小湾水电站坝区地应力场反演分析

一、工程简况

小湾水电站位于云南省西部大理州南涧县和临沧地区凤庆县的交界处，是澜沧江中下游河段规划8个梯级电站中的第2级。大坝为混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高292m，坝顶高程1245.00m。水库库容151.32亿m3，装机4200MW，正常蓄水位1240.00m，相应下游水位997.25m。

坝基地段两岸岸坡陡峭，高程1245.00m以下，大部分地段基岩裸露，仅在部分地段分布有第四系堆积层。

左岸坝基部位高程1060.00m以下至河水面为陡壁；高程1060.00～1130.00m为2号山梁；高程1130.00m以上，逐渐进入龙潭干沟。

右岸坝基部位高程1010.00m以下地形平坦，松散堆积层厚30余m；高程1010.00～1100.00m位于1号、3号山梁间的山坳地段，地势平缓；高程1130.00m以下地段，坝后的3号山梁雄厚；高程1130.00m以上，特别是高程1210.00m以上地段，豹子洞沟（F5通过处）深切，坝后地形相对较单薄。

坝址地段无Ⅰ级断层分布，Ⅱ级断层仅有F7，产状近EW，N∠74°～90°，破碎带总宽18.6～37m，主裂面宽度一般为0.8～2.5m，与坝踵之间最近距离约50m。Ⅲ级断层主要有F3、F11、F10、F5、F20，仅F20产状为近SN，属张扭性断层，其余属压扭性断层，产状为N75°～80°W，NE∠75°～90°。

属Ⅳ级破裂结构面的陡倾角f、gm发育，而中缓倾角f、gm不发育。陡倾角f、gm按走向可分为两组：

（1）近EW组（N70°～85°W），平均发育间距约15m。

（2）近SN组（N10°W～N20°E），平均发育间距约20m。

节理发育，按产状主要可分为3组：

（1）近EW陡倾角组，产状N70°～85°W，NE∠85°～90°。

（2）近SN陡倾角组，产状N2°～10°W、NE∠80°～90°或N2°～13°E、NW∠80°～90°。

（3）近SN中缓倾角组，产状N5°～10°W、NE∠32°～45°或N5°～9°E、NW∠32°～45°。

图1-11-4为小湾拱坝坝区地形地质图。

图1-11-4　小湾拱坝坝区地形地质图

岩体风化以表层均匀风化为主，夹层和囊状风化现象不明显。强风化岩体底界最大埋深为左岸20m，右岸26m，河床部位无强风化岩体分布。弱风化岩体底界最大埋深为左岸70m，河床部位31.5m，右岸可达88m。

岸坡浅表部位的岩体由于卸荷作用，结构松弛，其间有张开裂隙分布，片岩夹层普遍泥化或软化。根据其形成机制和产状可分为剪切裂隙和拉张裂隙：剪切裂隙顺坡倾斜，倾角为32°～45°，走向与河岸大致平行，有时成带出现；拉张裂隙沿与河岸平行的陡倾角节理产生。上述两类裂隙在剖面上常呈阶梯状组合。

坝基地段岩体蚀变以高岭石化伴随黄铁矿化最为普遍，且使岩体强度明显降低，变形模量一般为2～4GPa，最低仅为0.62GPa。蚀变岩体的空间延伸方向与当地主要断裂构造线的方向相同，为近南北和东西方向，陡倾角。在F7～F5之间分布有蚀变带4条（左岸E8，右岸E1、E4、E5），其延伸方向均为近南北向，但性状不一，其中E5和E8强度最低，E1强度最高。同一蚀变带中不同部位的情况也不完全相同，存在不均一性。

二、坝区河谷地应力场特征

1.地球动力学环境条件

小湾水电站濒临印度板块与亚欧板块相互碰撞汇聚接触带的东侧边缘，地处著名的三江构造带，在大地构造上属于环特提斯构造域的一部分。在特征上受两大陆板块边缘不断裂离又相互拼合的活动所控制，兼有两大陆地壳结构的过渡特点。

在燕山晚期——喜马拉雅强烈构造变动时期，小湾水电站坝区的构造发展和应力场的转变大致可分为4个阶段，每个阶段地应力强度逐渐减弱。在晚近期以来，以近南北向主压应力场作用下的构造应力为主。

2.坝区实测地应力

现场测试均为应力解除法。二维地应力采用孔径法单孔测试，钻孔倾角为5°～8°。三维地应力采用孔径法三孔交汇测试，钻孔倾角为5°～8°。

根据地应力测试成果，最大主应力随埋深增大。其方位在上覆岩层较浅区域内呈SN向，随着埋深的增加而发生变化，地下厂房部位的岩体最大主应力方位大致为NWW向，最大主应力量值为10～25MPa。

表1-11-1为小湾水电站坝区三维地应力测点位置，表1-11-2为坝区三维应力测量值，图1-11-5为地应力测点平面布置图。

表1-11-1　小湾水电站坝区三维地应力测点位置

表1-11-2　小湾水电站坝区三维应力测量值

续表

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图1-11-5　地应力测点平面布置图

三、分析条件

1.计算范围

分别取从F7、F5两侧（北侧、南侧）移动一定距离后作为纵向边界；取右岸一个大平台的山脊线作为横向西侧边界，而沿河谷与之对称的面作为横向东侧边界。底部边界离河床的高度为1.5倍坡体高度。

计算模型在垂直方向上，底部高程为-300.00m，顶部高程为1900.00m；在平面上，东西向范围3000m，南北向范围6500m。坐标原点在大地坐标系的位置为（13000，36000，0），X轴正向为正东方向，Y轴正向为正北方向，Z轴正向为垂直向上。

2.断层模拟

考虑了F5、F7两条大断层。

3.边界条件

在模型的东侧和北侧边界提供X方向和Y方向的水平约束，底部边界提供Z方向的约束。在模型西侧和南侧施加呈线性增加的水平荷载，模拟构造应力，其量值由反演确定。

4.物理力学参数（略）

5.有限单元网格

有限单元网格如图1-11-6所示，共剖分为25000个六面体等参数单元，总结点数为27846。

图1-11-6　计算模型的三维消隐图

四、主要成果与结论

小湾水电站坝区地应力场反演的关键在于调整西侧和南侧边界上施加的荷载量值，使在测点上计算应力与实测应力达到最佳拟合。反演时主要依据三维应力实测值，把二维应力实测值作为参考。

反演过程中主要考虑了实测点的3个正应力，并且选择其中的8个测点作为拟合目标，其余7个应力实测点有的误差较大，有的测点由于处于强风化带或微风化带，应力分布比较杂乱，故仅用于参考。

采用遗传算法，每代的个体数目为5个，遗传了500代，并收敛到优化值，结果为：重力因子1.57，东西向构造应力0.42MPa，南北向构造应力7.02MPa。

表1-11-3为地应力反演计算值与实测值的相对误差。根据表1-11-3，用于拟合的点的平均相对误差为18%。

图1-11-7和图1-11-8为坝轴线附近河床横剖面的主应力等值线图。根据反演结果进行综合分析，得出小湾水电站河谷地应力场的分布有以下几个特征：

（1）现今构造应力为近南北向压应力场，东西向构造应力小。

图1-11-7　横剖面（Y=500）主应力等值线图（单位：MPa）

（a）最大主应力；（b）中间主应力；（c）最小主应力

图1-11-8　横剖面（Y=700）主应力等值线图（单位：MPa）

（a）最大主应力；（b）中间主应力；（c）最小主应力

表1-11-3　地应力反演计算值与实测值的相对误差

（2）现今应力场受自重应力和构造应力的双重控制。在不同的高程和部位，因其相对强弱不同而起着不同程度的控制作用，由此而导致地应力方向变化。该区由地下深部到河谷两岸山体顶部，最大主应力方向从近东西向逐渐转为近南北向。

（3）由于澜沧江在坝址区下游流向的大转向，左岸山体基本是孤立的，其现今构造应力作用相对右岸要弱。河谷左右两岸无论是地应力的量值还是方向，都有所差异，左右岸山体相应部位的最大主应力差值一般在3～5MPa左右。