基于三维有限元的地应力场分析

基于三维有限元的地应力场分析

谷库是在区域结构应力场的作用下，随着河流的切割过程，在一定范围内调整低岸边坡的应力，形成的特殊应力场。其分布特征受河谷地形特征、区域构造应力大小、方向,尤其是区域主压应力方向与河谷走向之间关系等诸多因素影响。为此,本文选取两种典型的高山峡谷,通过模拟河流下切过程,展现其空间应力场特征;进而通过对比分析,来阐述区域主压应力方向与河谷走向平行和垂直两种情况下高山峡谷型河谷应力场的一般特征,以为我国西南高山峡谷地区的水电建设提供研究思路和方法。为便于论述,将区域主压应力方向近平行或近平行于河谷走向的河谷称为Ⅰ型河谷,区域主压应力方向与河谷走向垂直的河谷称为Ⅱ型河谷。1典型河谷地质条件总结1.1地质背景及地应力测试方法研究区位于金沙江某峡谷中段。金沙江流向S50°～60°E。河道顺直,枯水期水位370m,江面宽70～110m,正常蓄水位600m,相应谷宽500～535m。两岸山体浑厚,河谷断面呈较对称的“U”型,谷坡陡峻。峡谷地形完整,左岸坡度40°～75°,右岸55°～75°,两岸谷肩680～860m高程以上为第四纪堆积缓坡平台,地形宽阔平缓,倾向下游。区内地层除泥盆系、石炭系及第三系地层大多缺失外,其余各系地层发育齐全。其中以下古生界和二叠系、三叠系地层分布最广。除峡谷进口段河床谷底分布有二叠系下统阳新灰岩上段茅口组灰岩(P1m),两岸谷肩残留部分二叠系上统宣威组砂页岩(P2x)外,绝大部分由上二叠系峨眉山玄武岩(P2β)组成,是间歇性多期裂隙喷溢陆相基性火山岩流,在区内总厚度为490～520m。据喷溢间断共划分为14个岩流层(P2β1～P2β14),各岩层间均为假整合接触,又由下部的玄武质熔岩和上部的集块熔岩组成,两者渐变过渡。第四系松散堆积物不整合于上述基岩上。该区地质构造简单,未见较大规模的断层(包括顺河断层)。除局部发育小断层外,主要是一套发育于岩流层层间和层内的构造错动带及构造裂隙体系。迄今,研究区地应力测试工作如下:(1)6组Kaiser效应室内测试;(2)6组孔径法及1组空心包体法测试;(3)河床不同部位进行了9个深孔的水压致裂法量测,取得了103段的地应力测值和43段印膜结果,并在地下工程勘探部位进行了三个不同方向钻孔的测试,得到了179段地应力数据和84段印膜结果。1.2地应力调查研究研究区位于青海省贵德县黄河峡谷中,全长约1.5km,距峡谷出口约3.0km。黄河自N45°E方向流入,至坝址处呈近EW向,后又折转NE、SE向,在峡谷出口处急剧转弯。坝区地形表现出典型的河流深切高原峡谷之地貌特征,河谷狭窄,岸坡陡峻,山体雄厚,水流湍急。横剖面呈“V”字型,两岸基本对称。区域地层简单,以三叠系变质岩、印支期花岗岩及新生代陆相沉积岩为主,从老到新包括三叠系下统龙羊峡群(T1ln1)、印支期侵入花岗岩(γ5)、第三系上新统贵德组(N2)和第四系(Q4)等。而地质构造则以断裂为主,据其走向可分为NWW、NNW及NE—NEE三组,以前两组为主。据工程需要,有关单位采用压磁法、孔径法和水压致裂法,在坝区选取13个测点做现场地应力测试。其中,10个空间地应力测点,均布置于两岸的勘探平硐内,垂直埋深120～320m,水平埋深60～364m;其余3个为平面地应力测点。2河谷区典型剖面的分析运用3D-σ软件,通过试算反演方式确定边界荷载,进而分4步模拟河流下切过程,得到现今应力场。计算范围如图1所示。模拟河流第四次下切后,即形成了典型的高山峡谷型河谷。其河谷部位各主应力均呈不同程度的应力集中现象,但以最大主应力的集中最为显著,高达20MPa左右。而坝区应力场的应力迹线趋于平缓,远离河谷区的主应力迹线方向为:500m高程以上,中间主应力近直立,最大主应力与河谷近平行,最小主应力与河谷近垂直;500m高程以下,因上覆岩层厚度增加,近竖直的应力量值逐渐大于与河谷方向近平行的水平应力而成为最大主应力。为进一步分析河谷应力场的空间分布特征,特取典型剖面详细分析。图2为该典型剖面的最大、最小主应力分布图,可见:(1)两岸最大和最小主应力均随高程增大呈线性减小。(2)两岸不同高程平切面上最大主应力量值变化不大,无明显的应力降低和应力集中带;而最小主应力在岸坡附近逐渐降低,远离岸坡的山体内无明显变化。这与最大主应力方向平行于河谷,最小主应力方向垂直于河谷有关。(3)河床部位最大主应力随高程增高而线性减小;最小主应力在靠近河床部位明显降低。3应力场模拟运用3D-σ软件,通过试算、反演等方法确定边界荷载后,分三步模拟河流下切过程,即可得到现今应力场。由典型剖面三个主应力的应力分布图(图3)可以看出:(1)最大应力结果表现在2000m高程,最大主应力较平稳,无明显的应力分异现象,这说明河流下切所造成的应力集中带位于2000m以上;在2300m高程,靠近岸坡,受卸荷影响,最大主应力降低,接着出现一应力增高带,然后向山体内部趋于平稳。最大主应力随垂直埋深的变化规律是:总体随垂直埋深增大而增大,但在两岸山体内,最大主应力随垂直埋深接近线性变化,而河谷底部约70～200m处分布有明显的应力增高带,200m以下变化趋势与两岸山体相近。(2)中间主应力分析在2000m高程,两岸山体内较平稳,但在河谷底部有较明显的增高,说明河流下切所造成的应力集中带分布于2000m以下;在2300m高程,除靠近岸坡受卸荷影响明显降低外,两岸山体内中间主应力随水平埋深无明显变化。中间主应力随垂直埋深的变化是:随垂直埋深的增加而总体呈增加的趋势,不同的是,两岸山体中,中间主应力随垂直埋深的增加接近线性增加,而河谷底部较浅范围(约50m)内,随垂直埋深的增加中间主应力迅速增大,而该范围以外,中间主应力随垂直埋深的变化不大。(3)应力降低原因最小主应力随水平埋深的变化不大。只是在靠近岸坡的地带,受卸荷的影响,应力明显降低。最小主应力随垂直埋深的变化规律是:两岸山体内最小主应力随垂直埋深的增大而增大,基本呈线性变化;河床以下200m以内有一定程度的应力集中,以下变化规律与两岸山体类似。4型河谷、中小企业应力分布区域表2由上可见,区域主压应力方向与河谷流向之间夹角的差异,直接导致了Ⅰ型与Ⅱ型河谷的应力场显现出迥然不同的特征。主要表现在如下方面:(1)岸坡部位:Ⅰ型河谷的最大主应力无明显的应力分异现象;而Ⅱ型河谷随水平埋深的增加,依次为应力降低带、应力增高带、应力平稳区,河流下切岸坡回弹造成的应力分异现象明显。这主要是由于Ⅰ型河谷的区域压应力方向接近平行河谷走向(即最大主应力与河谷走向接近平行),不利于该方向的卸荷,故岸坡部位最大主应力随水平埋深变化不大,比较平稳。而Ⅱ型河谷的区域主压应力方向与河流走向垂直,当河流下切时,与河谷走向垂直的方向(最大主应力方向)具备卸荷条件,因而最大主应力受河流下切影响,发生明显的应力分异现象。在靠近岸坡部位,Ⅰ型河谷的最小主应力具有明显的应力降低带,且范围比较大,而Ⅱ型河谷的最小主应力应力分异范围明显要小。(2)河床部位:Ⅰ型河谷的最大主应力几乎无应力分异现象,而Ⅱ型河谷的最大主应力则明显分异为:应力降低带、应力增高带和应力平稳带。Ⅰ型河谷的最小主应由应力降低带直接过渡到应力平稳带,无明显的应力增高带,而Ⅱ型河谷的三带比较明显。5应力的方向与河谷走向的关系综上所述,深切峡谷区的现今应力场是在区域应力场的背景下,叠加由于河流下切、河谷一定范围内岩体卸荷回弹引起的应力调整而形成的。区域主压应力的方向与河谷走向之间的关系直接决定着河谷区地应力