第四节　地应力分布的局部性

一、地应力分布局部性的工程表现

第三节关于地应力分布的叙述侧重于其宏观性规律,对确定一个地区深埋工程建设时是否存在高应力问题和这类问题出现的基本条件有着指导性作用。比如,在加拿大地盾地区,当埋深达到1500m时开始比较普遍地出现高应力问题,这一认识对工程实践有着很好的指导性作用。比如,当采矿达到这一深度时,有必要调整采矿方式、优化布置,甚至改变围岩支护方式以控制和消除应力型问题对施工安全和进度的影响。

锦屏二级水电站深埋隧洞绝大部分洞段埋深在1500m以下,当隧洞掘进到1500m埋深时也开始出现高应力破坏,同样的问题也存在于该工程,即1500m以下的开挖是否一直存在高应力破坏且破坏程度越来越强烈?如果采用强度应力比作为评价指标,答案是肯定的。但是,实践证明问题应力型破坏并非和埋深之间存在单调增长关系。锦屏二级水电站深埋隧洞最强的岩爆破坏并非出现在最大埋深段。造成这一现象的主要原因是地应力分布的不均匀性。局部地应力异常是导致岩爆破坏的重要因素,特别是强烈的岩爆破坏,一般是局部异常地应力影响的必然结果。当然,这是地应力局部异常现象对工程不利的一面,在一些条件下还可能有利于工程建设,只是这种情况下往往不引起工程界的关注,也往往被研究人员所忽略。

当地应力局部导致一些工程现象时往往能引起注意,在前期勘探中最常见的工程现象为钻孔岩芯饼化。现实中的岩饼往往只在某一个孔深段出现,除少数极端情况外,很少出现全孔饼化的现象。并且,一个钻孔内不同段的饼化程度往往并非随孔深增大而加剧,饼化往往是局部孔段的局部现象,在岩性条件保持稳定的情况下,指示了地应力异常现象。

深切峡谷水电工程前期勘探平洞内也会出现片帮破坏,片帮也并非随平洞埋深的增大而不断加剧,而是出现在局部的几个洞段。深埋矿山巷道的片帮和岩爆破坏也存在这种规律性,即这些应力型破坏并非总是发生且和埋深呈单调增长关系,而往往是一种局部现象,是局部地应力场作用的结果。

地应力局部化及其导致的空间变化性在金沙江白鹤滩水电站坝址区表现得非常突出和普遍,在工程勘探阶段的一些工程现象即揭示了这一特点。最初的工程表现是测值分散性大。在保证测试数据可靠性的条件下,距离相对较近的测点之间的主应力方向和大小差别悬殊。正是这一原因,白鹤滩坝址区开展了约1000点的地应力测试,其测试工作量在同类工程中非常罕见。

金沙江白鹤滩坝址区复杂的地质条件使得很多因素可以导致地应力异常和空间变化,但是所有这些因素中,层间剪切带的影响最普遍和最突出。进一步的现场调查发现,层间剪切带周边地应力异常不仅表现为其周边一定范围内地应力测试值的变化,而且还表现为埋深较大的地下厂房勘探平洞内片帮破坏与层间剪切带存在一定的空间关系。

锦屏二级水电站辅助洞在掘进过程中遭遇了一段性状较差的绿泥石片岩,其埋深达到1500m。即便假设最大主应力量级和自重相同,在岩体力学参数合理取值范围内的大量收敛应变法估算和数值计算均显示该洞段存在严重的变形和变形稳定问题。虽然现场也出现了大变形现象,但问题的严重程度与经验估计和数值计算成果差别非常明显,这种差异的根源在于对初始条件的把握。在排除岩体力学取值合理性问题以后,初始地应力假设的现实合理性成为问题的关键所在,调查和论证绿泥石片岩段地应力异常及其表现形式成为解决问题的工作方向。

图2-27左以锦屏二级1号引水隧洞为例表示了绿泥石片岩段所在的地质构造条件。绿泥石片岩所在地层(T1)构成了陡立背斜的核部,两翼为坚硬的大理岩。这种构造条件下两翼硬质大理岩起到了承载层的作用,软弱岩体构成的核部区域有可能存在一个应力降低区,使得实际应力水平低于按照自重估算的量值。

图2-27右下表示了背斜构造条件下地应力分布特征的数值计算成果。由于地应力形成在构造运动期,数值计算无法获得可靠的定量结果,但可以帮助揭示核部软弱、翼部坚硬背斜构造条件下岩体地应力分布规律(相对大小)。图中粗线条表示了软、硬地层分界,在水平挤压条件下,背斜构造不同部位的地应力分布差异现象明显,局部化特征突出,核部软岩的大部分区域都形成了一个应力降低区,证实了背斜构造条件下核部地层可能存在的地应力降低现象。

在评价绿泥石片岩段存在地应力异常(降低)的基础上,现场工作需要了解背斜部位地应力分布特征,为分析和优化设计提供可靠的基础资料。为此,现场采取的方法之一是综合分析。

首先根据大变形出现的部位和特征判断断面最大主应力的方位,并根据断面上变形分布均匀性结合大变形表现判断断面主应力比值大小,获得基本判断;然后对假设的几种地应力状态(最大主应力和自重的比值、断面主应力比)进行隧洞开挖和支护条件下的变形计算,通过比较计算位移和监测位移之间的吻合程度确定相对可靠的初始地应力场条件。

最终的分析成果显示在该特定地质背景条件下地应力局部异常的具体表现为:与大理岩地层相比,绿泥石片岩段地应力状态更接近静水压力状态,三个主应力之间的比值更小。综合现场条件和既往认识,最大主应力方位与大理岩段基本一致,即总体上与隧洞轴线一致。隧洞横断面方向上的最大主应力与垂直应力之比为1.05,反映了岩性对地应力的影响;绿泥石片岩段垂直应力分量小于上覆岩体重量,结合围岩稳定和变形特征推测二者之间的比值在0.70左右。这一假设主要考虑了该洞段特定褶皱形态特征的影响,性质软弱的片岩位于尖棱状背斜的核部,大理岩构成的“拱”可以导致局部应力重分布,使得“拱”内的软弱地层处于一个相对的低应力区。在现场围岩条件下,如果地应力水平按正常取值,则围岩表现出的变形程度、稳定性将与实际不符。比如,未支护的底板将出现影响施工的鼓起变形,而现场没有出现这种迹象。

该洞段局部地应力异常的工程表现主要是变形量值和稳定程度与一般地应力假设条件下既往经验、数值计算成果之间的显著差别,而揭露该异常主要依赖于对现场现象的观察、位移监测结果分析和综合的数值分析计算。可见,判断和分析地应力异常现象可以采取多种手段,发现和解决问题遵循的基本原则是从现场着手和充分利用现场信息,如本例中的背斜构造、变形现象等都成为发现问题和确定工作思路的重要基础,计算分析成为验证和深化工作思路的手段。

二、局部地应力场基本特征

影响岩体地应力局部化的因素很多,局部分布形式也非常复杂多样。目前的认识水平还主要处于积累阶段,即了解导致局部化的主要因素和局部化分布的基本特征,这方面的积累也相对有限,更难以定量掌握不同条件下地应力的定量化分布。本小节主要介绍了到目前为止取得的一些认识和成果,以测试成果为主,包括部分分析成果和实践认识。

影响地应力局部异常的主要因素和作用结果主要包括如下方面。

(1)岩组条件。在软硬相间岩组条件下,硬岩往往承担较高的应力和具备较高的应力比,锦屏二级深埋隧洞西端绿泥石片岩段形成的局部地应力场实际上体现了岩组条件的影响。

(2)褶皱条件。由于褶皱的规模一般相对较大,规模相对较小的褶皱宽度也可以达到数百米,褶皱构造因此往往可以在较大范围内引起地应力异常。一般来说,向斜核部地层地区应力水平和应力比呈现增高的趋势,而背斜似乎相反,因此向斜核部更容易导致应力型问题。

(3)断裂条件。由于断裂的性质和形成机制差别较大,断裂附近岩体地应力异常程度和表现方式也可以差异悬殊,这是工程中最难事先把握和判断的环节。断裂构造是否导致明显的地应力异常以及异常区的基本特征如何,往往需要在开挖揭露以后通过一些现象进行判断。

(4)剧烈起伏的地形条件。这以深切河谷地区最具有代表性,导致的地应力分布相对复杂。

前面已经以锦屏二级深埋隧洞经过的背斜段为例介绍了背斜构造导致的局部地应力场特征,本小节侧重介绍岩组条件和断裂构造导致的局部地应力分布。

就岩组条件而言,软弱岩层因为刚度低、变形性好,在构造运动和河谷下切改造过程中,对应力变化的响应是变形,这使得软弱岩性层内最大、最小主应力的差别减小,处于一种相对良好的地应力状态。

与软弱岩性层相邻的硬质岩层则起到了“承载层的作用”。由于岩体刚度大、变形小,构造运动和河谷下切等外界环境变化在这类岩性层中直接表现为应力的变化。一个普遍的现象是最大、最小主应力差值增大,这在软弱互层岩体中可能更突出一些。

图2-28是某一地区灰岩和页岩中的实测地应力成果(据C.Fairhurst)。横坐标表示了地应力大小,单位为MPa;纵坐标是以米为单位的埋深。图中不同的线段表示了最大、最小水平主应力和垂直应力的测试结果,各应力分量线段长短表示了测试结果的变化范围。根据这一互层条件下的测试成果,页岩中最小水平主应力和垂直应力非常接近,一般在12MPa左右,最大水平主应力的平均值不足14MPa,二者之间的比值仅为1.17左右,具有接近静水压力状态的特征。

与页岩中应力状态显著不同的是,页岩相邻的灰岩中最小水平主应力仅8MPa左右,最大、最小水平主应力之比达到1.5左右,比页岩中要高一些。

白鹤滩右岸PD62平洞的片帮集中在结晶玄武岩中,基本不出现在角砾熔岩中,这除与岩石脆性特征相关以外,不同岩性层内地应力分布的差别也可能是客观存在的因素。当然,它们之间是相关的,脆性岩性层更容易形成较大的差应力。由此可见,地应力和岩组特征构成了某种程度的互存条件,即地应力不是脱离基本地质条件的一个独立因素。

岩组条件可以导致地应力分布的不均匀在锦屏二级深埋隧洞实践中也得到充分体现。该工程西端经过了砂板岩互层地层,该洞段开挖过程中砂岩中出现过岩爆现象,指示砂岩承受了较高的地应力,或者砂岩中的应力状态较差的基本特征。

缓倾或近水平的结构面对岩体地应力的分布可以造成显著的影响,这种形式的断裂构造导致的地应力异常现象在加拿大URL(地下研究试验室)和白鹤滩坝址区都比较典型,前者通过大量的测试结果所揭示,后者导致了很多的工程现象和潜在的工程问题。

加拿大URL建设过程中一共进行了1000次解除法和80次水压致裂地应力测试,该地区的花岗岩中发育一组近水平的结构面,这一组结构面将地应力大小随深度的变化分为如图2-29所示的三个带。在大约270m以下的深度,实际最大主应力水平大大超过了加拿大地盾最大主应力的平均水平,特别是在第2破裂带附近,最大主应力显著增高,形成局部的最大主应力异常。

白鹤滩的一些缓倾剪切带是有厚度和显著起伏的结构面,这种条件下周边地应力的分布可能更加复杂,如图2-30所示。这种条件下地应力分散性很大,一些起伏部位仍然可能具备较高的法向应力水平,因此具备积累较高能量的能力。虽然加拿大URL的实例不能直接帮助了解白鹤滩坝址区地应力状态,但该实例揭示的规律却是有价值的,白鹤滩坝址区发育平缓的层间剪切带和层面构造,这些普遍发育的结构面可以明显地改变岩体地应力状态。

深切河谷地区水电站场址区的局部性特征非常普遍,这种异常既可以是构造运动的结果,也可以显著地受到近期河谷发育过程的改造。很多水工建筑物都布置在河床及两岸岸坡一定深度范围内,该区域岩体地应力受河谷发育过程的改造非常明显和突出,最近几年西部水电开发过程中遇到的坝基“松弛”、岸坡裂缝等问题都与这种局部地应力场密切相关,甚至是导致这些问题的首要因素。特别是当深切河谷地区河床岩体内发育缓倾结构面时,可以加剧局部异常现象,这种情形存在于白鹤滩坝址区。

图2-31是以白鹤滩河床地质条件为背景,介绍河谷结构和缓倾结构面共同作用导致的地应力局部分布特征。缓倾的层间剪切带走向和河流方向大致呈45°的交角,在河床不同横断面上出现在不同深度,图2-31表示了不同断面位置上层间剪切带处于埋深时对河谷地应力分布的影响。

图2-31(a)表示了层间剪切带在深部出现时河床一带的地应力分布,即河床地应力不受缓倾结构面影响。在这种条件下,不对称河谷地形条件的影响反映为应力集中区的形态发生偏转,左侧平缓、变化梯度小而右侧变化相对急剧一些。注意图中显示的应力集中区不是紧邻河床基岩面,而是位移基岩面以下一定范围内,应力集中区的位置与现场的岩饼分布特征相吻合。另一方面,从力学角度讲,基岩面以下的这一低应力区域表示了岩体在高应力环境下发生屈服以后性状的恶化,更容易形成松散堆积层,揭示了深切河谷地区河床覆盖层的另一种成因机制,同时也指示了深切河谷地区河床地应力场特征是导致坝基开挖“松弛”的直接原因。

当剪切带C2在河床下部的埋深相对较大[图2-31(b)中约70m深度],剪切带对周边岩体地应力分布相对要小一些,但仍然表现出一些新的特点,即剪切带上盘的应力集中现象比较明显,其中以靠左侧显著(注意靠右侧下盘一带的高应力与块体几何形态有关,即接近块体的尖端部位),靠左侧最大主应力方位趋向于与结构面平行,有利于应力集中。

当剪切带抬升到距离河床浅一些的部位时[图2-31(c)中约30～40m深度],河床中部靠左侧剪切带上下盘的应力大小形成明显的差别。在上盘以应力松弛为主,而下盘则仍然可以积累较高的应力水平。河床靠右侧剪切带上下盘的地应力大小和方位差别更大一些,下盘最大主应力方位趋于与剪切带平行且量级较高,上盘则与剪切带大角度相交而量级水平明显要低一些。不过,此时靠右侧部位的剪切带仍然保持相对大一些埋深,所具备的围压条件是维持应力水平的主要原因。

当剪切带在河床浅部出现时[图2-31(d),不足10m深度],剪切带上盘的应力松弛显著加强,上下盘的地应力差别明显,即结构面附近地应力分布保留了显著的局部化特征。

对于给定的断面位置而言,在河谷下切过程中剪切带的埋深在不断减小,剪切带上盘的地应力经历了不断增高以后显著降低的过程,导致这种降低的重要因素是高应力导致上盘岩体的屈服破坏、承载力降低。河床坝基开挖的力学原理与河谷下切非常接近,开挖也会导致一定深部范围岩体应力水平不断增高,直至出现屈服破坏,即表现为现场的“松弛”现象,本质是河谷地区高应力作用的结果。只要河床地应力达到一定程度和岩体满足一定条件时(表现为钻孔内岩芯饼化现象普遍),坝基开挖导致的“松弛”破坏就不可避免,是开挖的必然结果,因此也不可能通过清除开挖的方式有效地控制问题的发生和发展。

三、河谷地应力分布特征

(一)河谷演化与河谷地应力

一般深切河谷地区在现代地质历史上不仅遭受了强烈的地表剥蚀(夷平)作用,而且还受到强烈的侵蚀作用,形成急剧起伏的地形。因此,与地形平坦地区相比,现代地质历史上的这种地表地质作用对地应力的改造更加突出,甚至可以在河谷一定范围内完全改变原来的地应力状态,形成一个特殊的局部地应力场。

从研究应力分布的角度,可以把河谷地形的演变过程中看成一个“开挖”形成边坡的过程。“开挖”前地表接近水平,地应力状态基本满足平坦地形条件下的基本特征:两个主应力近似水平,另一个基本垂直。但当一个大型的陡峭边坡(河谷岸坡)开挖形成以后,在开挖面一定范围内,这种应力特征就不复存在,基本不可能从边坡开挖后形成的应力状态恢复为原始应力场,当然就更不适宜根据边坡应力大小来判断哪一部分是构造应力、哪一部分是自重应力。

可以这样理解,河谷边坡中的地应力场是一个形如岩体开挖以后的二次应力场,不适宜用一般地形条件下获得的地应力概念(如构造应力分量与自重应力分量的叠加)来认识河谷地应力场的基本特征。

除新构造运动强烈的地区以外,一个地区岩体的构造形迹一般都形成在新生代以前,而河谷一般都主要形成在第四纪最后的50万年以内(甚至是最近的20万年内)。也就是说,河谷发育是在构造运动格局基本确定以后的地表地质作用,因此河谷地应力场也是在数十万年前原始地应力场的基础上受河谷发育强烈改造的结果,并不一定保留原始地应力场的形象特征(如两个主应力近似水平、另一个垂直)。

即便是存在新构造运动的某些河谷地区,新构造运动的主要特点是引起这些地区的快速抬升和河谷的快速下切,并因此实现对河谷地区地应力场的改造。这种形式说明了新构造运动对河谷地应力场的一种间接形式的影响。这种影响体现在河谷发育对河谷地应力场的改造。新构造运动对这些地区地应力场的直接影响,尤其是直接导致水平应力分量的变化有多大,仍然是一个不清楚的问题。但是,从深切河谷所在山区地貌特征看,从深部向上部影响的水平构造应力,到底有多少能够直接作用在山体之中是值得考虑的,因为高出的山体缺乏施加水平应力的边界条件(图2-32)。此外,河谷地应力场仅在河谷表面地形数百米的范围,这个尺寸与构造应力的作用范围是不对称的,这种大尺度单位的应力作用对地表临空面附近的影响会有多大,也值得考虑。

(二)河谷地应力分布特征

以上的论述可以得出一个基本结论:深切河谷地区的地应力场可以看成是在原始一般地应力场基础上,随河谷发育过程不断改造的局部地应力场,与人工边坡开挖形成边坡应力场的过程相似,二者的最大差别在于时间因素,但一般不改变地应力分布的基本规律,如不同位置上地应力大小和方向的相对关系。参照人工边坡地应力形成过程和分布特征,河谷地应力场状态受如下三个主要因素的影响:

(1)河谷形成前原始地应力场的大小(等同于边坡开挖前的地应力大小)。

(2)原始地应力场方位与河谷走向的相对关系(等同于开挖轴线与最大主应力方位的关系)。

(3)河谷的形态特征(等同于开挖规模和形态等)。

上述三个基本因素中的第一和第三个因素已经得到了普遍的认识,即原始地应力越高、河谷边坡越高越狭窄,河谷地应力分布的差异性(松弛和集中都很显著)就越大。事实上,第二个因素的作用也是非常重要的,在锦屏工程中更是如此。

当原始地应力场中的最大主应力与河谷近似于垂直时(通常等同于顺向河谷),河谷发育引起的应力调整最突出,在这种条件下,河谷边坡应力松弛区的松弛现象以及应力集中区的应力集中现象都可以表现得很突出。反之,当河谷走向和原始地应力场中最大主应力平行时(等同于横向河谷),河谷改造的影响程度相对最弱,河床应力集中和岸坡松弛现象都不如顺向河谷时明显。

雅砻江锦屏一级水电站和金沙江白鹤滩水电站、乌东德水电站坝址都位于西部深切河谷段,岩性分别为大理岩、玄武岩和石灰岩,力学性质虽然存在一定差别,但均为硬质岩石。三个坝址区勘探过程中揭露的现象指示了河谷发育过程中和目前状态下地应力场分布的显著差异,导致这种差异的主要因素是河谷结构特征的不同。这三个坝址区分属纵向、斜向和横向河谷结构,勘探阶段揭示的地应力特征有如下方面:

(1)乌东德坝址区河床钻孔没有揭露典型的岩饼现象。白鹤滩坝地区出现岩饼,但局部分布,饼化长度小,主要反映了与构造有关的局部地应力作用结果。锦屏一级水电站河床钻孔饼化现象典型,饼化段分布集中,系河床应力集中作用结果。

(2)与河床钻孔饼化现象相似,三个坝址区勘探平洞内的片帮分布也出现不同特点。乌东德处没有出现片帮现象。白鹤滩处片帮段出现在远离河谷岸坡的深部岩体中,主要是层间剪切带等构造导致的局部地应力作用结果。锦屏一级勘探平洞片帮则体现了河谷岸坡坡脚一带应力集中(异常)的作用。

(3)锦屏一级勘探过程中揭示了严重且普遍存在的深部裂缝现象,地质调查显示深部裂缝属于河谷发育期间的产物,岩石力学分析是河谷发育期间岸坡局部地应力异常作用产生微震现象的表现。白鹤滩左岸也出现了类似的现象,即现场定义的J110,乌东德则没有发现类似的地质现象。

河谷结构特征对深切河谷地区地应力分布的影响主要表现在“量”的方面,如应力集中、松弛程度和范围的差异,并不改变深切河谷地区地应力分布的基本规律,如河床会出现应力集中和岸坡上部存在一定的应力松弛。

图2-33以横向河谷地区为例表示了河谷地区地应力场分布的一般特征。受地表侵蚀和河流剥蚀作用的改造,河谷地区地应力场一般表现出显著的分区特征,这种分区特征沿表面到深部可以描述为:①地表附近的河流地质作用控制区;②深部基本不受河流地质作用影响的原始地应力控制区;③二者之间的过渡地区。

其中的第一个区代表了河谷地应力场的基本特征,这个区的大小和表现出来的程度于上述三个因素密切相关。一般原始地应力越高、原始最大主应力与河流走向的角度越大、河谷越深越狭窄,这个区也表现得越突出,反之则不突出。

在河流地质作用控制区内自上至下大体又可以分成三个带,即上部的应力松弛带、下部尤其是谷底附近的应力集中带(忽略了靠近岸坡风化等现象导致的近地表应力降低现象)及二者之间的过渡地带。在松弛带内,岩体的最大主应力基本上表现为自重应力场的特征,而在集中带内,特别是在河床,最大主应力是与河谷走向垂直的水平状为主,往坡脚向上,最大主应力的方位也顺应地形特征发生变化。

深切河谷地区的地应力分带现象还可以在低高程的勘探平洞内得到体现。如果用图2-33标注有距离的直线来代表低高程勘探平洞,则从岸坡到深部分别经历应力集中区、过渡区和原岩应力区。在纵向河谷地区,这三个区的最大主应力方向可以基本相同,即垂直河谷走向,差别主要体现在应力量值和主应力比值方面。应力集中带的应力水平和应力比均相对较高,在深切河谷地区一般不建议将地下厂房洞室群布置在该区域以内,避免出现普遍性的应力型问题。某种程度上讲,锦屏一级厂房和尾调室施工期间出现的应力型问题,以及江边水电站地下厂房洞室群施工期间出现的典型应力型破坏包括岩爆现象,都受到河谷岸坡应力集中区的影响,且应力比值较大是主导性因素。

(三)河谷地应力场的数值模拟

河谷地区地应力变化性无疑会导致测试结果的分散性。在测点数量相对有限的情况下,20世纪80年代和90年代初期,水电工程界出现了一些河谷地区地应力场的数值分析方法,其中比较有代表性的包括张有天提出的趋势函数回归法、肖明提出的多项式回归法以及朱焕春提出的河谷演变过程模拟方法。

趋势函数回归法是一种数学方法,即以测试点数据为已知点采用回归公式获得测试点之间的地应力分布,应该说这种思想早就得到应用,比如地应力大小和深度的统计关系就是趋势函数回归法的一种表现形式。不过,其适用条件必须是在回归区域内地应力分布具有某种内在的一致性。在深切河谷地区,河谷地区河床、岸坡坡脚和岸坡属完全不同的地应力分布区,控制性因素差别悬殊,所以对整个场址区进行趋势分析往往存在很大的困难,或者不可避免地造成严重误差。在过去数十年的工程实践中,这种纯数学方式的回归分析方法很少被采用。

多项式回归方法引用了数值计算,建立河谷地形的三维数值模型,然后施加假设的初始地应力场,计算获得模拟的地应力场分布。在这个过程中,通过以测试点部位测值为目标值来调整所施加的初始地应力场状态,这一过程中使用了回归统计的数学方法。与趋势回归方法相比,该方法的最大差别是采用了数值计算,因此保证每个部位地应力张量的合理性,且能一定程度上反映地形、岩性、断层等的影响。与趋势回归相同,测试成果成为回归分析的依据,该方法本身不追求解决地应力测试结果分散性的问题。

多项式回归方法中对地应力场的数值模拟过程并没有专门地建立在河谷地应力形成机制的基础上,忽略了地应力形成历史过程和地质基础的深层考虑,侧重于从现今状态考虑问题,即认为目前的现实条件是控制河谷地区地应力分布的主导性因素。

河谷演变过程模拟的基本思路是从河谷地应力场演变过程入手,试图通过模拟河谷演变过程来研究现今地应力状态。基本思路和边坡开挖相同,先建立河谷演变之前的地形地貌特征和输入对应条件下的原始(历史)地应力状态,然后通过开挖模拟河谷下切侵蚀过程。如果原始地应力场等初始条件合理,从理论上讲,这种方法可以获得合理地质基础下的河谷地应力状态,而并不特别依赖测试结果的质量。因此可以反过来检验测试结果的可靠性,特别是在多个测试点之间甄别出最符合体现河谷演变过程的测值。

河谷演变过程模拟方法提出的时间晚于前两种方法,提出该方法的主要目标是补充解决两个环节的问题:一是帮助甄别测试结果的合理性;二是从地应力形成过程的角度体现历史因素对河谷地区地应力分布的影响。考虑河谷演变具有若干优势性,主要体现在以下两个方面:

(1)能够清晰地体现影响河谷地应力分布的因素,特别是河谷结构特征。在深切河谷演变过程中导致近地表岩体普遍出现非线性响应的条件下,任何忽略河谷下切过程的其他等效模拟方式都不可避免地存在误差。

(2)能在基本原理上体现深切河谷演化过程的一些特点及其和地应力之间的相关关系,比如河床应力集中区的形成过程和影响因素、河谷岸坡卸荷导致的岩体质量降低及其与地应力之间的关系等,使得该方法不仅能够帮助研究现今地应力分布,还能够帮助揭示河谷下切过程中某些特定地质现象的形成机理。

河谷演变过程的地应力场研究方法出现在20世纪90年代初,大约10年以后西部水电工程开发使得一些高校和科研机构的研究人员开始接受和采用这一方法。20世纪90年代发表的这一方法更多地介绍了原理和过程,存在很多需要完善的环节,其中既包括专业上的问题,也包括当时数值模拟应用技术水平的限制。在最近的大约10年时间内,这一方法在应用过程中取得了一些新的认识和进展,本小节专门讨论这些环节的问题和取得的认识与成果。

河谷演变过程模拟方法的基本工作流程和涉及的主要技术环节如下:

(1)通过地质分析了解场址区近代构造应力方向和基本地应力状态,即河谷下切侵蚀前最大主应力方向,其大小待定,或者说是采用正交设计方法反算出来,这里不深入讨论。

(2)拟定计算模拟的原始地形面,计算模型模拟的是河谷下切演变的历史过程,这就涉及原始地形面问题,即以哪个地质时期作为起点、对应的地表高程如何?这一环节实际上还涉及时间效应和剥蚀效应,也是一个重要的技术环节,90年代提出的方法中并没有明确介绍。

(3)在模型中预设历史演变过程中的河谷形态,涉及应力路径的影响。比如,在研究锦屏一级左岸山体内深部裂缝和河谷演化过程的关系时,深部裂缝所在部位历史上曾经经历过的应力变化是重点考察对象,此时河谷历史形态成为需要注意的具体问题之一,也就是河床位置的演化过程。

(4)计算过程采取的本构模型和参数需要体现河谷演化对岸坡岩体力学特性的影响。以岸坡卸荷带为例,历史上为新鲜完整的岩体,是在河流发育演变过程中逐步弱化和出现应力松弛。

以上4个环节中不确定性最突出的是原始地形面的模拟。以锦屏一级坝址区为例,左岸岸坡向上延伸超过2000m,最原始地形大体水平。不过,即便是目前看到的高位夷平面,也是更早地质历史时期地表剥蚀的结果,原始地形面更高。也就是说,原始地形面是一个事实上难以确定的条件。

地表剥蚀和河流侵蚀形成现今的深切河谷地形往往经历了数十万年的历程,这一漫长过程中岩体特性和地应力状态随时间的变化性可能相对很突出,基本影响是地应力值不断减小和应力比不断降低,但具体无从考究。以深切河谷河床应力集中为例,近代地质历史上的河谷下切形成高陡岸坡和狭窄的河谷使得河床应力集中水平不断升高,但考虑到时间因素导致的“松弛”,实际应力水平可以降低。

在数值计算中目前还无法可靠地体现岩体力学特性和地应力随时间的变化关系,即时间效应无法直接模拟,需要采用某种等效方式处理。最简单的等效处理方式是降低原始地形高程,使得模拟的河流下切深度小于实际深度,河床一带地应力集中程度因此而有所减缓,等效于时间效应导致的松弛。这一假设保证模型的原始地面低于实际位置,但不能确定其具体位置,是一个待定参数。

在实际工作中关于原始地形的考察采用了图2-34所示的方式,假设在河谷形成前的地表相对平坦,沿河谷剖面方向只出现小幅度变化(变化幅度待定),并且其最低点可以不同于模型的顶面(高差待定)。

由于假设河谷形成前的地表相对平坦,因此其原始地应力场可以假设为两个水平一个垂直,两个水平主应力一个与河谷走向基本垂直,另一个基本平行,大小随深度呈线性分布,分布参数的大小、特别是梯度大小可以参阅相关统计结果。注意这里没有使用自重应力和构造应力的概念,这是因为即便是地形平坦,并不就能够确定构造应力的大小。

上述基本假设中各待定参数大小等效地描述了河谷形成前的原始地应力基本特征,但即便待定参数值合理,也不一定获得合理的现今河谷地应力场,下面两个方面的考虑同等重要。

(1)在上述关于原始地形和原始地应力基本考虑的基础上,还需要考虑的一个问题是河谷发育过程中的基本形态,在模型中就是开挖面的几何形态特征。这要求首先考虑河谷发育过程的基本地质特点,即始终存在河床。原始的河床规模肯定小于目前的河谷形态,到近代,即模拟的开挖接近到目前的河床时,二者之间的差别减小。其次,现今河谷的不对称性与历史上右岸边坡出现沿层面的滑动破坏有关,在锦屏一级坝址区,与现今的河谷形态相比,实际的河床位置可能是偏左岸的。

强调河谷发育过程中河谷基本形态特征是非常必要的。锦屏一级坝址所在河谷段发育过程中引起的边坡浅表层岩体、甚至是深部岩体的破坏,在岩石力学原理上,这种破坏与加载路径有关,在现实中就是与河谷发育过程的形态特征有关。破坏现象越普遍,河谷发育过程的形态特征就越重要。

(2)再需要考虑的一个方面就是岩体力学特征,特别是强度特征。目前看到的河谷边坡岩体、特别是岸坡浅部岩体,可以认为在历史上与现今边坡深部岩体相当,并且处于一种相对深埋条件下。因此,模型中在确定岩体强度参数时全部按照新鲜的深部岩体考虑,但随着河流的不断下切侵蚀,岩体中应力特征变化引起岩体产生屈服,岩体强度特征也遵循一定的规律变化。

如果原始地形与地应力、河谷发育特征、岩体力学特征变化的假设合理,按上述思路和方法获得的现今地应力场特征就应该能与现场观察到的工程地质现象、测试成果等相符,并帮助加深对这些现象形成过程力学原理的认识。因此,模型计算获得的成果与现实现象之间的一致性就成为检验上述假设和相关参数取值合理性的最强有力依据。

通过不停地变化上述三个方面因素的参数组合,把计算结果与现实条件进行比较是获得合理结果的方式之一,甚至是不可缺少的方式。每一次对河谷发育形态的调整都意味着重新建立几何模型和进行相应的单元划分,因此是一项非常费时费力的工作。

由此可见,河谷演变过程模拟的地应力分析方法主要针对地质历史演变过程,涉及很多不确定性因素,采用确定性的数值模拟方法研究这一问题时,如何合理地处理好这些不确定性因素成为保证成果可靠的关键性环节,并非一项简单、容易的工作。