三河口水利樞紐工程壩址區(qū)河谷應(yīng)力場(chǎng)分析研究

趙憲民，尹健民，李永松，周春華

（1．長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710001；2．長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；3．陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710001）

三河口水利樞紐工程壩址區(qū)河谷應(yīng)力場(chǎng)分析研究

趙憲民1，3，尹健民2，李永松2，周春華2

（1．長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，西安 710001；2．長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010；3．陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，西安 710001）

三河口水利樞紐工程地處東秦嶺地區(qū)的河谷地段，復(fù)雜地質(zhì)結(jié)構(gòu)和復(fù)雜地形地貌決定了工程區(qū)地應(yīng)力分布的復(fù)雜性。為了研究其地應(yīng)力分布情況，采用水壓致裂法在左右壩肩邊坡和河床部位3個(gè)鉆孔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)試結(jié)果表明：河床部位測(cè)孔埋深0～50 m及兩岸邊坡測(cè)孔500～530 m高程巖體應(yīng)力量值較大，可劃為應(yīng)力增高區(qū)；而河床測(cè)孔埋深50 m以下和邊坡測(cè)孔500 m高程以下，可歸為原巖應(yīng)力區(qū)；河床淺部巖體最大水平主應(yīng)力方位與河流走向基本垂直，隨著埋深的增加而向區(qū)域構(gòu)造方位靠近；邊坡淺層巖體最大水平主應(yīng)力方向與河流在該段走向呈小角度相交，隨著豎直埋深的增加，最大水平主應(yīng)力方位逐漸向NE向過(guò)渡，而接近區(qū)域構(gòu)造方位。

三河口水利樞紐工程；地應(yīng)力；區(qū)域構(gòu)造

1 研究背景

地應(yīng)力是水工建筑物的基本荷載之一，對(duì)壩基巖體的變形和穩(wěn)定具有重要影響。水工建設(shè)壩基所處的河谷地帶的地應(yīng)力在諸如剝蝕、沖蝕、沉積、侵蝕等地表地質(zhì)作用的影響下，巖體的地應(yīng)力分布較為復(fù)雜。因此，巖體地應(yīng)力的組成雖以重力和構(gòu)造應(yīng)力為主，但并不是二者的簡(jiǎn)單相加［1］，這在剝蝕和侵蝕作用都相當(dāng)突出的深切河谷地區(qū)更是如此［2］，可以把河谷地應(yīng)力場(chǎng)看成是在一般地應(yīng)力場(chǎng)（主要由重力和構(gòu)造應(yīng)力組成）的基礎(chǔ)上，由于河谷改造后形成的一個(gè)局部應(yīng)力場(chǎng)［3］。黃潤(rùn)秋教授根據(jù)我國(guó)西部地區(qū)已建、在建和擬建的幾座大型水利水電工程天然和人工高邊坡的應(yīng)力分布情況，將河谷應(yīng)力場(chǎng)分為如圖1所示的應(yīng)力降低區(qū)、應(yīng)力增高區(qū)和原巖應(yīng)力區(qū)［4］。

圖1 河谷邊坡應(yīng)力場(chǎng)分布圖Fig．1 In-situ stress distribution in the river valley slope

由于三河口水利樞紐工程壩址區(qū)巖體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且地處河谷縱橫、溝谷深切的復(fù)雜地形地貌區(qū)，因此，深入開展工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律研究對(duì)于工程選址、設(shè)計(jì)與施工都具有非常重要的意義。為此，采用了常規(guī)水壓致裂法在左右壩肩邊坡和河床部位分別進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，并根據(jù)測(cè)試結(jié)果對(duì)工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系進(jìn)行了討論。

2 地質(zhì)概況

三河口水利樞紐為引漢濟(jì)渭工程的2個(gè)水源之一，是整個(gè)調(diào)水工程的調(diào)蓄中樞。工程地處陜西省漢中市佛坪縣與安康市寧陜縣交界的子午河中游V形河谷段，樞紐壩址位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)上游約3．8 km處，樞紐主要由大壩、壩身泄洪放空系統(tǒng)、壩后泵站、電站和連接洞等組成。壩址位于佛坪縣大河壩鄉(xiāng)以北約3．8km的子午河峽谷段，屬秦嶺中段南麓中低山區(qū)，河谷呈“V”字形發(fā)育，兩岸地形基本對(duì)稱，山體雄厚，自然邊坡坡度35°～50°。壩軸線附近河床高程524．80～526．50 m，谷底寬79～87 m，河床覆蓋層厚度5．8～11．8 m。

壩址區(qū)發(fā)育的斷層大部為逆斷層，力學(xué)性質(zhì)以壓性及壓扭性為主。地表出露的斷層破碎帶寬度一般為30～150 cm，影響帶寬度1．0～8．0 m；平硐出露的斷層延伸長(zhǎng)度小于50 m，破碎帶寬度一般為5～20 cm，影響帶寬度為0．3～0．5 m，規(guī)模較小。壩址區(qū)主要出露斷層大部分為高傾角，斷層走向玫瑰花圖如圖2。由圖2可知，斷層按走向可分為4組：①走向270°～285°（SW）∠50°～80°，力學(xué)性質(zhì)為壓性；②走向300°～320°（NE／SW）∠58°～88°，力學(xué)性質(zhì)以壓扭性為主；③330°～350°（SW）∠50°～80°，力學(xué)性質(zhì)以壓扭性為主；④10°～20°（NE）∠50°～80°，力學(xué)性質(zhì)為張性、張扭性為主。

圖2 壩址區(qū)斷層走向玫瑰圖Fig．2 Rose diagram of faults in the dam area

3 測(cè)試方法及測(cè)試結(jié)果

3．1 測(cè)試方法簡(jiǎn)介［5］

本次采用常規(guī)水壓致裂法進(jìn)行測(cè)試。常規(guī)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試原理是利用一對(duì)可膨脹的橡膠封隔器，在預(yù)定的測(cè)試深度封隔一段鉆孔，然后泵入液體對(duì)該段鉆孔施壓，根據(jù)壓裂過(guò)程曲線的壓力特征值計(jì)算鉆孔橫截面上的最大、最小主應(yīng)力值。若鉆孔鉛直（如本次測(cè)試），鉆孔橫截面上的最大、最小主應(yīng)力即為最大與最小水平主應(yīng)力，記作σH與σh。由于致裂縫通常情況下沿鉆孔軸線及鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向起裂與擴(kuò)展，裂縫的方向就是鉆孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向。σH與σh按下式計(jì)算：

式中：Ps為維持裂縫張開的瞬時(shí)關(guān)閉壓力；Pr為裂縫重張壓力；Pb為破裂壓力；P0為孔隙水壓力；σt為巖石的抗拉強(qiáng)度。

另外，垂直應(yīng)力由測(cè)點(diǎn)上覆巖體自重計(jì)算，壓裂縫方向由定向印模器確定。這種測(cè)試方法的測(cè)試深度大，測(cè)試結(jié)果計(jì)算時(shí)不需彈性常數(shù)，進(jìn)而避免了由于參數(shù)取值不準(zhǔn)而引起的誤差，同時(shí)具有能在假設(shè)條件下對(duì)二維應(yīng)力的分布規(guī)律進(jìn)行分析的優(yōu)點(diǎn)，經(jīng)常被應(yīng)用在一些工程巖體地應(yīng)力測(cè)試研究中。

3．2 測(cè)試成果分析

根據(jù)工程需要和測(cè)試安排，在左右岸壩肩邊坡及河床部位的3個(gè)鉆孔進(jìn)行了水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。測(cè)孔布置見圖3，其中：ZK41的孔口高程為665．33 m，ZK33的孔口高程為681．3 m，ZK47的孔口高程為527．3 m。測(cè)試結(jié)果見圖4。

圖3 工程壩軸線縱剖面及測(cè)孔布置圖Fig．3 Longitudinal profile of the dam axis and position of test boreholes

測(cè)試結(jié)果顯示河床測(cè)孔ZK47測(cè)試區(qū)域最大水平主應(yīng)力量值在5．2～13．9 MPa之間，最小水平主應(yīng)力在3．6～10．2 MPa之間，最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)（λ＝σH／σz）在3．0～11．4之間，表明該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。且河床底部存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，參考文獻(xiàn)［4］的分區(qū)方法，可將河床部位埋深0～50 m的范圍劃為應(yīng)力增高區(qū)，而埋深50 m以下歸為原巖應(yīng)力區(qū)。該測(cè)孔淺部巖體最大水平主應(yīng)力方位為NNW（N29°W－N39°W），與河流走向基本垂直。深部巖體最大水平主應(yīng)力方位為NNE（N12°E－N21°E）。

圖4 水平主應(yīng)力量值與孔深的關(guān)系Fig．4 Relationship between horizontal principal stress and depth

ZK33鉆孔在測(cè)試區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力量值范圍在2．1～11．1 MPa之間，最小水平主應(yīng)力在1．8～7．2 MPa之間。ZK44鉆孔在測(cè)試區(qū)域內(nèi)最大水平主應(yīng)力量值范圍在2．1～10．7 MPa之間，最小水平主應(yīng)力在1．8～6．5 MPa之間?？偟膩?lái)說(shuō)，岸坡測(cè)孔測(cè)試結(jié)果相似，岸坡測(cè)孔在高程530 m以上巖體最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)（λ＝σH／σz）在0．7～1．7之間；高程500～530 m巖體最大水平主應(yīng)力的范圍為7．2～11．1 MPa，相對(duì)較大，且最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)在1．7～2．6之間；高程370～500 m巖體最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)在0．8～2．0之間，集中分布在1．3左右。測(cè)試范圍內(nèi)，巖體最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)遠(yuǎn)大于自重σz產(chǎn)生的側(cè)壓力系數(shù)μ／（1－μ），表明該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)以水平應(yīng)力為主導(dǎo)。

從圖4可以看出：邊坡測(cè)孔在500～530 m高程范圍內(nèi)應(yīng)力量值較高，參考文獻(xiàn)［4］的分區(qū)方法，可以歸為應(yīng)力集中區(qū)，隨著深度的增加，地形影響逐漸減弱，應(yīng)力量值隨埋深增加穩(wěn)定增大，可以歸為原巖應(yīng)力區(qū)。

綜合以上測(cè)試結(jié)果，三測(cè)孔在河床高程附近均有應(yīng)力集中。河床高程附近及以上測(cè)點(diǎn)地應(yīng)力方位受局部地形控制。河床以上的最大水平主應(yīng)力方位與子午河及山體走勢(shì)（N51°E）基本平行。河床高程巖體最大水平主應(yīng)力方位與子午河及山體走勢(shì)大角度相交。深部巖體最大水平主應(yīng)力方位集中分布在NNE向。

4 工程區(qū)應(yīng)力狀態(tài)與區(qū)域構(gòu)造的關(guān)系

三河口水利樞紐工程地處新構(gòu)造活動(dòng)和地震活動(dòng)都較弱的東秦嶺地區(qū)，位于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)北緣主邊裂帶，以南相對(duì)穩(wěn)定的地塊上。工程區(qū)屬于秦嶺緯向構(gòu)造體系中留壩—山陽(yáng)構(gòu)造帶略陽(yáng)—寧陜斷裂亞帶，大致以大河壩、兩河一帶分為西段略陽(yáng)—洋縣斷裂帶和東段的寧陜—南寬坪斷裂帶。由多條平行斷裂組成，近東西向波狀展布。斷面多向北陡傾，擠壓破碎帶、透鏡體發(fā)育，炭化片理化普遍。主干斷裂旁側(cè)派生構(gòu)造發(fā)育，并指示主干斷裂具順時(shí)針扭動(dòng)特征。主要是燕山早期和中期歸并改造早期生成的斷裂而強(qiáng)烈活動(dòng)的壓扭性斷裂帶，表明區(qū)域主要應(yīng)力方向?yàn)槟媳毕颉?/p>

從該水利樞紐工程壩址區(qū)的測(cè)試結(jié)果可以看出：邊坡孔淺部巖體最大水平主應(yīng)力方位受河谷地形的影響，與河流及山體走向基本平行，隨著埋深的增加，構(gòu)造應(yīng)力影響越來(lái)越大，河床測(cè)孔和邊坡測(cè)孔最大水平主應(yīng)力方位逐漸向NNE方向偏轉(zhuǎn)而接近南北向。這與工程區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向基本一致。且3測(cè)孔深部巖體最大水平主應(yīng)力方位與工程區(qū)域NS向的構(gòu)造方向及壩址區(qū)張性斷層走向接近，同時(shí)，與壩址區(qū)壓扭性斷層走向成大角度相交。

5 結(jié) 論

壩址區(qū)的地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果分析表明：

（1）壩肩邊坡及河床部位鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果顯示河床孔測(cè)試部位巖體最大水平主應(yīng)力量值范圍為5．2～13．9 MPa，最小水平主應(yīng)力為3．6～10．2 MPa。左右岸兩測(cè)孔應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，其最大水平主應(yīng)力為2．1～11．1 MPa，最小水平主應(yīng)力為1．8～7．2 MPa。

（2）受河谷地形的影響，河床部位及左右岸測(cè)孔在河床高程附近均有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象。可將河床部位埋深0～50 m的范圍劃為應(yīng)力增高區(qū)，而埋深50 m以下歸為原巖應(yīng)力區(qū)。邊坡測(cè)孔500～530 m高程巖體最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)較大，可劃為應(yīng)力增高區(qū)；而邊坡測(cè)孔500 m高程以下巖體最大水平主應(yīng)力側(cè)壓系數(shù)集中分布在1．3左右，可歸為原巖應(yīng)力區(qū)。

（3）受河谷地形的影響，河床高程以上巖體最大水平主應(yīng)力方位與河流走向與山體走勢(shì)基本平行。河床底部巖體最大水平主應(yīng)力方位與子午河及山體走勢(shì)大角度相交。隨著埋深的增加，構(gòu)造應(yīng)力影響越來(lái)越大，最大水平主應(yīng)力方位逐漸向工程區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力方向偏轉(zhuǎn)。

［1］ 陶振宇，朱煥春，高延法，等．巖石力學(xué)的地質(zhì)和物理基礎(chǔ)［M］．武漢：中國(guó)地質(zhì)大學(xué)出版社，1996．（TAO Zhen-yu，ZHU Huan-chun，GAO Yan-fa，et al．The Geological and Physical Basis of Rock Mechanics［M］．Wuhan：China University of Geosciences Press，1996．（in Chinese））

［2］ 王 濤，周先前，田樹斌，等．基于正交設(shè)計(jì)的河谷地應(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬方法及應(yīng)用［J］．巖土力學(xué)，2003，24（5）：831－835．（WANG Tao，ZHOU Xian-qian，TIAN Shu-bin，et al．Numerical Simulation Method for Rock Natural Stress Field of a Valley and Its Application Based on Orthogonal Experiments［J］．Rock and SoilMechanics，2003，24（5）：831－835．（in Chinese））

［3］ 黃潤(rùn)秋．巖石高陡邊坡發(fā)育的動(dòng)力過(guò)程及其穩(wěn)定性控制［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，27（8）：1525－1544．（HUANG Run-qiu．Geodynamical Process and Stability Control of High Rock Slop Development［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2008，27（8）：1525－1544．（in Chinese））

［4］ 黃潤(rùn)秋．中國(guó)西南巖石高邊坡的主要特征及其演化［J］．地球科學(xué)進(jìn)展，2005，20（3）：1525－1544．（HUANG Run-qiu．Main Characteristics of High Rock Slopes in Southwestern China and Their Dynamic Evolution［J］．Advances in Earth Science，2005，20（3）：1525－1544．（in Chinese））

［5］ 劉允芳．巖體地應(yīng)力與工程建設(shè)［M］．武漢：湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2000．（LIU Yun-fang．Geostress and Engineering Construction［M］．Wuhan：Hubei Science and Technology Press，2000．（in Chinese） ）

（編輯：劉運(yùn)飛）

In-situ Stress in the River Valley of Dam Site of Sanhekou Hydro-Junction

ZHAO Xian-min1，3，YIN Jian-min2，LIYong-song2，ZHOU Chun-hua2
（1．School of Geological Engineering and Geomatics，Chang’an University，Xi’an 710054，China；2．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；3．Shaanxi Provincial Institute ofWater Resources and Electric Power Investigation and Design，Xi’an 710054，China）

Sanhekou Hydro-junction project is located in the river valley of east Qinling area．Complex geological structure and topography determines the complexity of in-situ stress distribution．To investigate the distribution of in-situ stress，hydraulic fracturing testwas carried out on 3 boreholes in the slopes of both abutments and the river bed．Measured results show that the stress values are relatively large in buried depth of 0-50m in borehole at the river bed，and elevation of 500-530m in the boreholes at both banks，which can be designated as increased stress zone．Meanwhile，the area of buried depth under 50m in the borehole of river bed and elevation under500m in the boreholes of both banks can be designated as original stress zone．In the shallow rockmass under the riverbed，the orientation ofmaximum horizontal principal stress is nearly perpendicular to the river trend，and with the increase of burial depth，it is close to the direction of regional structure．In the surface rockmass of slope，the direction of maximum horizontal principal stress intersectswith the river trend at an small angle，and with the increase of burial depth，it transits to the northeast gradually．In deep buried rock mass，the direction ofmaximum horizontal principal stress is close to the regional tectonic．

Sanhekou hydro-junction project；in-situ stress；regional tectonic

TV223．31

A

1001－5485（2013）02－0031－04

10．3969／j．issn．1001－5485．2013．02．007

2012－06－05

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃973項(xiàng)目（2011CB710603）；水利部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)項(xiàng)目（201001009）；中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目（CKSF2011020／YT）

趙憲民（1963－），男，陜西蒲城人，高級(jí)工程師，博士研究生，從事地質(zhì)工程專業(yè)研究，（電話）13809143632（電子信箱）zxm1201＠vip．sina．com。