拉西瓦水电站三维地应力场分布特征及成因分析

拉西瓦水电站三维地应力场分布特征及成因分析

1拉西瓦水电工程地质环境地质条件分析在岩石力学的发展过程中，对地应力测量、地应力场模拟等问题的研究发挥了非常重要的作用。虽然实测地应力是了解地应力场最直接、最可靠的途径,但地应力测量费时、费财、费力、技术要求高,在工程现场不可能进行大量测试;另一方面,地应力场成因复杂,影响因素众多,各测点的测量结果在很大程度上仅反映了当地的局部应力场。因此,必须针对具体的工程地质条件在实测资料的基础上进行地应力场的分析计算,以获得更为准确、合理的较大范围的地应力场分布。对于河谷地应力场,许多学者从不同的角度进行了有益的探讨[1~7],这些研究和探讨涉及到河谷地应力场的模拟反演、地质成因、分布规律及分带特征等。从目前和未来我国大型岩体工程建设的特点与需求来看,随着西部大开发战略的实施,许多大型岩体工程将在西部陆续开工建设,而西部地区具有全球最强烈的现代地壳运动,活动断裂发育,地质环境极为复杂,加上高山峡谷等地形地貌条件,往往使河谷区赋存有高地应力场,由此所诱发的岩爆与大变形问题,将会对工程安全与稳定性产生重大影响,从而增加了地应力场确定的重要性。拉西瓦水电工程位于青海省东北部、贵德县与贵南县交界处的黄河干流上,挡水建筑物为坝高250m的对数螺旋型混凝土双曲拱坝,水库正常蓄水位2452m,电站额定水头205m,装机6台,总装机420×104kw,库容10.79亿m3,年发电量102亿Kw⋅h。该电站作为黄河上最大的水电站,同时又是西电东送北通道的骨干电源,它的建成将对我国西部开发和经济发展具有十分重要的意义。其坝址区为高山峡谷地貌,受地质构造应力、自重、地表剥蚀和河流侵蚀卸荷等作用而赋存有高地应力。由于坝址区的高地应力及其空间分布特征与多期地质构造运动及河谷演化历史等因素密切相关,要合理确定该区三维地应力分布状态与大小具有一定难度。此外,其地下厂房规模大,主厂房开挖尺寸为311.75m×30.0m×73.84m(长×宽×高),厂房区硐群岩性为印支期花岗岩,被Hf8,F73,F164等结构面所切割,整个厂房区地质条件较为复杂,地下洞室群在施工开挖过程中洞室围岩稳定和合理支护措施均与地应力场的分布密切相关。本文结合拉西瓦水电工程,采用多元线性回归与逐步回归相结合的方法对岩体初始地应力场进行了详细反演,在此基础上,深入研究了河谷区地应力场的空间分布特征与规律,并就其形成机理开展了多因素影响效应分析,以便为我国西部强烈地质作用区高地应力研究及水电工程建设提供具有参考价值的成果和工程案例。2岩饼及地层结构已有地质资料揭示,拉西瓦坝址区近河谷及坡脚部位的勘探钻孔中普遍出现饼状岩芯,勘探硐壁在开挖期间出现岩石爆裂、岩片(块)弹落和新鲜岩石片状剥落等现象。实测三维地应力资料表明,坝址区地应力在400m深度范围内为20~30MPa,在河床部位可达50MPa以上,说明坝址区基岩赋存有高地应力。主要的高地应力现象包括:(1)三维地应力测试结果表明(见表1),最大主压应力σ1为8.8~29.7MPa,10个点中有6个点σ1超过20MPa,且均在2300m高程以下。最小主应力σ3为2.2~13.1MPa,σ1σ3为1.7~4.0。实测点最大主压应力倾角为19°~55°,大多在40°左右,近于平行岸坡,且均向岸外倾斜。最大主压应力方向为NE向的有5个测点,且均在NE65º以下;NW向的有5个测点,且均大于NW300º;(2)勘探及地应力测试钻孔中发现有饼状岩芯(岩饼)(见图1),最大集中分布厚度约70cm,单块岩饼厚度1~2cm,岩饼底面略凸,上面略凹,断面新鲜粗糙,中部略显微擦痕和剪切错动阶坎;(3)勘探硐、施工交通洞、厂房上导洞等洞壁坚硬新鲜岩石中出现片状剥落,断层带处出现板状劈裂。其特征主要呈千枚状薄片,手捏呈碎末,剥落总深度为3~5cm。而断裂带中板状劈裂呈2~4cm的薄板;(4)探洞完成一段时间后,洞顶完整新鲜岩石地段局部发生非常明显的板状剥皮,延续时间可至开挖后2~3年内;有些探洞开挖时会出现岩石爆裂声响及岩片(块)弹落。3谷库区三维地应力场的反演3.1剪切构造运动针对拉西瓦坝址区的高地应力特点和深切陡峭河谷地形特征,本文三维地应力场反演选择多元回归与逐步回归相结合的方法,并考虑下列6种初始基本因素:(1)自重应力状态;(2)东西向水平均匀挤压构造运动;(3)南北向水平均匀挤压构造运动;(4)水平面内的均匀剪切构造运动;(5)东西向垂直平面内的竖直均匀剪切构造运动;(6)南北向垂直平面内的竖直均匀剪切构造运动。(水平均匀挤压构造运动为法向作用,均匀剪切构造运动为切向作用)根据多元回归法原理,将地应力回归计算值σˆk作为因变量,把数值计算求得的自重应力场和各分项因素下的构造应力场相应于实测点处的应力计算值σki作为自变量,则回归方程的形式为式中:k为观测点的序号;为第k个观测点的回归计算值;Li为相应于自变量的回归系数;σki为相应应力分量计算值的单列矩阵;n为包括自重和构造应力的分项荷载模式数。假定有m个观测点,则最小二乘法的残差平方和为式中:σj*k为k观测点j应力分量的观测值;σjki为i分项荷载模式下k观测点j应力分量的数值计算值;应力分量j=1~6,分别对应于6个应力分量。根据最小二乘法原理,使得S残为最小值的方程式为解此方程组,得到n个待定回归系数L=(L1,L2,,Ln)T,则计算域内任一点p的回归地应力,可由该点各分项荷载模式下数值计算应力值叠加而得:由于各分项子构造应力之间是相容的,其中一个因素的引入必然造成其余因素的退化,因此,还需要计算复相关系数、F值和偏相关系数等,并通过对回归方程和回归系数进行显著性检验,将不显著因素从回归因子中剔除。相关显著性检验的基本理论在此不加累述。3.2数值计算模型根据拉西瓦工程坝址区1:1000平面地形地质图,在坝址区数值模型中,对坝址区两岸及河谷地形等进行了较为真实的模拟。数值模型的计算坐标为:x轴由西向东,y轴由南向北,z轴铅垂向下。数值模型模拟范围为:顺河向从大地坐标x=3442,6300模拟至x=3442,7000共700m,横河向从大地坐标y=399,3240模拟至y=399,4180共940m;竖直向下模拟至高程2000m。考虑断层时的数值模型共分为549423个单元,102205个结点。其地形地貌图与数值模型网格图分别见图2,图3。坝基岩体容重为26.9kN/m3,泊松比µ=0.25。坝址区花岗岩体的力学参数见表2。通过对各种荷载模式进行三维数值计算,将获得的计算应力数据(数值观测值)用于回归分析,并进行显著性检验后确定回归方程为式中:下标w,u,v,τ分别代表按自重、东西向水平边界构造力、南北向水平边界构造力和水平剪切力4种荷载因素;e代表误差;a,b,c,d为待回归系数。对前述10个三维测点进行回归分析,获得的复相关系数为:R=0.8051。考虑到5,6,7号实测点值离散性较大,将它们剔除后再进行回归,获得的回归系数分别为:a=1.8397,b=1.6434,c=0.9482,d=4.5668,e=0.4046,复相关系数为R=0.9036。表3对比列出了地应力测点的实测值与回归值,表明各点主应力量值和方向具有良好的一致性,因此,回归效果显著,回归计算模式基本上是合理的。4河谷区高肥力场特征及机理分析4.1拉西瓦址区地应力分析通过现场资料分析和有限元数值计算,得出拉西瓦坝址区地应力场具有如下分布特点:(1)河床部位应力分布从图4~图6所示近坝轴线(x=3442,6580m)剖面主应力分布可见,主应力σ1,σ2,σ3均在河床部位风化带以下形成封闭等值线,说明该部位应力集中现象明显,且呈三向压状态,即存在所谓的“应力包”。其中,第1主压应力σ1在河床应力集中区的大小约为30~57MPa,应力集中区范围为竖直深度约90m,水平宽度约190m,这与河床区域地应力实测结果是基本一致的,如河床部位的地应力测点ND-11埋深为31~34.05m,主压应力值却高达54.6MPa(见表1),此外,地质钻探资料表明,沿河床和坡脚部位的钻孔岩芯饼化现象较为普遍,如河床ZK36#孔在深度36m以下、坡脚ZK28#孔在深度27m以下的微新花岗岩体中出现饼状岩芯,说明该区存在高地应力集中。(2)主应力方向图7的主应力矢量分布图表明,在风化界线以上的河床及岸坡表层岩体中,沿河谷谷坡大主压应力方向倾向河谷,且与坡面倾角基本一致。而沿风化界线向内,大主压应力方向发生偏转,倾角与风化界线基本一致,方向依然倾向河谷。在岩体更深部,大主压应力倾角有逐渐变缓的趋势。(3)地应力沿水平埋深变化规律为分析河谷两岸第1主应力量值沿不同高程的水平变化规律,分别整理出近坝轴线(x=3442,6580m)剖面2180m,2210m,2280m和2360m高程上各点第1主应力值随相应水平埋深的变化曲线如图8~图11,图中2180m高程变化曲线从左岸向右岸穿越了河床应力集中区但位于风化界线以下,2210m高程变化曲线(以河床部位中点为0点)从河床部位中点向右岸山体内穿越了风化界线和应力集中区,2280m和2360m高程变化曲线(以右岸坡面为0点)从坡面向右岸山体内穿越了风化界线但位于应力集中区以上。从图8可见,河床应力集中大约在其中部的微新岩体中达到峰值,并向左右两岸以较大应力梯度降低,此后则脱离应力集中区而基本趋于平稳。图9所示σ1在河床表层岩体中量值较小,穿越风化界线后快速上升并达到峰值,然后从峰值迅速降低并基本趋于平稳。图10和图11中σ1量值从岸坡向山体内部沿水平埋深的变化规律与图9基本一致,但随着高程的增加其应力峰值明显减小。(4)地应力沿垂直埋深变化规律图12为河床部位(大地坐标x=3442,6585,y=399,3750)铅直应力分量σz和第1主压应力σ1值沿垂直埋深的变化曲线。图12表明σz随埋深呈现增加的趋势,σ1沿垂直埋深具有与前述图8所示沿水平埋深类似的变化规律,即第1主应力在近岸坡表层岩体中量值较小,穿越风化界线后快速上升并达到峰值,然后从峰值迅速减小并基本趋于平稳。且明显可以看出在应力集中区的σz随埋深增大速率高于其它部位。(5)坝址区地应力分区特点上述分析表明,拉西瓦坝址区地应力分布大致可分为4个区:风化界线以上表层岩体受黄河河谷下切的侵蚀作用和应力释放影响,应力量值较小,为应力松弛区;靠近风化界线的狭窄区域应力梯度激增,主应力量值迅速增加,为应力过渡带;河床部位风化带以下的微新花岗岩体中应力集中显著,为应力集中区;其它部位主应力沿高程变化较为平稳,为应力正常分布区。如图13所示。4.2拉西瓦址区河谷地基应力场产生的地质背景地应力的来源,按照陈宗基教授的观点,来自5个方面,即岩体自重、地质构造运动、地形势、剥蚀作用和封闭应力。就河谷地应力场来说,在漫长的地质年代里,由地壳升降与水平运动所引起的岩体加荷或卸荷过程、区域应力场调整、河流走向、地表剥蚀风化、河谷侵蚀冲切、温差应力、地形地貌、岩体结构面及岩石物理力学性质(包括岩石变形模量、泊松比和岩体强度等)的变化等因素,均会对其产生影响。拉西瓦坝址区河谷高地应力场是在区域地应力场的基础上伴随着河谷的形成而形成的,它的形成是内外动力共同作用的结果。(1)岩体物理力学性质从能量积累的观点来看,岩体地应力可以说是能量积累与释放的结果,岩体应力的上限必然要受到岩体强度的限制。根据李光煜、白世伟教授等的统计资料表明,弹性模量较大的岩体有利于地应力的积累。拉西瓦坝址区岩石强度高,岩体致密坚硬,完整性好,断层分布较少,规模不大,性状较好,为高应力场的形成提供了前提条件;(2)地质构造作用根据已有的地质调查和研究资料,受地质演变历史影响,拉西瓦坝址区地质构造应力的主压应力方向曾发生5次变迁,即:SN→NNW→NNE→NE(NEE)。地质构造运动强烈,水平挤压作用使得河谷区存在较大的水平应力,为高地应力场的形成提供了外动力条件;(3)地表剥蚀风化、河谷侵蚀卸荷效应在强烈的水平地质构造作用下,随着地表的剥蚀风化、河谷侵蚀卸荷,谷坡岩体表层法向应力得以释放,地表岩土体的力学参数降低,从而形成表层应力释放带,而主要受岩体内水平构造应力影响在河谷谷底形成集中区。5拉西瓦河谷地应力场特征本文采用多元回归与逐步回归相结合的方法对具有高地应力特征的拉西瓦工程区初始地应力场进行了详细反演,在此基础上,研究了其河谷区地应力场空间分布特征与规律,并围绕其形成机理进行了多因素影响效应分析,主要结论如下:(1)拉西瓦工程河谷地应力场成因复杂,影响因素众多,在强烈的地壳构造运动和地表地质作用下,