guī)律,分別整理出近壩軸線(x=3442,6580m)剖面2180m,2210m,2280m和2360m高程上各點第1主應力值隨相應水平埋深的變化曲線如圖8~圖11,圖中2180m高程變化曲線從左岸向右岸穿越了河床應力集中區(qū)但位于風化界線以下,2210m高程變化曲線(以河床部位中點為0點)從河床部位中點向右岸山體內穿越了風化界線和應力集中區(qū),2280m和2360m高程變化曲線(以右岸坡面為0點)從坡面向右岸山體內穿越了風化界線但位于應力集中區(qū)以上。從圖8可見,河床應力集中大約在其中部的微新巖體中達到峰值,并向左右兩岸以較大應力梯度降低,此后則脫離應力集中區(qū)而基本趨于平穩(wěn)。圖9所示σ1在河床表層巖體中量值較小,穿越風化界線后快速上升并達到峰值,然后從峰值迅速降低并基本趨于平穩(wěn)。圖10和圖11中σ1量值從岸坡向山體內部沿水平埋深的變化規(guī)律與圖9基本一致,但隨著高程的增加其應力峰值明顯減小。(4)地應力沿垂直埋深變化規(guī)律圖12為河床部位(大地坐標x=3442,6585,y=399,3750)鉛直應力分量σz和第1主壓應力σ1值沿垂直埋深的變化曲線。圖12表明σz隨埋深呈現(xiàn)增加的趨勢,σ1沿垂直埋深具有與前述圖8所示沿水平埋深類似的變化規(guī)律,即第1主應力在近岸坡表層巖體中量值較小,穿越風化界線后快速上升并達到峰值,然后從峰值迅速減小并基本趨于平穩(wěn)。且明顯可以看出在應力集中區(qū)的σz隨埋深增大速率高于其它部位。(5)壩址區(qū)地應力分區(qū)特點上述分析表明,拉西瓦壩址區(qū)地應力分布大致可分為4個區(qū):風化界線以上表層巖體受黃河河谷下切的侵蝕作用和應力釋放影響,應力量值較小,為應力松弛區(qū);靠近風化界線的狹窄區(qū)域應力梯度激增,主應力量值迅速增加,為應力過渡帶;河床部位風化帶以下的微新花崗巖體中應力集中顯著,為應力集中區(qū);其它部位主應力沿高程變化較為平穩(wěn),為應力正常分布區(qū)。如圖13所示。4.2拉西瓦址區(qū)河谷地基應力場產生的地質背景地應力的來源,按照陳宗基教授的觀點,來自5個方面,即巖體自重、地質構造運動、地形勢、剝蝕作用和封閉應力。就河谷地應力場來說,在漫長的地質年代里,由地殼升降與水平運動所引起的巖體加荷或卸荷過程、區(qū)域應力場調整、河流走向、地表剝蝕風化、河谷侵蝕沖切、溫差應力、地形地貌、巖體結構面及巖石物理力學性質(包括巖石變形模量、泊松比和巖體強度等)的變化等因素,均會對其產生影響。拉西瓦壩址區(qū)河谷高地應力場是在區(qū)域地應力場的基礎上伴隨著河谷的形成而形成的,它的形成是內外動力共同作用的結果。(1)巖體物理力學性質從能量積累的觀點來看,巖體地應力可以說是能量積累與釋放的結果,巖體應力的上限必然要受到巖體強度的限制。根據(jù)李光煜、白世偉教授等的統(tǒng)計資料表明,彈性模量較大的巖體有利于地應力的積累。拉西瓦壩址區(qū)巖石強度高,巖體致密堅硬,完整性好,斷層分布較少,規(guī)模不大,性狀較好,為高應力場的形成提供了前提條件;(2)地質構造作用根據(jù)已有的地質調查和研究資料,受地質演變歷史影響,拉西瓦壩址區(qū)地質構造應力的主壓應力方向曾發(fā)生5次變遷,即:SN→NNW→NNE→NE(NEE)。地質構造運動強烈,水平擠壓作用使得河谷區(qū)存在較大的水平應力,為高地應力場的形成提供了外動力條件;(3)地表剝蝕風化、河谷侵蝕卸荷效應在強烈的水平地質構造作用下,隨著地表的剝蝕風化、河谷侵蝕卸荷,谷坡巖體表層法向應力得以釋放,地表巖土體的力學參數(shù)降低,從而形成表層應力釋放帶,而主要受巖體內水平構造應力影響在河谷谷底形成集中區(qū)。5拉西瓦河谷地應力場特征本文采用多元回歸與逐步回歸相結合的方法對具有高地應力特征的拉西瓦工程區(qū)初始地應力場進行了詳細反演,在此基礎上,研究了其河谷區(qū)地應力場空間分布特征與規(guī)律,并圍繞其形成機理進行了多因素影響效應分析,主要結論如下:(1)拉西瓦工程河谷地應力場成因復雜,影響因素眾多,在強烈的地殼構造運動和地表地質作用下,