叶巴滩水电站高地应力现象及地应力场反演分析_蒋行行.pdf

第 43卷第 1期2023年 2月防灾减灾工程学报Journal of Disaster Prevention and Mitigation EngineeringVol.43 No.1Feb.2023叶巴滩水电站高地应力现象及地应力场反演分析蒋行行1，赵其华1，韩刚2，陈舒怡1，佐旭明1（1.成都理工大学环境与土木工程学院地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都 610059；2.四川省地质矿产勘查开发局 106地质队，四川 成都 611130）摘要:为了研究叶巴滩水电站坝址区的地应力场特征，通过现场地质调查，对坝址区高地应力现象的发育形态特征和空间分布特征进行描述和分析，结果表明：坝址区岩芯饼化发育的强烈段多分布在河床以及两岸低高程；片帮现象以轻微片帮和中等片帮发育为主；岩芯饼化和片帮集中发育段可判定为应力集中带。同时，根据坝址区工程地质条件和实测地应力资料，通过数值反演分析方法，考虑地形地貌和断层对初始应力场影响，对坝址区的初始应力场进行反演分析。结果表明：反演应力值与实测应力值基本吻合，能够较合理、准确反映坝址区的初始应力场；坝址区的初始应力场是由自重应力场和构造应力场叠加而成，且以水平向构造应力为主；坝址区应力场可以大致划分为应力松弛带、谷底的应力集中带、岸坡应力过渡带和岸坡深部的应力平稳带；在模型边界断层上下盘附近会有一定的应力集中现象，形成高地应力区。关键词:地质调查；高地应力；数值模拟；初始应力场中图分类号:TU443；X45 文献标识码:A 文章编号:16722132(2023)01007008Inversion Analysis of High Geostress Phenomenon and Geostress Field of Yebatan Hydropower StationJIANG Hanghang1，ZHAO Qihua1，HAN Gang2，CHEN Shuyi1，ZUO Xuming1(1.Chengdu University of Technology State Key Laboratory of GeoHazard Prevention and GeoEnvironment Protection Chengdu University of Technology,Chengdu 610059,China；2.Sichuan Provincial Bureau of Geology and Mineral Exploration and Development Bureau 106 Geological Team,Chengdu 611130,China)Abstract:In order to study the characteristics of the geostress field in the dam area of Yebatan Hydropower Station，a field geological survey was conducted to describe and analyze the development forms and spatial distribution characteristics of the high geostress phenomena at the dam site.The results show that the strong sections of core cake development at the dam site are mainly located in the riverbed and at the low elevation of both banks；the flaking phenomenon is mainly characterized by slight flaking and medium flaking；Stress concentration zone can be defined as core discing and strip concentration.At the same time，according to the engineering geological conditions and in-situ stress data of the dam site，the numerical method is used to invert the initial stress field of the dam site，which is DOI：10.13409/ki.jdpme.20220714007收稿日期：20220714；修回日期：20221116基金项目：国家自然科学基金面上项目（41272333）、国家重点基础研究发展计划(2011CB013501)资助作者简介：蒋行行（1997），男，硕士研究生。研究方向为岩土体稳定性。Email:通讯作者：赵其华(1965)，男，教授，博导，博士。主要从事地质工程、岩土工程方面的教学与科研工作。Email：70considering the influence of topography and fault on the initial stress field.The results show that the inversion stress values are basically consistent with the in-situ stress values，and this reflects that the initial stress field of the dam site is reasonable and accurate；the initial stress field of the dam site is composed of gravity stress field and tectonic stress field and the horizontal tectonic stress is the main stress.The stress field of the dam site can be divided into stress relaxation zone，stress concentration zone of the valley floor，stress transition zone of the bank slope，and stress leveling zone of the deep bank slope；there will be a certain stress concentration phenomenon near the footwall of the model boundary fault，forming a high in-situ stress area.Keywords:geological survey；high geostress；numerical simulation；initial stress field0 引 言青藏高原近百万年的持续隆升作用，在云贵高原和四川盆地之间形成总体呈南北走向的巨大的陆地形迫降带，构成我国大陆地形从西向东急剧骤降的特点1。发育于青藏高原的河谷在这一过程中由于强烈快速下切、应力释放与调整，导致该区域的地应力场十分复杂。复杂地质区域的地应力场对岩土工程和水利水电工程的各类地下建筑物的稳定性存在重要影响。在高地应力区域，工程的开挖和钻进过程中往往能够带来了一系列的工程地质现象，常见的有岩芯饼化、岩爆、软岩大变形等2。胡伟等3通过对锦屏高应力钻孔岩芯的形貌特征分析，结合数值模拟的方法，认为岩芯发生饼化现象的首要条件是有足够的应力场，且地应力越大，使形成的岩饼厚度越小；L.Obert 等4通过实验，在承受高水平径向应力的岩块内钻取出了饼状岩芯，并认为岩芯饼化是由于高应力开挖卸荷导致的岩芯拉伸断裂所致；赵青等5根据某水电站坝区的高地应力现象的特征分析，认为高地应力现象是多种因素综合作用的结果，其中区域构造背景和地质构造是重要条件；陈菲等6根据现场地质调查，认为可以根据勘查和施工过程中表露的高地应力现象来补充判定工程区域是否属于高应力区。判断所在工程区域的地应力状态除观察揭露的地应力现象以外，原位地应力测试是获取地应力值和方向最直接、有效的途径，目前地应力实测方法有数十种，主要有：水压致裂法、应变恢复法、应力解除法、声发射测定等。但由于场地受限和经费等问题的限制，不可能进行大量的地应力现场测量。而且地应力场成因复杂，影响因素众多，测点相对分散，使得地应力量测结果具有一定的离散性7。因此，为了更好地满足工程设计和施工项目的需要，还需要在实测地应力结果的基础上，结合现场地质条件，通过数值计算分析的方法，进行地应力场反演分析，可获得较为准确的适用范围较大的宏观地应力场8。近年来，一些专家、学者在初始地应力场的反演分析方面做了大量的工作。刘允芳等9采用有限元和应力反演分析方法，对研究区建立了二维和三维力学模型，进行了地下厂房模拟计算；蔡美峰等10采用有限元拟合的方法，考虑了断层结构面对地应力场的影响，对某矿区的地应力场分布规律进行了研究，且拟合结果获得了较高的精度；董志高等11根据水电站坝址区工程地质与水文地质条件以及实测地应力资料，采用 ANSYS 作为有限元计算工具对地下厂房区岩体初始地应力进行了分析；部分学者1215分别对锦屏、官地、大岗山、双江口水电站进行三维数值模拟计算，模拟结果能够较为准确的反演这些水电站坝址区的初始地应力场。上述学者对于地应力场反演结果多根据实测地应力值进行拟合效果评价，但工程区域应力场成因和地质条件较为复杂，在反演分析的结果时难以考虑局部裂隙、断层发育的存在对应力场的影响，而这些结构面又会引起实测地应力值较大的变化，所以仅通过实测地应力对比分析缺少一定准确性。因此，本文根据叶巴滩水电站坝址区揭露的高地应力现象，根据地应力实测点位进行地质现场调查，确定地应力异常点所处的地质条件，结合数值分析方法对坝址区的初始应力场进行反演分析，得到坝址区地应力场特征，为坝基和地下硐室的开挖提供地应力依据。711 地质环境背景叶巴滩水电站坝址区位于青藏高原的东南部，两岸山体雄厚，地形完整，呈基本对称的“V”型深切峡谷。坝区山顶海拔高程超过 4 000 m，两岸斜坡相对高差大于 1 000 m，河谷高程在 2 720 m，按照地貌学划分属于高山峡谷地貌。坝址区两岸基岩大多裸露，主要出露地层为华力西期石英闪长岩（43），属坚硬岩，呈浅灰色，抗风化能力较强。基岩岩性单一，岩脉基本不发育，覆盖层为第四系崩坡积、崩积及少量冲沟内的洪积物，厚度约 1520 m。坝址区一方面随着青藏高原向东部的快速隆升，使得坝区现今构造应力场为近EW 向主压应力场，在方向上与河流近于正交，造成坝址区形成局部高地应力；另一方面坝址区谷坡高陡，相对高差大于 1 000 m，自重应力量值高。上述两种应力叠加导致坝址区天然状态下初始地应力较高。2 高地应力现象特征2.1 高地应力评价方法高地应力是相对于围岩强度而言的，当围岩内部的岩体强度与最大地应力的比值达到某一水平时，才能称为高地应力16。围岩强度比可以作为判断围岩稳定性的指标，有些国家还以围岩强度比作为地应力状态分级指标（表 1）。叶巴滩水电站坝址区微新岩体的围岩强度比为 45，按照我国工程岩体分级基准初步判定为高地应力；同时，经勘查表明，叶巴滩水电站坝址区有出现岩芯饼化、平洞片帮等高地应力现象。2.2 岩芯饼化现象岩芯饼化是指在岩体钻探取芯过程中出现岩芯断裂成饼状的现象，这是一种高地应力区所特有的岩体力学现象。为了进一步了解叶巴滩水电站坝址区的高地应力特征，作者对坝址区出现岩芯饼化现象的钻孔作了编录，并对岩饼的发育形态特征和空间分布特征进行了统计分析。2.2.1 岩饼