李萬才，鄧輝，蘇航，丁中輝，陸泌鋒，郝浩，李安潤

(1.成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室，四川成都610059； 2.四川省地質工程勘察院集團有限公司，四川成都610072；3.中交隧道局第四工程有限公司，四川成都610031)

經(jīng)由漫長的地質演化，河谷地貌最終得以形成。在該過程中，強烈的侵蝕和剝蝕作用促使了深切河谷的形成。不少學者在深切河谷地應力場方面做了許多研究：黃潤秋[1]在分析總結西南地區(qū)大量工程實踐的基礎上，建立了卸荷條件下巖石高邊坡發(fā)育的動力過程及三階段演化模式；梁瑤[2]圍繞錦屏水電站所處的特殊地質地貌特征，對河谷地區(qū)地應力場和邊坡開挖穩(wěn)定性進行了深入的研究，確定河谷的發(fā)育演化是影響河谷地區(qū)地應力場成因的重要因素并詳細討論了地應力的松弛卸荷對邊坡穩(wěn)定性的影響；劉亞群等[3]通過對南水北調西線工程多個壩址區(qū)地應力測試的結果進行統(tǒng)計分析，初步得出深切河谷區(qū)最大水平主應力量值隨深度呈分段線性關系的結論；端木杰超[4]通過建立深切河谷應力場的彈塑性有限元模型，模擬了侵蝕基準面及表層風化對河谷應力場的影響以及不同構造應力模式對河谷應力場的影響；黃書嶺等[5]通過將復雜地質環(huán)境下三維地應力場模型與洞室群精細開挖計算模型相耦合，提出考慮河谷演化規(guī)律的廠址區(qū)域地應力場量化精細數(shù)值模型的建立方法和分析思路；李超等[6]通過數(shù)值分析研究了不同坡角的山坡在重力場和構造應力條件下山體中在垂直向和水平向典型剖面中初始地應力分布的特點；李永松等[7]提出了深切河谷應力場非線性系統(tǒng)分析方法并實際運用到烏東德水電站壩址區(qū)巖體應力場的研究過程中；胡斌等[8]基于實測數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計分析手段分析了某深切河谷和岸坡中的地應力場的特征，得到了河谷區(qū)和岸坡中最大水平應力的方向，并分析了河谷區(qū)最大水平應力量值與埋深的關系。

相較平坦的地形而言，由于受到強烈的剝蝕、侵蝕作用以及沉積作用等因素的影響，河谷地區(qū)地應力狀態(tài)發(fā)生一定的變化，從而在局部形成特殊的應力場。深切河谷地區(qū)的地形高低不平，呈現(xiàn)劇烈起伏的形態(tài)，可將內部應力場看作為隨河谷不斷演化而造成的原始應力場不斷變化的局部應力場。由于后期受到地形起伏的影響、地表剝蝕作用、河流的侵蝕作用以及風化等作用的綜合影響，先期形成地應力場不斷調整并發(fā)生改變。從河谷的發(fā)育機理來看，河谷地形的演變可近似看作為“巖體的開挖”，這種開挖是指對應于河谷的剝蝕下切(不考慮河谷水文的變化，同時不考慮岸坡孔隙水壓的變化)。

1 下壩址區(qū)地質條件

下壩址位于色汝小河下游的位置。左岸岸坡坡度大多在35～50°之間，局部位置坡度在60°以上，右岸岸坡在3 078 m高程以下的岸坡坡度稍微陡峭，大多在50～60°之間，局部位置在60～70°之間，而在3 078 m高程以上的斜坡坡度多在30～40°之間，河谷總體呈“V”形，河谷形貌影響著河谷地應力分布[9-11]。壩址一帶左岸受色汝河切割影響，形成高陡山脊，壩區(qū)右岸臨江邊坡高度多在2 000 m之上。壩址區(qū)巖性主要為英安巖，左岸出現(xiàn)多旋回含角礫英安巖和凝灰?guī)r，壩址左岸至河床位置分布有印支期(γδ)的花崗閃長斑巖。河床部位為沖積砂、卵礫石夾近緣崩塌堆積碎塊石。經(jīng)壩址區(qū)地質測繪，壩址區(qū)的主要構造有韌性長大裂隙、剪切帶、小斷層、平硐揭露裂隙及柱狀節(jié)理等地質構造。其中，壩址區(qū)韌性剪切帶的寬度約30～150 m，剪切帶內具有明顯的巖體片理化以及糜棱化現(xiàn)象。壩址區(qū)出露地層主要為英安巖，物理地質現(xiàn)象主要有風化堆積體、碎屑流、泥石流、卸荷、崩塌、蝕變、碎裂松動巖體等不良地質現(xiàn)象。本區(qū)主要發(fā)育有怒江、瀾滄江、金沙江及其他支流，沿兩岸常發(fā)育有對稱或不對稱的河谷階地，階地在峽谷地段不發(fā)育，寬谷段發(fā)育有五級階地[12-13]，見表1、圖1。根據(jù)相關資料顯示，自進入峽谷期以來，瀾滄江河谷下切速率很快，下切速率在1.9 ～4.4 mm/a之間。

表1 西藏曲孜卡瀾滄江河谷階地特征

1.河流相砂礫石層；2.砂巖；3.泥頁巖；4.階地編號(形成時代)圖1 西藏曲孜卡瀾滄江河流階地實測剖面

2 數(shù)值模擬建立

2.1 模型的建立

建模建立前期，采用CAD和Surfer軟件進行高程數(shù)據(jù)導出，然后導入到ANSYS中進行模型的搭建和網(wǎng)格劃分，最終再生成FLAC 3D可讀入模型進行計算。針對五次河谷的下切，在模型計算過程中采用“null”命令依次對各個階地賦為空模型來模擬河谷的下切，現(xiàn)今河谷按照現(xiàn)今實際情況進行模擬。計算模型按彈塑性材料考慮，破壞準則采用莫爾-庫倫強度準則。

根據(jù)下壩工程平面地質圖、建模區(qū)工程地質條件并結合河谷下切深度表(河谷下切深度取平均值)建立地質模型，見圖2。模型X方向(與河道近于垂直)長750 m，Y方向(與河道近于平行)長200 m，Z方向(垂直方向)高程界于2 800～3 240 m。在模型建立過程中，河谷現(xiàn)今狀態(tài)建立時考慮了強弱卸荷帶和韌性剪切帶，在恢復河谷階地時未考慮韌性剪切帶。經(jīng)網(wǎng)格化之后，整個模型共劃分為21 467個節(jié)點和116 450個單元，模型分為9個體，其中體1代表第I級階地，體2代表第II級階地，體3代表第III級階地，體4代表第IV級階地，體5代表第V級階地，體6代表強卸荷巖體，體7代表弱卸荷巖體，體8代表基巖，體9代表韌性剪切帶巖體。

圖2 網(wǎng)格化后模型

2.2 參數(shù)選取及邊界條件的確定

模型區(qū)內一共有4種材料，在模型建立過程中，考慮到網(wǎng)格劃分，在韌性剪切帶內并未劃分卸荷帶，但對其巖體參數(shù)進行了一定的折減。模型采用的力學參數(shù)取值參照貴陽勘測設計研究院提供的相關力學實驗結果，考慮模型簡化后進行參數(shù)取值，最終取值見表2。模型計算所需的體積模量、剪切模量可由下列公式計算得到：

(1)

(2)

式中K——體積模量；G——剪切模量；E——彈性模量；μ——泊松比。

表2 巖體力學參數(shù)取值

考慮到河谷下切以及巖體結構面的影響，在河谷5次下切過程中，韌性剪切帶按照給出建議值進行取值，其他塊體的巖體物理力學參數(shù)均取未卸荷帶參數(shù)進行一定的折減再帶入進行計算；在計算現(xiàn)今狀態(tài)時，按照現(xiàn)今實際情況的巖體參數(shù)進行選取。

模型4個側面以及底面采用位移約束條件，模型頂面采用自由邊界，模型為應力應變狀態(tài)。一般說來，自然斜坡卸荷作用隨側向地應力增大而增大，而在構造地應力不大的地區(qū)，側向地應力主要由巖體自重應力產生；在深切河谷下切過程中，自重應力變化是導致斜坡發(fā)生卸荷變形的主要原因[14-16]。因此，在本次數(shù)值模擬過程中，僅考慮自重應力，未考慮水平應力的影響，自重應力則通過在Z方向上施加重力加速度來實現(xiàn)。

3 應力場特征

為了更好地反映河谷下切過程中應力變化情況，選取Y=100 m處的縱剖面為對象，下面將從該剖面的變化情況來分析應力場的變化情況。在模擬河谷下切時，將對應的階地設為空模型來模擬階地的下切。

河谷下切導致了主應力方向的變化。坡體深部最大主應力呈近豎直向且垂直于最小主應力，當接近臨空面時，其方向發(fā)生變化，近似與坡面平行。坡體深部最小主應力呈近水平向，當接近臨空面時，其方向也發(fā)生變化，近似與坡面垂直。

剖面最大主應力云見圖3，剖面最小主應力云見圖4。由圖3可知，最大主應力云有以下特征。

a) 隨著河谷的持續(xù)下切，應力發(fā)生重新分布，坡體最大主應力逐漸降低；在坡體頂部、坡表和韌性剪切帶附近最大主應力值較小，最大主應力最大值分布區(qū)域近似沿河道呈現(xiàn)為對稱形式。

b) 在同一高程位置，由坡表向坡內延伸，最大主應力逐漸增大。

c) 最大主應力主要為壓應力，在越靠近坡表的位置，應力水平就越低。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷圖3 最大主應力演化過程

a) 第一次下切圖4 最小主應力演化過程

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷續(xù)圖4 最小主應力演化過程

由圖4可知，最小主應力云特征如下：① 隨著河谷持續(xù)下切，最小主應力逐漸降低，應力集中位置由河谷位置逐漸向河道兩側轉移;②最小主應力以壓應力為主，越靠近坡表，應力水平就越低,在坡表及坡頂位置(尤其是在坡頂和韌性剪切帶附近)分布有少量的拉應力區(qū)。

總體來看，河谷下切造成了最大、最小主應力值的降低，應力隨著河谷下切發(fā)生重分布，應力方向也產生調整；應力最小值主要出現(xiàn)在坡頂和韌性剪切帶附近，韌性剪切帶對斜坡應力影響較大；整體來看，在現(xiàn)今狀態(tài)下，斜坡坡腳位置有一定的應力集中現(xiàn)象；在同一高程下，坡表應力比坡體內部應力要低， 河谷下切后，坡體內部應力逐漸調整，坡體整體應力都出現(xiàn)一定的降低，在坡表部分位置(比如坡頂、韌性剪切帶附近)甚至出現(xiàn)拉應力。

隨著河谷持續(xù)下切，河谷巖體逐漸發(fā)生卸荷，河谷邊坡應力逐漸發(fā)生調整，總體上邊坡應力呈現(xiàn)出逐漸降低的趨勢。從坡表到坡體內部，卸荷作用逐漸降低，應力降低幅度也逐漸減小；從坡體頂部到河谷不同高程位置，坡體巖體均發(fā)生卸荷作用，但高程越高的位置，坡體卸荷作用越明顯，表現(xiàn)為應力降低幅度更大，而在河谷位置，由于卸荷作用時間短，卸荷作用不是很充分，應力降低幅度相對而言要小很多。

4 位移場特征

在模擬計算時，上一階地計算完成后，只是將速度清零，而位移保留到下一階地的計算過程中，即位移變化可以進行累積。為便于分析位移變化情況，選取上述剖面進行位移分析。隨著河谷下切，岸坡巖體產生向河谷方向的位移。岸坡巖體的下切，主要導致坡體發(fā)生向河谷方向的位移，因此模型結果只導出了X方向(即垂直河道方向)的位移。

各級階地下切后的剖面X方向(即垂直河道方向)位移變化情況見圖5。從圖5中可以看出，位移場有以下特征：從河谷開始下切到現(xiàn)今狀態(tài)，坡體位移呈現(xiàn)增長趨勢，即隨著河谷下切，X方向位移逐漸增大，從第一次下切的最大位移約3.6 mm到現(xiàn)今的最大位移7.2 mm；整體來看，坡表的位移要大于坡體內部位移；受韌性剪切帶的影響，坡體位移最大范圍出現(xiàn)在左右兩岸的韌性剪切帶范圍，在河谷位置的位移相對很??；河谷左岸的位移表現(xiàn)為正值(即位移沿著X正方向產生)，河谷右岸的位移表現(xiàn)為負值(即位移沿X負方向產生)，兩者均向河道方向發(fā)生變形。由于韌性剪切帶巖體物理力學參數(shù)相對周圍巖體取值要低，在重力作用下，上覆巖體作用在韌性剪切帶上，韌性剪切帶發(fā)生向坡腳方向的變形，類似于發(fā)生傾倒變形，韌性剪切帶就會擠壓下覆巖體。因此，在韌性剪切帶附近會出現(xiàn)較大位移，而遠離韌性剪切帶的巖體，受到韌性剪切帶變形所造成的位移逐漸減小，位移相對較小。韌性剪切帶在左右兩岸均傾向坡體，因此在上覆巖體重力等作用下產生兩個相反方向的位移。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

e)第五次下切

f)現(xiàn)今河谷圖5 X方向位移演化過程

5 塑性區(qū)特征

各級階地下切后的剖面塑性破壞區(qū)的變化情況見圖6，其中tension和shear分別代表的是拉張塑性狀態(tài)和剪切塑性狀態(tài)。另外，none表示沒有塑性區(qū)出現(xiàn)；n表示當前處于塑性狀態(tài)的單元；p表示過去處于塑性狀態(tài)的單元。從圖6中可以看出，剖面絕大多數(shù)范圍沒有塑性區(qū)的分布；隨著河谷的下切，坡體塑性區(qū)范圍逐漸擴大，塑性區(qū)主要集中在右岸韌性剪切帶范圍和右岸坡表局部區(qū)域，在左岸韌性剪切帶也有少量的分布；隨著階地的下切，塑性區(qū)由韌性坡表逐漸向坡體內部發(fā)展，這種現(xiàn)象在韌性剪切帶內更為明顯。在左岸韌性剪切帶內，塑性區(qū)的分布范圍主要集中在低高程位置，可能是由于左岸韌性剪切帶的厚度較大、分布的高程要低，上覆巖體自重造成的韌性剪切帶產生變形，但未達到破壞所造成。在西部常見的巖質高邊坡中，邊坡頂部及地形突出部位處的最小主應力往往要比巖體的抗拉強度大，而近于與坡表相互平行的最大主應力基本起不到任何作用，因此在最小主應力的作用下，常常形成與坡面平行的拉裂縫。最小主應力在韌性剪切帶和坡頂?shù)炔课槐憩F(xiàn)為拉應力，因此在這些部位容易出現(xiàn)塑性區(qū)。

a) 第一次下切

b) 第二次下切

c) 第三次下切

d)第四次下切

f)現(xiàn)今河谷圖6 塑性區(qū)變化

結合河谷下切的應力場、位移場以及塑性區(qū)的變化情況來看，隨著河谷不斷下切，坡體的卸荷作用逐漸增強，表現(xiàn)為塑性區(qū)的擴大以及應力的降低，與此同時位移也增加。由于坡體兩岸存在著韌性剪切帶，對坡體而言，其屬于相對軟巖帶，隨著河谷的下切，產生的位移最大值以及主要的塑性區(qū)分布帶就分布在韌性剪切帶周邊。在河谷卸荷過程中，由于韌性剪切帶的物理力學參數(shù)相對壩址區(qū)主要巖性英安巖來說取值很小，其在卸荷過程中的應力變化以及變形等較大，卸荷作用對韌性剪切帶造成的影響較大，導致在此處的卸荷現(xiàn)象相對壩址區(qū)其他位置而言要明顯一些。

6 結論

通過對研究區(qū)地質情況進行概化，對河谷分為了5次下切來進行數(shù)值模擬，得到以下結論。

a) 隨河谷下切，邊坡巖體產生卸荷作用，造成應力產生重新分布，最大、最小主應力逐漸降低；壓應力在坡體中占絕大部分，而有少量拉應力存在于坡表部位；總體來看，在同一高程，坡體內部應力水平大于坡表部位。

b) 在河谷下切過程中，位移呈現(xiàn)隨河谷演化逐漸增大的趨勢，左右兩岸巖體均產生向河谷方向的位移，位移最大值出現(xiàn)在韌性剪切帶內及韌性剪切帶附近的影響范圍內；而在河谷位置，始終為位移較小值分布區(qū)域；總體而言，坡表到坡體內部所產生的位移是逐漸減小的。

c) 隨河谷的逐漸演化，坡體塑性區(qū)分布范圍明顯比上一級階地下切前要大，而且塑性區(qū)分布深度也在逐漸加深，說明卸荷深度在不斷向內部發(fā)展；塑性區(qū)的分布范圍主要集中在右岸韌性剪切帶內和右岸坡表位置，在左岸韌性剪切帶表層分布有少量塑性區(qū)；在坡體表層，巖體更多的是產生剪切塑性區(qū)。根據(jù)數(shù)值模擬結果來看，相較于壩址區(qū)左岸，韌性剪切帶對壩址區(qū)右岸邊坡巖體的卸荷影響較大。