地应力影响因素三维数值模拟分析

陈佳

(四川农业大学城乡建设学院，四川都江堰 611830)

0 引言

地壳岩体中的应力状态与人类工程活动的关系极大，它不仅是决定区域稳定性和岩体稳定性的重要因素，而且往往对各类建筑物设计和施工造成直接的影响。因此，地应力场研究也就成为大型工程建设中的一项重要课题。

在大型水电站工程中，针对坝址区岩体初始地应力场的反演已做了大量研究，方法已经成熟，而针对坝区河谷初始地应力场反演影响因素分析的并不多，本文以某水电工程为实例，结合三维数值模拟，分析河谷在下切过程中受断层、错动带以及侧向剥蚀等因素的影响地应力变化研究。

1 工程实例

某水电站位于金沙江上，河谷呈不对称的“V”字形，两岸为单斜山，左岸谷肩以上为斜坡地形，斜坡沿岩流层层面发育，倾向SE，倾角15°左右，谷肩以下为临江陡壁地形，陡壁间有2级～3级缓坡台地相连;右岸谷肩以上为缓坡地形，岩层倾向SE，倾角10°～15°，近谷肩附近覆盖层厚度5 m～10 m。谷肩以下为陡壁地形，岸坡高陡，间有狭窄的缓坡台阶。此段河流总体流向为由南向北流。

通过对实测地应力资料的分析整理，研究区地应力场实测应力场以NE向为主。在临空面附近的斜坡岩体中，实测最大主应力量值在5 MPa以内，方位角与河流向近于平行，倾角基本上与坡面近于平行，最小主应力方位角与河流向则近于垂直，倾角与坡面也近于垂直;最大、最小主应力从边坡表面向坡内随深度增大而增大，在断层穿越带应力产生分异，整体上以压应力为主;由于研究区范围较大，为了分析更准确，计算结果更接近实际值［1］。

2 三维有限元模型

现今河谷应力场主要是在区域应力场背景下，由于河谷下切、岩体卸荷导致一定范围内谷底、谷坡应力场调整所致。在建模过程中对模型概化作如下考虑［2］:

1)岩流层。

由于模型选取的范围大，为了便于模型的建立与计算，模型中没有具体区别不同类型的玄武岩和角砾熔岩，而将其作为同一种材料。

2)结构面。

为了突出重点，模型中仅考虑了错动较为强烈的F17，F14，F16，F19，F20，C2，C3。

3)地形。

考虑到研究区河谷应力场主要受河谷形状的影响，故建模时只考虑河谷的整体形态及右岸的深沟，而忽略了两岸边坡的微地形。

4)阶地。

研究区金沙江河谷在坝址区段经过了宽谷期和峡谷期两个过程，一共经过了五次快速下切，才形成目前河谷形态。在进行数值模拟计算时，宽谷期考虑为一次形成，而峡谷期则为四次下切形成。

5)计算模型。

模型X轴正方向对应地理坐标的正东向(垂直金沙江)，Y轴正方向对应地理坐标的正北向(金沙江流向)，Z轴正方向对应地理坐标竖直向上。模型中全部采用八节点四面体单元，总单元数为502 765个，节点数为695 726个(见图1，图2)。

图1 初始网格模型

图2 研究区坝址区网格模型

前人研究表明，该水电站区域构造应力场的量级为8 MPa～12 MPa，方向为NE向。而我们对研究区地应力实测资料的统计分析的结果表明，厂房区地应力实测结果，深部最大主应力方向为N30°～80°E，量级在19 MPa～22 MPa之间;最小主应力方向为N64°～73°W，量级为6 MPa～9 MPa。因此，构造应力应沿N30°～80°E方向施加。在FLAC3D计算过程中，将该构造力分解为X方向的力、Y方向的力以及τxy，τxz，τyz施加到各个单元的节点上。

3 影响因素应力规律分析

计算后，从所筛选的两岸岸坡及地下厂房应力进行拟合，量值上，此次拟合计算70%模拟应力值相对误差小于20%，其中30%的模拟值相对误差达到40%左右。方向上，方位角走向基本一致。中间主应力及最小主应力倾角均拟合较好，低高程拟合效果较高。因此，计算结果具有一定的真实性，可以为下面影响因素分析提供数据依据。

3.1 断层及错动带的影响分析

模型中考虑了断层F17，F14，F16，F19，F20和层间错动带C2，C3。河谷应力场反演分析提取出来的数据表明，断层及错动带附近地应力都发生突变。

根据模拟结果提取出来的数据可知，研究区断层及错动带对地应力的影响可归纳为如下几点:

1)C2对地应力有放大作用，影响范围约为100 m。如图3～图5所示，在C2通过的高程，影响范围内岩体的应力增大，增大量值约1 MPa～3 MPa，影响范围外的左右两侧应力大小相等;

2)C3与C2不同，对附近岩体应力的影响则是先放大然后缩小。由图6～图8可以看出，C3上盘应力值明显大于下盘应力值，且上下盘应力量值差约为4 MPa。在C3的上盘应力值明显增大，但当过渡到下盘时应力值又突然减小;

图3 勘Ⅰ1线左岸680 m高程断层附近σ1变化

3)F17，F19，F16附近岩体应力降低，如图4，图7所示。F14，F20对岩体应力影响不大，主要表现在F14，F20通过的地方岩体应力略有下降但不是很明显，如图3所示。

图4 勘Ⅰ4线左岸680 m高程断层附近σ1变化

图5 勘Ⅰ2线左岸680 m高程断层附近σ1变化

图6 勘Ⅰ1线左岸780 m高程断层附近σ1变化

图7 勘Ⅰ2线左岸780 m高程断层附近σ1变化

图8 勘Ⅸ2线左岸780 m高程断层附近σ1变化

图9 勘Ⅰ1线左岸780 m高程σ1变化曲线

图10 勘Ⅸ2线左岸780 m高程σ1变化曲线

3.2 侧向剥蚀的影响分析

侧向剥蚀主要影响左岸应力分布，而对右岸应力分布的影响不是很明显。在河谷应力反演过程中，根据追踪线上的应力可以看出，第一阶段、第二阶段的宽谷河床岩体应力变化规律基本上相同，在这两个阶段研究区岩体主要受垂向剥蚀的影响，从第三阶段峡谷初期开始到第五阶段风化卸荷期，这三个阶段的应力变化规律基本上相同，研究区岩体在这三个阶段主要受侧向剥蚀的影响，岩体应力的这两次较大变化，主要体现在受层间错动带C3影响的地方，如图9～图12均受C3影响，在第一、二阶段受C3影响范围内的岩体在C3上盘岩体应力值明显减小，C3下盘岩体应力值明显增大，第三、四、五阶段C3附近岩体应力变化刚好与前两个阶段相反，即在C3的上盘则表现为岩体应力值明显增大，而C3下盘则表现为岩体应力值明显减小。

图11 勘Ⅸ2线左岸720 m高程σ1变化曲线

图12 勘Ⅰ2线左岸780 m高程σ1变化曲线

4 结语

1)在断层、断层与断层及断层与层间错动带交错部位岩体应力明显减小，在层间错动带C2上岩体应力值明显增大，在层间错动带C3上盘岩体应力值增大，C3下盘岩体应力值减小，且在断层及层间错动带发育的部位最大主应力的方向表现为平行结构面。侧向剥蚀主要影响左岸应力分布，而对右岸应力分布的影响不是很明显。

2)影响地应力的因素有很多，除上述两种外，风化剥蚀、地形地貌对地应力的影响也很大。

［1］ 李攀峰.金沙江溪洛渡水电站坝区地应力场及地下洞室群围岩稳定性数值模拟［D］.成都:成都理工学院硕士学位论文，2001.

［2］ 柴贺军，刘浩吾，王明华.大型电站坝区应力场三维弹塑性有限元模拟与拟合［J］.岩石力学与工程学报，2002，21(9): 1314-1318.

［3］ 张建国，张强勇.大岗山水电站坝区初始地应力场反演分析［J］.岩土力学，2009，30(10):3071-3078.

［4］ 董兰凤，陈万业.拉西瓦水电站峡谷地应力场特征研究［J］.岩石力学与工程学报，2003，22(sup):2544-2547.