基于水力模型的地应力场反演研究

基于水力模型的地应力场反演研究

1河谷区地应力场分布规律随着中国西部大规模开发战略的实施，大量大型节水工程已在中国西部进行。由于工程区大多地处河谷纵横、沟谷深切的复杂地形地貌区,深入开展河谷区地应力场分布规律研究对于工程选址、设计与施工都具有非常重要的意义。深切河谷区地应力场是在区域地应力场的基础上由于地表剥蚀、河流侵蚀等地质作用,并伴随河流下切过程,在谷底和岸坡一定范围内发生应力调整而形成的局部地应力场,其分布规律受到岩组条件、区域地应力场条件、河谷形态及演化历史等因素的影响。研究人员从不同角度对河谷区地应力场影响因素进行了研究分析。白世伟和李光煜根据二滩坝址区实测地应力资料,发现谷坡地应力明显存在应力释放区、应力集中区、应力平稳区,在河床浅部受地表风化和卸荷作用,先出现应力松弛而后出现应力集中现象。修俊峰等根据某工程3个坝段的地应力实测资料,结合地应力的地质成因及其展布规律分析,将河谷区应力场分为应力松弛带、应力集中带、应力趋稳带和应力稳定带,其中应力松弛带、应力集中带、应力趋稳带均在地形、地貌、卸荷影响范围内,故可总称为应力调整带;而应力稳定带则可称为应力非调整带。朱焕春等通过二滩、小湾等水电站的河谷应力分布规律研究发现,河谷应力场地应力分布主要受岩性、地质构造、地壳运动等区域性地质条件,以及河谷发育特征,包括河谷形态、走向和河谷发育时间等两个方面的影响因素,并讨论了用河谷形态(高宽比)、河谷发育时间以及区域地应力场强弱(区域边界上的应力比)等来研究河谷应力场的影响。黄润秋等对锦屏、二滩、小湾、溪洛渡、瀑布沟、龙羊峡、拉西瓦、李家峡等大型水电站坝址区的河谷地应力分布规律进行了系统研究,发现可将坝区河谷应力场从宏观上划分为3个带和1个谷底高应力区,其中,应力增高带内的应力高低主要受岩性及断裂构造控制,谷底部位应力受河谷形态控制。谷坡应力释放主要是通过“塑性破坏区”来实现。田玉中和李攀峰通过数值模拟等手段,研究了构造应力走向与河谷走向不同夹角的情况下的河谷地应力场分布特征:当区域主压应力的方向与河谷走向垂直(或大角度相交)时,岸坡部位表现为明显的应力分异现象——应力驼峰,河谷部位同样也有明显的应力分异现象——应力包;相反,与河谷走向(接近)平行的主应力(尤其是倾角较缓)不易出现应力分异现象。水压致裂法是确定地应力场的最主要的方法之一,适用于地形相对平坦地区;然而,在河谷和岸坡地形起伏较大的地区,由于卸荷作用岸坡近坡面处主应力方向会发生偏转,此时水压致裂法地应力测量的一个很重要的假定,即当钻孔垂直时重力为一个主应力的假设可能不满足,其适用性如何尚未有一致结论。此外,现有研究成果初步认为河谷区地应力场存在3个分区,即应力释放区、应力集中区和应力平稳区,但应力分区机制及各区之间出现的具体埋深缺乏系统科学的分析,有待开展进一步的深入研究工作。鉴于此,本文通过对南水北调西线工程7个坝区的水压致裂法地应力测试结果的详细分析,并基于三维有限差分数值模拟技术,对阿达坝址区的地应力场进行了反演,讨论了水压致裂法在河床和谷坡的适用性问题,并分析了阿达坝址区河床与谷坡的地应力分布规律,从而为工程设计与施工提供可靠的地应力依据,研究成果对类似工程研究具有一定的借鉴意义。2工程地质概况南水北调西线工程位于青藏高原东北部,从长江上游经巴颜喀拉山输水入黄河,是我国水资源优化配置、解决北方地区缺水的一项战略性基础设施工程。经多方案比选,初步选定雅砻江、大渡河5条支流的达曲–贾曲联合自流线路调水40亿m3为第一期工程;雅砻江干流阿达水库输水到黄河支流贾曲的自流线路,调水50亿m3,为第二期工程。受黄河水利勘测设计有限公司委托,中国科学院武汉岩土力学研究所共对西线一期工程的加塔、扎洛、申达、纪柯、阿安5座坝址和二期工程的阿达和博爱坝址进行了现场地应力试验。由于篇幅有限,本文仅对阿达坝区工程地质条件进行简述,其余6个坝区工程地质概况参见报告。阿达坝区坝段河谷为峡谷,高程为3443.2~3460.2m,相对高差600~1000m,两岸临河山顶高程一般为4000~4400m,山顶浑圆,属中等~深切割高山峡谷区。坝址区河谷底宽70~150m,总体流向自北向南。岸坡自然坡度一般为30°~40°,发育I,II,III级阶地。坝段基岩岩性为中细粒花岗闪长岩,坝段构造不发育,未见较大规模断层分布,主要的结构面为节理裂隙。坝址区地层为燕山早期岩浆岩侵入三叠系侏倭组(T3zw)中形成的中酸性~酸性岩浆岩侵入体,侵入体周围出露有三叠系上统侏倭组,此外还有第四系地层分布。第四系以冲积砂砾石为主,河床覆盖层厚度0~20m,坝肩覆盖层较薄,强弱风化带深度大约为50m。3地层水景地质条件及水压致裂地应力分析与其他地应力测试方法进行比较,水压致裂法突出的优点是测量深部岩体地应力。此外,该方法还具有以下优点:(1)不需要岩石弹性常数参与计算,可避免由弹性常数取值不准确而引起的误差;(2)岩壁受力范围较广(孔壁承压段可长达1~2m),从而避免了“点”应力状态的局限性和地质条件不均匀的影响;(3)操作简易、测试周期短等。通过对南水北调西线工程区7个坝址孔现场水压致裂地应力测试结果(见表1)进行回归分析(见图1),可以发现,近地表区(河床约60m以上),受谷坡卸荷影响,属于应力释放区,岩体地应力量值较低;远地表区(河床约60m以下),属于应力集中区,岩体地应力量值明显增大。由于各坝段河床宽度为50~80m,初步认为,河谷区地应力场在1倍河床宽度深度范围内属于应力释放区,超过1倍河床宽度深度范围则属于应力集中区。4模型回归分析由于上述坝址区河床孔深度限制,使得现场实测地应力数据有限,不能很好地揭示河谷区地应力场的分区变化规律,尤其是应力集中区下限深度的具体位置。本文以阿达坝址为工程背景,根据阿达坝址河床孔ZK4现场地应力实测结果,如表2所示,采用目前工程中常用的有限元数学模型回归分析方法来反演阿达坝址区初始地应力场。此外,考虑到由于卸荷作用岸坡近坡面处主应力方向会发生偏转,此时水压致裂法地应力测量的一个很重要的假定,即当钻孔垂直时重力为一个主应力的假设可能不满足,故以河床孔ZK4现场地应力实测数据为基础进行反演分析,将河床孔实测数据与反演结果进行对比分析验证反演方法的实用性。同时,将坝肩孔ZK3实测深度处对应的计算结果与现场实测结果(见表2)进行对比,分析卸荷作用引起岸坡主应力方向偏转的影响范围,进而讨论水压致裂法在谷坡的适用性。根据大地坐标系与任意空间坐标系之间的转换公式,将表2中的实测值转换为模型坐标系下的应力分量,如表3所示。表3中河床孔ZK4和坝肩孔ZK3均有应力分量值τyz=τzx=0。4.1局部因素分析从表2可以看出,在测试深度范围内,随着测试深度的增加,阿达坝址河床孔ZK4最大水平主应力值基本呈增大趋势。值得指出的是,7#测点处由于存在原生裂隙,使得测试结果明显偏低,数值反演分析时由于无法考虑该局部因素的影响,故实际反演过程中剔除该点数据。根据河床孔ZK4的地应力实测结果,统计大主应力(最大水平主应力)、中主应力(最小水平主应力)以及侧压系数与高程间的关系,如表2所示。其中侧压系数λ1,λ2分别为最大、最小水平主应力与垂直主应力的比值。4.2多元回归方程有限元数学模型回归分析方法是将可能形成初始应力场的因素(如自重,构造作用等)作为待定因素,建立待定因素与实测资料之间的多元回归方程,运用数理统计方法,使残差平方和达到最小,由此求得回归方程中各自变量(待定因素)系数的唯一解,然后根据所求得的回归方程,计算出整个区域的初始应力场。4.3模型总体结构根据场区地形图及工程地质勘察报告,建立坝址区模型实体及网格划分,如图2所示,模型尺寸为长×宽×高=1000m×2000m×1000m,图2中的地层编号1~4与表4一致。计算模型以坝段内河流方向为y向,垂直于河流方向为x向,垂直向上为z向。整个模型采用四、六面体单元,共791271个单元,481687个节点。岩体材料本构模型采用弹性本构模型,选用物理力学参数如表4所示。4.4主应力的倾角图3为坝址区地应力场第一主应力分布云图。为了检验模拟结果的可靠性,将坝址区河床孔现场实测地应力结果与对应点位的数值模拟结果进行对比分析,如表5所示。结果表明,除7#测点(钻孔测试深度96.02m)的计算值与实测值相差较大外,其他各测点的误差都较小(基本上都在20%以内);河床孔的第一、第二主应力倾角近似水平,各测点的绝对值平均为3.5°;第三主应力倾角的平均值为86.08°(近似于垂直方向);第一主应力的方位角平均值为NE86.08°,与实测值NE79°吻合较好。因而本文采用的反演方法能较好地模拟坝址区的初始应力场,同时也说明河谷的卸荷作用对谷底应力场方向的影响较小,并且随着埋深的增加,影响越来越小,第一、第二主应力方向越来越趋于水平。7#测点的第一、第二主应力的计算与实测值误差较大的原因在于该测段所对应岩体含原生裂隙,使得实测第一、第二主应力值比临近测段的主应力值明显偏低,而在数值反演时并不能考虑该局部因素的影响,因而使得计算与实测结果误差较大。(4)整体上细研究点深度对应的计算值分别对沿钻孔ZK3和ZK4现场地应力实测深度以下以30,20m为间距提取了计算值,实测深度范围内提取各测点深度对应的计算值,汇总如表6所示。将提取的各计算点的第一主应力值绘制曲线如图6所示。第一主应力沿垂直埋深的变化规律与其沿水平埋深类似,即第一主应力在近岸坡表层岩体中量值随深度增加较小,而在穿越风化界线后快速上升并达到峰值,然后增加幅度变缓并逐渐趋于平稳。此外,在同一深度,河床孔的第一主应力值明显高于坝肩孔。(5)层岩体应力释放及地应力表现上述分析结果表明,阿达坝区深切河谷区地应力场存在3个分区即应力释放区、应力集中区和应力平稳区,岸坡地应力场也存在上述3个分区。谷坡自坡面向里约100m及谷底60m深度范围内,表层岩体受外界风化、侵蚀作用以及应力释放的影响,第一主应力值较低,属地应力释放区,图2所示的河床孔ZK4的地应力实测结果也与之吻合得较好。在应力释放区深度以下,岩体地应力值迅速增高,岩体中应力集中显著,为应力集中区。当谷底深度超过140m及谷坡水平深度超过200m后,第一主应力沿高程及水平埋深变化较为平稳,属于应力稳定区,如图6所示。本文计算得到的谷底应力集中范围在河床下60~140m范围内,与白世伟和李光煜计算得到的二滩水电站应力集中下限深度160m并不完全一致,显然应力集中带的深度受岩体卸荷强弱程度和地形地貌的差异影响较大。5区地应力场反演分析通过对南水北调西线工程7个坝址河床孔现场实测结果和阿达坝址区地应力场反演结果分析,可以初步得出如下结论:(1)南水北调西线工程7个坝址河床孔的现场水压致裂地应力测试数据回归分析结果表明,河谷区地应力场约在1倍河床宽度(超过50m)深度范围内属于应力释放区,超过1倍河床宽度深度范围则属于应力集中区。(2)阿达坝址坝肩孔的实测最大水平主应力方向为NE15°,与河床孔底部最大水平主应力方向NE79°相差64°,差值较大,反映出深切河谷地形地貌对岩体应力方向的控制作用。(3)采用有限元数学模型回归分析方法对阿达坝址区地应力场进行了反演分析,通过对比分析河床孔ZK4的反演结果与实测结果可知,地应力大小和方向都吻合得较好,说明采用该方法来反演初始地应力场是切实可行、简单有效的,同时也说明河谷的卸荷作用对谷底应力场方向的影响较小,采用水压致裂法来确定河床区域的应力场是可行、可靠的。通过对比分析坝肩孔ZK3的反演结果与实测结果可知,浅部谷坡的地应力场受河谷卸荷作用影响较大,在该区域采用水压致裂法确定地应力场误差可能会比较大。(4)阿达坝址区现场实测与数值模拟结果表明,不仅河谷区地应力场存在3个分区即应力释放区、应力集中区和应力平稳区,岸坡地应力场也存在上述3个分区。阿达坝址区谷底应力集中范围在河床下60~140m范围内,超过140m深度范围属于应力平稳区,岸坡自坡面向里深度超过200m范围属于应力平稳区。(5)深切河谷区应力集中带的深度受岩体卸荷强弱程度和地形地貌的差异影响较大。由于河谷在发育演化过程中的卸荷作用,使得岸坡在一定范围内的主应力方向发生偏转。为了验证水压致裂法在岸坡的适用性,将表5中坝肩孔的计算值与实测值(见表2)进行对比可知,坝肩孔第一、第二主应力倾角离散较大,各测点的绝对值平均为20.89°,且第三主应力倾角的平均值为58.59°,与水压致裂法的假设条件相差较大,因此,浅部岸坡孔的地应力场受河谷卸荷作用影响较大,第一主应力倾角可达36.17°(略大于坡角32°),从而说明在该区域水压致裂法来确定地应力误差可能会比较大。值得注意的是,随着垂直埋深的增加,最大主应力计算值与实测值的相对误差、最大、最小水平主应力倾角总体上呈减小趋势,因此,在较深的范围内，受卸荷影响作用较小时，此时水压致裂法假设能够满足，则可以用来确定谷坡应力场。通过对现场