2.3 区域构造背景及实测地应力分析
2.3.1 区域构造背景
根据地质勘查报告和研究资料,坝址区位于滇西三江褶皱系南部的思茅盆地边缘。坝址周边地区断裂构造发育,西侧有微向西凸出的澜沧江断裂(距坝址约17km)、NNW的谦六断层、平掌寨断层,近SN向的F26;西南侧有NW向的下麻力断层;北东侧有NNW向的白马山断层、酒房河断层和李子箐断层。坝址区及其邻区5个明显的构造层,从下到上分别为:下部丫口后山—阳木山北西—南东向由二叠系及更老地层构成的复式背斜(背斜核部有花岗岩侵入),三叠系忙怀组,侏罗系—始新统,渐新统—上新统,以及第四系。构成坝址区主体为第一、第二构造层,第一构造层是以花岗岩体形式存在,第二构造层在坝址区呈单斜构造。坝址区各开挖边坡即位于该单斜构造区域内。
2.3.2 实测地应力分析
可行性研究阶段在坝址区左岸的2个钻孔(位于压力管道的ZK448、ZK450)进行了平面地应力测试和5组(其中PD204中3组,PD412中2组)孔径法空间地应力测试、3组(位于PD204中)水压致裂法空间地应力测试,地应力测试结果见表2.3.1～表2.3.4。其中位于水电站压力管道的钻孔ZK448和ZK450采用水压致裂法进行钻孔不同深度横截面上二维应力状态的测量,测得最大水平主应力σH、最小水平主应力σh及最大水平主应力的方位角,而地应力的另一个主应力σy方向为铅垂向,从表2.3.1和表2.3.2可以看出,各个主应力分量和方位角数据齐全的测点有7个,见表2.3.1、表2.3.2中阴影部分;对于表2.3.2中铅直方向的主应力σy,根据表2.3.1中的σy值反算粉砂岩和花岗岩的容重γ,再根据表2.3.2中测点深度H计算各测点铅直方向的主应力σy(σy=γH),所得测点铅直方向主应力值见表2.3.2。对各个方向主应力和主应力方向数值齐全的点,即表2.3.1和表2.3.2中阴影部分的测点和表2.3.3与表2.3.4中的测点进行可靠性分析,分析原则为检验这些实测点的主应力方向是否垂直,采用赤平极射投影方法将这些实测点的3个主应力投影到赤平面上,分析每个测点的主应力是否相互垂直,对于明显不垂直的测点予以剔除,对于垂直或近乎垂直的测点保留下来进行坝址区实测地应力分布规律分析。
对于表2.3.1和表2.3.2阴影部分的7个测点测值是采用水压致裂法进行平面地应力测试的,采用该法所获得的3个主应力是严格垂直的,故保留下来进行实测地应力分析;对于表2.3.3和表2.3.4中的8个点进行赤平极射投影,投影图见图2.3.1～图2.3.8。从这8个点的赤平极射投影可以看出:该8个测点各自的三个主应力投影点组成的三角形是等腰三角形或接近等腰三角形,说明该8个测点在空间上相互垂直或近乎垂直。故选取这15个测点进行坝址区应力场分布特征分析,见图2.3.9、图2.3.10,所选测点见表2.3.5。
表2.3.1 ZK448钻孔水压致裂法地应力测试成果
表2.3.2 ZK450钻孔水压致裂法地应力测试成果
表2.3.3 左岸空间地应力测试成果
注 1.大地坐标系:X为东西向;Z为南北向;Y为铅直方向。
2.倾角α以在水平面上为正,β为方位角。
3.弹性模量E=4.5×104 MPa。
4.泊松比μ=0.25。
表2.3.4 厂房区水压致裂法空间地应力测试成果
图2.3.1 测点σ204-302主应力投影图
图2.3.2 测点σ204-502主应力投影图
图2.3.3 测点σ204-685主应力投影图
图2.3.4 测点σ412-215主应力投影图
图2.3.5 测点σ412-380主应力投影图
图2.3.6 测点σ204-1主应力投影图
图2.3.7 测点σ204-3主应力投影图
图2.3.8 测点σ412主应力投影图
表2.3.5 坝址区实测地应力分析测点列表
图2.3.9 实测地应力测点布置示意图
图2.3.10 坝址区三维地应力测试成果折线图
取表2.3.5中主应力大小和方向信息完整的实测点(8～15号测点)进行应力分量的分析。取一与坐标倾斜的微分面ABC为主微分平面(图2.3.11),其法线方向(即主方向)N的3个方向余弦为l、m、n,而其上的应力矢量s的3个应力分量为sx、sy、sz。根据主平面的定义,其上的应力矢量与它的法线方向平行,如以σ表示主应力,则有:
根据微元体的平衡关系,可推导出:
由式(2.3.1)和式(2.3.2),得
图2.3.11 主应力与应力分量
将已知的地应力实测点3个主应力的量值及其与X轴、Y轴及Z轴的夹角方向余弦带入式(2.3.3),通过求解方程组,可获得各主应力在坐标轴上的各个分量。
选取表2.3.5中实测地应力数据完整(大小和方向都有相应测值)的8～15号测点进行应力分量及其比值分析。选取坐标原点在大地坐标(X地-O-Y地)的位置为:X0=649744.61409,Y0=2508752.4509,Z0为海平面;三个坐标的方位分别为:X轴N55°E,Y轴N35°W,Z轴与大地坐标重合。根据式(2.3.3)可求得8～15号测点在坐标轴上的应力分量,求得的应力分量及其比值见表2.3.6。
表2.3.6 糯扎渡水电站坝址区实测地应力的转换应力分量及其比值
注 “—”代表压应力。
取三概化地层容重的平均值25.8k N/m3,按侧压力理论,深度为h处的自重引起的垂直应力γh=25.8h。纯自重情况下的侧压力系数按λ=μ/(1-μ)计算,当取定糯扎渡坝址区岩体的平均泊松比为0.26,则纯自重条件下的侧压力系数λ为0.35。从表2.3.6计算数据可知:糯扎渡坝址区实测垂直地应力分量σz与上覆岩体自重产生的垂直应力γh的比值(σz/γh)在0.56～1.41之间,且有4个测点小于1.0;实测X向水平应力分量与垂直应力分量比值σx/σz在0.44～1.78之间,除了11号和12号测点小于1.0外,其他测点都大于1.0;实测Y向水平应力分量与垂直应力分量比值σy/σz在0.17～1.34之间,有5个测点比值小于1.0,且有3个测点的比值接近侧压力系数0.35;实测水平应力分量均值与垂直应力分量比值(σx+σy)/2σz在0.3～1.44之间,有4个测点比值小于1.0。从上述的分析可以看出,糯扎渡坝址区地应力由自重应力和构造应力组成,地应力除包括岩体自重应力外,还存在部分的构造应力,其中X向构造应力占主导,Y向构造应力较小。
由坝址区实测地应力成果分析可以看出:
(1)地应力测试成果中(见图2.3.10),最大主应力σ1变化范围为:6.55～15.82MPa;最小主应力σ3变化范围为:-0.8～6.95MPa;σ1/σ3为1.89～-9.64,除了11号、12号、14号和15号四个测点之外,其他测点的σ1/σ3值都在1.89～3.2之间。
(2)地应力实测成果中(见表2.3.5),最大主应力σ1的方位变化在N8°W～N55.8°E之间,大多位于N8°E～N36.1°E之间。最大主应力的倾角变化较大,变化范围在1°～68.5°之间,角度分布比较分散。因此,实测地应力分布规律性不是很强。
(3)地应力实测点主要分布在离左岸边坡以内302～650m范围内,上覆岩土厚度在148～243m之间。从实测结果看,坝区左岸测点分布的局部区域初始地应力分布具有如下基本特征:①地应力都随着上覆岩层的增厚而增大;②最大主应力方位大部分为NE或NNE方向。
(4)地应力实测分析表明枢纽区地应力由自重应力和构造应力组成,地应力除岩体自重应力外,还存在部分的构造应力,其中X向构造应力占主导,Y向构造应力较小。