构造作用下白鹤滩水电站地应力场特性研究.pdf

环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全73第一作者简介：于波，女，本科，工程师，研究方向为企业管理和给排水工程。构造作用下白鹤滩水电站 地应力场特性研究于 波1，拾 亭2，李思佳2（1.中国电建集团海外投资有限公司，北京 100048；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 310000）摘要：准确掌握白鹤滩水电站地应力场分布特性能够为其安全建设与运行保驾护航。论文首先总结了白鹤滩坝址区地质构造运动历史；根据地质历史过程利用数值模拟分析方法研究了不同构造运动的挤压效应，为坝址区模型提供了合理边界条件，得出了对坝址区地应力分布的宏观判断：左岸最大主应力方向主要呈 NW 向，岸坡地应力场受到构造应力的影响更明显一些；右岸地下厂房区最大主应力方向主要呈 NS 向，地应力受到岸坡地形的影响更突出。关键词：地质作用，白鹤滩水电站，地应力分布0 引言岩体初始地应力场是指工程建设开挖前的地应力空间分布，在地质年代上是随着时间和空间而不断变化的非稳定场。对于大型地下工程而言（诸如水电、核电工程的地下厂房、长隧道等），初始地应力场是作用在支护结构物上的主要荷载，直接影响洞室的围岩稳定1。地下工程设计和分析首要解决的问题就是准确确定初始地应力场。金 沙 江 白 鹤 滩 水 电 站 规 模 巨 大，总 库 容 为179.24108m3，电站总装机容量 12600MW，是我国继三峡、溪洛渡之后的又一座千万千瓦级水电站2。白鹤滩水电站工程区地质成因复杂，其地应力分布与岩体地质条件和地质作用密切相关，其中的地质条件包括岩组条件和地质构造条件，地质作用包括构造运动和地表地质作用。为准确把握地应力场的分布情况，本文将利用数值模拟分析方法开展地质作用对白鹤滩水电站坝址区地应力状态的影响作用研究。1 坝址区主要地质构造作用构造地质调查和研究表明，白鹤滩区域性基本构造格局形成于燕山后期的构造运动，为 E（东）W（西）向挤压作用的近 N（北）S（南）向展布的挤压构造线为主。但是，构造地质格局与区域构造线呈一定的差别，层间剪切带所代表的挤压构造线呈 NE 向展布特征，右岸大寨乡向斜轴线也呈 NE（东北）向展布，说明燕山期坝址区可能受到 NW（西北）向为主的局部挤压运动3。构造地质调查和研究还显示，在形成目前所看到的构造格局以后，该地区历史上还受到近南北的构造挤压（四川运动和喜山运动），以及 NW 向挤压的新构造运动影响。根据对坝址区断层运动配套关系的调查，这三种不同构造挤压运动都在坝址区有所表现。地表运动的全球卫星导航系统（globalnavigationsatellitesystem，GNSS）监测成果表明，白鹤滩地区目前仍然呈现 NNW（西北偏北）SSE（东南偏南）的挤压运动方式，与新构造运动期的挤压方式接近。从区域角度看，白鹤滩坝址区位于一系列褶皱中的大寨乡向斜的 SW（西南）翼部，坝址区不发育区域性断裂4。因此，坝址区的地应力可以看成区域构造框架基础上所对应的特定褶皱背景和断块条件下的局部地应力场，也就是说，以区域性断层为边界的历史挤压运动对该向斜区域的影响决定了坝址小区域构造应力场分布。从地质作用的角度研究坝址区地应力分布时，需要考察的地质作用包括：1）燕山期的近 EW 向挤压运动（或者为坝址区的 NW 向挤压）；2）喜山期近 NS 向挤压运动；3）新构造运动期的 NW 向挤压运动；4）新构造运动以来的近代地表地质作用。环 保 与 节 能水上安全 2023 年 第 7 期74宏观地，形成本地区构造格局的 EW 向（或坝址区的 NW 向）挤压，以及时代最新的新构造运动的影响可能相对要明显一些。2 坝址区地质与地应力场演变过程分析本文研究以大寨乡向斜构造作为坝址区地应力研究的区域背景，其中大寨乡向斜可以看作是区域背景下的一个地质单元，从地应力研究的角度看，可以认为该单元在历史上受到近 EW 向（燕山期）、NS 向（喜山期）和 NWSE 向（新构造）挤压作用下向斜构造范围内地应力分布的一般性特征，即了解历史构造运动在大寨乡向斜区域范围内可以造成的构造应力残余的表现方式。定性地，因为大寨乡向斜还可能是 NWSE 向挤压作用的结果，而新构造运动也呈NWSE 向挤压特征，现今地应力场中左岸 NW 向的测量结果和右岸 NNWSSE 的片帮解译成果都指示残余构造应力总体上以 NW 向为主的可能。3 构造运动影响分析整个数值分析工作将按照地质历史过程分别考虑燕山运动（EW）、四川运动及喜山运动（NS）、新构造运动（NWSE）的挤压效应以反应构造作用，进而为坝址区模型提供合理的边界条件。3.1 燕山运动的近 E-W 向挤压作用燕山期白鹤滩坝区及其周缘地区的应力场大致与区域上的应力场相同（其中 1呈近东西向，2近直立，3近南北向）。显然地，推论地质历史上褶皱附近地应力异常的确切特征可能相对困难，需要基于如下假设和思路：3.1 研究的重点是了解近 EW 向挤压条件下褶皱附近可能出现的应力变化，即获得褶皱形成初期的区域构造应力分布特征，符合向斜东翼部车坪断层（f3）和新街断层（f4）的相对错动关系；3.1.1研究工作以东端大寨乡向斜褶皱（核部为质量相对较差的 T3J 地层，西翼为 P2地层）为参照对象，但重点考察坝址区受向斜的影响；3.1.2采用数值模型进行分析时，为便于分析，先假设模型内岩体的应力场完全均匀，然后施加边界荷载，模拟燕山期构造挤压条件下大寨乡周边地应力场的相对集中关系。具体特征有以下几方面：1）在岩性分界面一带的翼部地层中地应力分布发生明显变化，主要表现为向斜翼部的坚硬地层中出现显著的地应力集中现象，与此相反地，相对较弱的核部地层中出现了应力降低现象。根据这一结果，当核部地层质量相对较差，而翼部相对坚硬时，燕山期EW 向挤压运动的作用会使褶皱核部岩性分界面一带的地应力出现集中，同时由于大寨乡向斜有 30 的倾角，使得应力集中主要体现在向斜西端，即坝址区这一侧；2）车坪断层（f3）和新街断层（f4）深部交叉及尖灭部位，有明显的应力集中现象，并且在 EW 向挤压作用下，两条断层都表现出了逆冲位移特征，与实际的构造解译所得断层性质特征一致。概括来讲，远离向斜核部的坝址区域整体受大寨乡向斜的影响不明显，但由于右岸距向斜核部更近并且存在从坚硬的玄武岩组 P2向相对软弱的 T1f地层过渡的岩性分界面，所以，坝址区右岸部位整体受褶皱影响的程度大于左岸。即坝址区左右两岸建筑物（如地下厂房）所在区域相对于大寨乡向斜核部空间位置的差别，可能影响到这两个构造部位受构造应力作用的强弱，并可能影响到现今地应力场分布的不同。3.2 四川运动及喜山运动的近 NS 向挤压白鹤滩坝区及其周缘的宏观构造格架在燕山期就基本奠定，而晚白垩世早始新世末期（主要是96 52Ma）开始的四川运动及随后的喜山运动都由于印度板块快速朝 NE（东北）向运移，由此形成的中国西部构造应力场的主要特征是 NNESSW 近水平的缩短作用和 NWW（西北偏西）SEE（东南偏东）向的水平伸展作用5，数值模型中，相应地需要变换边界条件为南北向的挤压与东西向的拉伸作用。由于喜山运动与燕山运动的挤压方向近乎两相垂直，显然地，历史构造运动格局（前期的相互错动关系）以及应力分布特征都难以得到延续的保留。因此受 NS 向挤压作用下，除了断层端部存在明显的应力增高区域以外，大寨乡向斜西翼地层的应力集中有明显的缓解；此外，按照褶皱影响地应力的分布一般原理，向斜核部岩体的最大主应力方向也很可能整体地偏转至与向斜核部走向一致而呈 NS 向。3.3 新构造运动的 NW 向挤压此后随着印度板块与欧亚板块对接撞和持续向北推挤，20Ma 前后青藏高原南部喜马拉雅地体率先向东挤出，5Ma 前后，中甸大具断裂的出现使主要沿金沙江红河断裂的左行位移向东转移到鲜水河小江断裂，持续的向东挤出作用导致川滇地体最终从扬子陆块分离，并发生向南的运动和刚体转动。第四纪以来，川滇块体东缘地区主压应力场的最大主压应力方向为 NW 向，至今应力场没有发生明显的改变。由 NW 向挤压效应下的地应力分布特征，可见除了断层端部存在明显的应力增高区域以外，大寨乡向斜西翼地层的应力集中也很明显。总体地，新构造运环 保 与 节 能Maritime Safety 水上安全75动 NW 向挤压条件下，小区域范围内的应力分布规律特征与燕山期近 EW 向挤压相似，但整体应力集中程度弱于前期。3.4 区域构造影响总结4 个地质时期 3 个不同方向的构造挤压运动在大寨乡向斜一带分别可以造成不同的地应力分布，其中以燕山期近 EW 挤压和新构造 NWSE 的挤压，在向斜核部一带导致的应力调整相对大一些，即容易在褶皱附近形成一个局部地应力场。客观地讲，我们目前无从准确评价这三个方向挤压运动形成的残余地应力对现今地应力场的影响更强烈一些，如果仅就右岸地下厂房区一带普遍存在的片帮现象而言，似乎以 NWNNW 向水平应力为主，与新构造运动的挤压结果似乎更吻合一些。这种吻合性体现在两个方面，一是现今主应力方位和构造应力方位之间的接近性，二是普遍存在的平洞片帮现象说明绝对量值相对较高的现象，而 NS 向挤压一般不造成向斜西翼 NWNNW 向的应力升高现象。仅就历次构造运动在大寨乡向斜构造一带、特别是西翼形成的地应力场状态与现今地应力场特别之间的相似性而言，似乎以 NW 向挤压占据更重要的地位。这或许可以作为从宏观到局部分析思路下的边界条件之一，不过，这种初步认识还会在后期的研究中不断深化。由于坝址区建筑物岩体整体远离大寨乡向斜核部，受宏观褶皱的影响总体不是很突出。如若进一步考察左右岸的比较关系，显然右岸距大寨乡向斜更近，加上坝址区右岸即存在从坚硬的玄武岩组（P2）向相对软弱的 T1f地层过渡的地层分界面，所以，右岸整体受褶皱影响程度必然大于左岸，体现出越靠近向斜核部NW 向挤压效应的残余构造应力条件越得到保留的总体特征。4 结束语工程区岩体地应力分布历来是一个非常复杂和困难的问题，其困难性总体来自两个主要方面：地质条件复杂性和认知手段的局限性。本文将具体地质条件和地质作用的综合分析作为研究工作的整体思路，针对可能影响地应力分布的各项因素进行了较为完备的分析计算，并就引起较大争议的左右岸地下厂区的最大主应力方向问题作出了重点探讨，具体结论如下：宏观构造作用分析说明历史上数次（包括现今）构造运动过程中，小区域内大寨乡向斜使得越靠近大寨乡向斜核部，喜山期的 NS 向应力越能得到保留。由于右岸地下厂区距离大寨乡向斜更近，加上坝址区右岸即存在从坚硬的玄武岩组（P2）向相对软弱的 T1f地层过渡的地层分界面，右岸整体受褶皱影响程度必然大于左岸，所以远离褶皱的右岸厂房区最大主应力由 NW 向北偏转 5 8，方向主要呈 NS 向，而左岸厂房区仅向北为 2 5，多保持在 NW 向。参考文献1 金长宇,冯夏庭,张春生.白鹤滩水电站初始地应力场研究分析 J.岩土力学,2010,31(3):845-850,855.2 刘国锋,冯夏庭,江权,等.白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究 J.岩石力学与工程学报,2016,35(5):865-878.3 徐湘涛.金沙江白鹤滩水电站高边坡岩体力学特性及其稳定性研究 D.成都:成都理工大学,2012.4 金军,杨坤光.金沙江白鹤滩水电站坝址区断层变形特点及成因分析 J.地质科技情报,2007(5):17-22.5 万天丰.论中国大陆复杂和混杂的碰撞带构造 J.地学前缘,2004(3):207-220.