大渡河长河坝水电站河谷应力场特征及应用研究

成都理工大学硕士学位论文

大渡河长河坝水电站河谷应力场特征及应用研究

姓名：崔建凯申请学位级别：硕士专业：地质工程指导教师：沈军辉

20070501

大渡河长河坝水电站河谷应力场特征及应用研究

作者简介：崔建凯，男，１９８０年１２月出生，２００４年９月师从于成都理工大学大学沈军辉

教授，于２００７年６月获硕士学位。

摘要

本文在大渡河长河坝水电站坝址区基本地质条件、斜坡岩体结构、变形破裂迹象等研究基础上，着重对坝址区岩芯饼裂等高地应力地质现象的发育特征作了调查，采用改进型门塞

式应力恢复法对坝址区不同高程勘探平硐的硐壁应力场作了较系统的测试和分析，结合孔径

变形法、水压致裂法地应力测试成果，采用二维和三维有限元数值模拟方法，研究了坝址区

河谷应力场的分布规律及其分带性。在此基础上，探讨了河谷应力场特征在斜坡岩体卸荷分带和岩级划分中的应用。得到如下主要认识。

（１）采用改进型门塞式应力恢复法较系统地测试了坝址区不同高程勘探平硐的硐壁二次应力场，并用二维数值模拟方法对测试成果作了反演分析，首次用系统测试的方法得出了高边坡浅表部岩体应力场具有“驼峰式”分布的特征。

（２）根据硐壁应力系统测试成果，结合岩芯饼裂等高地应力地质现象的分布特征及孔径

变形法、水压致裂法等地应力测试成果，分析了坝址区河谷应力场的分带性，将河谷应力场

可分为应力降低带、应力增高带、应力波动带和原岩应力区，其中应力增高带水平深度一般为４０ｍ～１２０ｍ，原岩应力区水平深度一般在３６０ｍ以内。其最大主应力方向为ＮＷＷ～ＥＷ。

（３）应用三维数值模拟技术，采用了地质过程动态模拟的数值分析方法，反演分析了

工程区河谷地应力场的形成演化及空间发育分布规律。现今河谷应力场显示出构造应力与自

重应力叠加作用的特点；主应力迹线在近坡面发生明显偏转，最小主应力垂直坡面，且量值

较小，最大主应力平行坡面；谷底附近存在着一个较明显的“高应力包”（最大主应力可达

３０～５６Ｍｐａ左右）。

（４）用、，Ｂ语言编写了ＡＮＳＹＳ－－ＦＬＡＣ３Ｄ接口程序，充分发挥了ＡＮＳＹＳ软件强大的建模功能和ＦＬＡｃ３Ｄ优越的算法，为模型的建立和计算提供了保障。

（５）根据河谷应力场与斜坡卸荷带的内在联系，探讨了斜坡应力场分带性特征在斜坡卸荷分带中的应用，其成果与定性分析及波速、ＲＱＤ、回弹值等定量划分成果具有较好的对

应性，进而综合划分了坝肩边坡岩体的卸荷带。

（６）根据地应力研究成果，采用考虑地应力因素的ＢＱ法对坝肩边坡岩体质量等级进行

了划分，并与定性判断和ＣＳＭＲ法划分结果进行了对比，综合得出了坝肩边坡岩体质量等级

以Ⅱ、ⅡＩ级为主，左岸边坡Ⅱ、Ⅲ级岩体占７０．１％，右岸边坡ＩＩ、Ⅲ级岩体所占比例７６．７

％。Ⅳ类岩体一般分布在边坡浅表部位，约在平硐口至硐深５０米范围内。

关键词：长河坝水电站河谷地应力硐壁应力测试斜坡应力场分带性三维数值模拟

卸荷分带岩体质量

ｌ

Ｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒａｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃａｎｙｏｎ’Ｓ

ｓｔｒｅｓｓｆｉｌｅｄｏｆｃｈａｎｇｈｅｂａｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｔａｔｉｏｎ

Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅａｕｔｈｏｒ：ｃｕｉｇｕｉｄａｎｃｅｏｆｐｒｏｆ．ｓｈｅｎ２００７．

ｊｉａｎ嫡，ｂｏｒｎ

ｉｎＤｅｃｅｍｂｅｒ１９８０．Ｕｎｄｅｒｔｈｅ

ｊｕｎｈｕｉｓｉｎｃｅＳｅｐｔｅｍｂｅｒ２００４，ｇｅｔｔｈｅｍａｔｅｒ’Ｓｄｅｇｒｅｅｉｎｊｕｎｅ

ＡＢＳＴＲＣＴ

Ｏｎｔｈｅｂａｓｅｓｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｂｏｕｔｔｈｅｂａｓｉｃｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎ、ｔｈｅｓｔｍｃｔＩｌｒｅｏｆ

ｔｈｅｓｌｏｐｅ

ａｎｄ

ｔｈｅｓｉｇｎｏｆ

ｔｈｅｃｒａｃｋｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ｔｈｅｅｓｓａｙａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅ

ａｒｅａ

ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｌｔｉｔｕｄｅｏｆｔｈｅｄａｍ

ｂｙｓｔｒｅｓｓ

ｒｅｌｉｅｆ－－ｒｅｃｏｖｅｒｙｍｅｔｈｏｄ．ｗｅａｌｓｏ

ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｈｉｇｈｓｔｒｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒ．ｃｏｍｂｉｎｅｄｔｈｅｔｅｓｔｅｓｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅａｐｅｒｔｕｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

ａｎｄｔｈｅｈｙｄｒｏｆｒａｃｔｕｒｉｎｇｍｅｔｈｏｄ，ｗｅ

ｓｔｕｄｉｅｄｔｈｅ３－Ｄｆｉｎｉｔｅ

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆｔｈｅｃａｎｙｏｎｂｙＴｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆ２－Ｄ

ａｎｄ

ｅｌｅｍｅｎｔ

ａｎａｌｙｓｉｓ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｗｅ

ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ

ａｌｓｏｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ．

（１）Ｗｅｔｅｓｔｅｄ

ｒｅｃｏｖｅｒｙ

ｔｈｅｓｅｃｏｎｄａｒｙｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｏｆｄｉｆｆｅｒｅｎｔａｌｔｉｔｕｄｅｂｙｔｈｅｓｔｒｅｓｓ

ｒｃｌｉｅｆ—

ｗｅｉｎｖｅｒｓｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｂｙｔｈｅ２－Ｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．

ａｎａｌｙｓｉｓ．ｗｅｆｉｎａｌｌｙｇｅｔｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅ‘＇ｈｕｍｐ”ｃｈａｒａｃｔｅｒｏｆｔｂｅｒｏｃｋ

（２）Ｂｙｔｈｅ

ｍｅｔｈｏｄ

ｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｅａｐｅｒｔｕｒｅｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ

ａｎｄ

ｔｈｅｈｙｄｒｏｆｒａｃｔｕｒｉｎｇ

ａｎｄ

ｓｏｍｅ

ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌｐｈｅｎｏｍｅｎｏｎｓ，ｗｅａｎａｌｙｓｉｓｅｄｔｈｅｑｕａｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅ

ｃａｎｙｏｎ’Ｓｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ，ＳＯｔｈａｔｗｅ

ｓｔｒｅｓｓ

ｃａｎｄｉｖｉｄｅｄｔｈｅ

ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｉｎｔｏｓｔｒｅｓｓｄｅｃｌｉｎｅＺＯｎｅ、

ｉｎｃｒｅａｓｅｚｏｎｅ、ｓｔｒｅｓｓｆｌｕｃｔｕａｔｅｄｚｏｎｅａｎｄｎａｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓｚｏｎｅ．ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ

ｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅ

ｚｏｎｅ

ｓｔｒｅｓｓｉｎｃｒｅａｓｅ

ＺＯｎｅ

ｉｓ

４０ｍ～１２０ｍ，ｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｄｅｐｔｈｏｆｎａｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓ

ｉＳｉｎ３６０ｍ．ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍａｘｓｔｒｅｓｓｉＳＮＷＷ～ＥＷ。ａｎａｌｙｓｉｓ．ｗｅ

ｉｎｖｅｒｓｉｏｎ

ｓｔｒｅｓｓ

（３）Ｗｉｔｈｔｈｅ

ｔｈｅ

Ｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇｏｆ３ Ｄｆｉｎｉｔｅｅｌｅｍｅｎｔ

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ｆｏｒｍａｔｉｏｎａｎｄ

ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｄｉｓｃｉｐｌｉｎａｒｉａｎｏｆｔｈｅｃａｎｙｏｎ’Ｓ

ｆｉｅｌｄ，．ｎｏｗ，ｔｈｅ

ｎａｔｕｒａｌ

ｃａｎｙｏｎ’Ｓｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄｉｓｔｈｅｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒａｌｓｔｒｅｓｓ

ａｎｄｔｈｅ

ｓｔｒｅｓｓ．ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｉｏｎｏｆｔｈｅｍｉｎｓｔｒｅｓｓｉｓｖｅｒｔｉｃａｌｔｏ

ｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａＳｓ，ｗｈｉｌｅ

ｔｈｅｍａｘｉｓｐａｒａｌｌｅｌｔｏｔｈｅｓｕｒｆａｃｅ．ｔｈｅｈｉｇｎｓｔｒｅｓｓｆｏｃｕｓｉｓｌｏｃａｔｅｄｉｎｔｈｅｂｏｔｔｏｍｏｆｔｈｅ

ｃａｎｙｏｎ

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ｎ

ｐｒｏｇｒａｍ

ａｂｏｕｔｔｈｅＡＮＳＹＳ—ＦＬＡＣ３ＤｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｂｙＶＢ．ｔｈｅ

ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｔｈｅ

（５）Ｂａｓｅｄ

ａｎｓｙｓ

ａｎｄ

ｆｌａｃ３ｄｍａｋｅｔｈｅｍｏｄｅｌｉｎｇａｎｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｐｏｓｓｉｂｌｅ．

ｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ

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ｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅ，ｗｅｄｉｓｃｕｓｓｅｄｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅ’Ｓｓｔｒｅｓｓ．ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｆｉｔｔｈｅ

ｑｕａｌｉｔａｔｉｖｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｂｙｔｈｅｔｅｓｔｓｌｏｐｅｓｔｒｅｓｓｆｉｅｌｄ．Ｓｏｆｉｎａｌｌｙ，ｗｅ

ｃａｎ

ａｃｈｉｅｖｅｍｅｎｔｏｆ

ｗａｖｅｖｅｌｏｅｉｔｙ、ｓｐｒｉｎｇｂａｃｋ

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ｎ

ｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｏｆ

ｔｈｅｓｌｏｐｅ．

（６）Ｂａｓｅｄ

ｏｎ

ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈ，ｗｅ

ｃａｌｌ

ｅｌａｓｓｉｆｙ

ｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｏｆｔｈｅ

ｓｌｏｐｅ．ａｆｔｅｒｔｈｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆ

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ａｎｄ

ＣＳＭＲ

ｍｅｔｈｏｄ，ｗｅｃａｎｄｒａｗｔｈｅｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｔｈａｔ，ｔｈｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｏｃｋｍａｓｓｏｆｔｈｅ

ｓｈｏｕｌｄｅｒｏｆｔｈｅｄａｒｎｉｓ

ＩＩ～Ⅲ．ｔｈｅＩＩ、ＨＩｌｅｖｅｌｉｓａｂｏｕｔ７６．７％ｏｆｔｈｅｌｅｆｔｓｈｏｒｅｏｆｔｈｅ

ｓｌｏｐｅ，ｍｅⅣｌｅｖｅｌｏｆｔｈｅ

５０ｄｅｐｔｈｉｎｔｈｅａｄｉｔ．

ｒｏｃｋｉｓｉｎｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｏｆｔｈｅｓｌｏｐｅ．ｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅ

ｅｎｔｒａｎｃｅ

ｔｏ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｈａｎｇｈｅｂａ

ｓｔｒｅｓｓｔｅｓｔｉｎｇｏｎ

ｈｙｄｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓｔａｔｉｏｎｃａｎｙｏｎ’Ｓｓｔｒｅｓｓ

ｆｉｅｌｄｔｈｅ

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ｑｕａｌｉｔｙ

ｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ

ⅡＩ

独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其

他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得虞壑堡工盔堂或其他教

育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何

贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

学位论文作者导师签名：乙吠厂尊易辱学位论文作者签名：麻丑彩乙／

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学位论文版权使用授权书

本学位论文作者完全了解盛壑堡王叁堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盛酆堡王盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。

（保密的学位论文在解密后适用本授权书）

学位论文作者签名：蔗逻勿乙

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／月ｚ日

第１章引言

１

引言

１．１选题依据及研究意义

１．１．１工程概况

长河坝水电站系大渡河干流水电规划“三库２２级”的第１０级电站，上接猴子岩电站，下游为黄金坪电站，是大渡河流域水电梯级近期开发的大型水电工程之一。坝址区控制流域面积５６６４８ｋｍ２，占流域面积的７３．２％，多年平均流量８３７ｍ３／ｓ；水库正常蓄水位１６９０ｍ，库容约１０．４亿ｍ３；坝型为心墙堆石坝，最大坝高２４０ｍ，装机容量２６００ＭＷ。工程区位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，坝址位于大渡河支流金汤河口下游约４ｋｍ～７ｋｍ河段，距上游丹巴县城约８５ｋｉｎ，距下游泸定县城约５０ｋｉｎ，距成都市约３６０ｋｉｎ。库坝区有省道￥２１１公路沿大渡河展布，并在瓦斯河口与国道３１８线相接，交通较方便（图ｌ。１－１）。

图１．卜１长河坝水电站地理位置图

工程区属青藏高原亚湿润气候区，年均气温７．１℃，最低温度．１４．７℃，最高气温２７．２℃；年降水量８０３．８ｍｒｎ，降雨集中在５￣９月，降雪在１０月～次年４月；年日照数１７３８小时，无霜期１５０，，－２５０天。因地势复杂多样，气候垂直差异明显，立体气候特征显著，有干旱河谷亚热带、暖温带、凉温带、寒温带、高原亚寒带、冰雪带等六种气候并存。大渡河由北向南流经工程区。

工程区枢纽布置如图１．１．２。地下厂房位于左岸，引水系统由四条平行布置的隧洞组成，引水洞进口位于左岸倒石沟下游壁。尾水洞出口位于大渡河左岸大湾沟堆积体下游约２００ｍ处，由两条隧道平行布置。右岸布置有一条深孔泄洪洞和平行布置的ｌ＃、２＃两条开敞式泄洪洞泄洪洞，两孔导流洞和一孔放空洞。进水口位于右岸象鼻沟及其上游近５００ｍ的坡段，其出口位于花瓶沟往下游约８００ｍ

的范围内。

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图Ｉ．卜２长河坝水电站枢纽布置围（据成勘院）

１．１．２选题依据

岩体的初始应力是指岩体在天然状态下所存在的内在应力，在地质学中，通常又称为地应力。岩体的本构关系、破坏准则以及岩体中应力传播规律都要随地应力大小的变化而发生变化【Ｉ】。例如，在低地应力和低偏压情况下，岩体的脆断特性表现明显，受节理面制约而表现出明显的各向异性和非连续性，岩体破坏时，峰值强度与残余强度之间的数值差较大。在高地应力（国内一般指工程区域的岩体初始应力达到２０～３０Ｍｐａ）条件下，如进行地下洞室的开挖，脆性岩石的围岩可能发生岩爆、片帮等现象，而软岩则可能发生大变形破坏；在边坡或坝基的开挖施工中，由于应力场调整则可能引起岩体的失稳或变形。因此，无论是地下洞室开挖过程中的围岩稳定性还是岩质工程高边坡的稳定性都与地应力水平息息相关。如何模拟工程岩体中的地应力，使研究结果与客观实际更为符合，为工程布置提出可靠依据，具有重要的现实意义。

随着工程实践的不断深入，诸如对前苏联托克托古尔水电站和我国二滩、三峡、锦屏Ｉ级、小湾等水电站坝址区的地应力测量，都证实了河谷应力场的整体分布特征为三带性模型，即由应力松弛区、应力集中区、应力稳定区构成１４】。这种应力分带规律主要是在河谷演化过程中，由于应力释放，岸坡岩体向临空方向产生卸荷回弹变形，谷坡应力场不断调整而形成的。伴随河谷的下切卸荷，斜

２

第１章引言

坡岩体受到风化作用、地下水作用等的综合改造，与之对应的表现为岩体风化、卸荷具有明显的分带性特征【ｌ－３］。

目前对地应力场的研究一般是根据少量的地应力测试资料通过数值模拟方法来得到，但由于地应力测量价格昂贵，并且受多种地质条件制约，因而具有一定的局限性。另一方面，数值模拟不能很好地反映斜坡浅表部的结构特征，对斜坡的应力场特征不能准确模拟，因此需寻求一种经济可行的方法来研究斜坡的应

力场分布规律。

根据中国水电顾问集团成都勘测设计研究院对长河坝水电站坝址区孔径变形和水压致裂地应力测试成果，坝址区近８０％实测点的大主应力超过１５Ｍｐａ，其中有个别点的最大主应力值甚至超过３０Ｍｐａ，属中～高地应力地区。由于坝址区地形地貌和地质构造条件的复杂性，决定了其应力分布也较为复杂，因而准确把握坝址区地应力场分布规律对于长河坝水电站的地下洞室以及斜坡稳定性的评价和设计具有重要意义。因此，在导师的指导下，作者选取“大渡河长河坝水电站枢纽区河谷应力场特征及应用研究”作为本论文研究题目。

１．２国内外研究现状

１．２．１．地应力场的研究历史

对地应力的认识，最早是海姆（Ｈｅｉｍ）于１８７８年在研究阿尔卑斯山深大隧道的地质问题时提出的“静水压力”假说，认为在离地表距离为Ｈ的地层深处，在各个方向存在的初始地应力量值都等于ＹＨ（Ｙ为地层密度）。１９２５年，金尼克又对初始地应力场的分布提出了弹性理论计算法，将岩体看成半无限域内弹性体，认为地层中的初始垂直应力可取为岩体自重ＹＨ，初始水平应力则应为【ｐ／（１．

ｕ）１

Ｙ

Ｈ。这两种理论后来都被证明仅适用于一定的场合，但均不能代表初始地

应力场分布状态的普遍规律。一般说来，埋深较大时地层中的初始应力场比较接近于静水应力场：而按弹性理论规律分布的初始地应力则只在未受到构造运动扰动的水平地层中才有可能存在。

１９１５年，瑞典的哈斯特（Ｎ．Ｈａｓｔ）首先开始量测初始地应力，由此开创了通过现场量测信息反演确定初始地应力的历史【５１。继哈斯特之后，许多国家先后开展了这项工作，积累了许多初始地应力的实测资料，综合分析可知，虽然绝大部分地区岩体的初始垂直应力大致相当于按岩体的平均密度Ｙ－－－２．７ｔ／ｍ３计算所得的上覆岩层的重量，但初始水平应力却常大于初始垂直应力，且都具有强烈的方向性，即两个初始水平主应力的量值常常相差较大，最大初始水平主应力的作用方向一般取决于现代构造应力场的主要压缩方向。

在金尼克假设提出以后的几十年时间内，对初始地应力场所作的研究大都属于定性研究的范畴，例如将初始地应力场区分为自重应力场、构造应力场、温度应力场和地磁应力场，分析它们的特点和影响因素，以及研究水平地应力和垂直

３

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地应力之间的数量关系，即侧压力系数的变化特征等。近２０年来，随着计算机技术和数值分析方法的进步，这一课题才在建立定量计算方法研究方面相继取得成果。在近期研究者提出的初始地应力场定量计算方法中。大多是以某些位置的初始地应力实测值为依据的数值拟合分析计算法。在数学概念中，这类方法属于选点法。

１，２．２应力测量方法的研究

地应力的测试工作早在２０世纪３０年代就开始了，至今已有７０多年的历史。在这半个多世纪里，地应力测试的技术大致经历ｙ－－个阶段【Ｉ“。早期（３０，－４０年代）的工作，以比较简单的岩体表面应力测试为特点，由于测试工作避免不了表部岩体卸荷松动的影响，所以成果的代表性及可靠度较低。５０－－６０年代期间，各国先后研制出多种在钻孔内部测试岩体应力的方法，使地应力的测量能直接在未受卸荷扰动的岩体内进行，大大提高了成果的可靠性；这一阶段不仅测试技术有了很大发展，而且通过实践积累了大量岩体应力的实测资料，使人们对于岩体的天然应力状态有了比较整体的、定量的认识。７０年代以来，岩体应力测试又发展到了一个新的阶段：一方面是水压致裂法测定地应力技术的开发和应用使直接测量地下深部岩体应力成为可能，同时一些有发展前途的简易测试方法也得到了快速发展。２０世纪９０年代末，在川藏公路二郎山隧道地应力场专题研究中，王兰生［４２１［４４１、徐进等人提出了一套硐壁二次应力测试方法——改进型门塞式应力恢复法，之后应用于雪峰山隧道ｆ４３】和锦屏一级水电站中，取得了良好的效果。近半个世纪来，特别是近４０年来，随着地应力测量工作的不断开展，各种测量方法和测量仪器也不断发展起来，就世界范围而言，目前各种主要测量方法有数十种之多，而测量仪器则有数百种之多Ｉｌ…。

对测量方法的分类并没有统一的标准，有人根据测量手段的不同，将在实际测量中使用过的测量方法分为五大类，即：构造法、变形法、电磁法、地震法、放射线法。也有人根据测量原理的不同分为应力恢复法、应力解除法、应变恢复法、应变解除法、水压致裂法、声发射法、ｘ射线法、重力法共八类【ｌ研。

但根据国内外多数人的观点，依据测量基本原理的不同，可将测量方法分为直接测量法和间接测量法两大类。直接测量法是由测量仪器直接测量和记录各种应力量，如补偿应力、恢复应力、平衡应力，并由这些应力量和原岩应力的相互关系，通过计算获得原岩应力值。在计算过程中并不涉及各种物理量的换算，不需要知道岩石的物理力学性质和应力应变关系。扁千斤顶法、水压致裂法、刚性包体应力计法和声发射法均属直接测量法。其中，水压致裂法在目前的应用最为广泛，声发射法次之。在间接测量法中，不是直接测量应力量，而是借助某些传感元件或某些介质，测量和记录岩体中某些与应力有关的间接物理量的变化，如岩体中的变形和应变，岩体的密度、渗透性、吸水性、电阻、电容的变化，弹性波传播速度的变化等，然后由测得的间接物理量的变化，通过已知的公式计算岩

４

第１章引言

体中的应力值。因此在间接测量法中，为了计算应力值，首先必须确定岩体的物理力学性质以及所测物理量和应力的相互关系。套孔应力解除法和其他的应力或应变解除方法以及地球物理方法等是间接法中较常用的，其中套孔应力解除法是目前国内外最普遍采用的发展较为成熟的一种地应力测量方法。

１．２．３初始地应力场的研究

从二十世纪５０年代以来，由于岩土工程迅速发展，取得了大量宝贵的资料。目前在大、中型水电工程坝址区地应力场的分析中，都有条件根据现场地应力实测资料进行工程区域初始应力的反演分析。目前已建立的数值拟合分析计算方法主要是以分析工程区域初始地应力场为目标的数值计算法，这是因为初始地应力场的分布规律非常复杂，人们已经积累的经验还不足以针对大范围内初始地应力场的分析计算建立比较合理的力学模型。只有局限在较小范围内初始地应力场的反演分析时，计算区域的边界应力才能简单地假设为均布应力或只是按线性规律变化的应力等。这类问题的计算可简化为边值问题，待求得边界应力的量值后，即可由此计算出整个计算区域的初始地应力场。现在工程上应用较多的分析方法大致可以分为两类：一类是位移反分析方法，即结合现场开挖实测位移，反演岩体初始应力［６Ｈ７］，此方法目前主要用于地下工程，且理论与方法都欠成熟嘲；另一类是地应力回归方法，即结合工程区域地应力场的有限元计算模型，根据工程所在地区少量地应力实测资料进行回归计算，使得计算应力场在实测点位置的应力值与实测应力达到最优拟合，以求得工程区域初始应力场【９１【１０】。

（１）位移反分析理论的发展

在国外，日本对这类课题的研究取得了较多的成果，其中比较著名的是神户大学的樱井春辅等人提出的位移一应变反馈确定初始地应力与地层参数值的有限单元法【３引。这一方法假设了岩体的初始垂直应力近似等于自重应力，取用了不等于水平应力ｕ，（１．弘）的待定侧压力系数，在分析计算中可同时确定地层Ｅ、“值。为使计算位移值逼近实测位移值，这一方法需经过多次重复计算，才能最终确定弹性参数及初始地应力。除日本外，美国、意大利等国的学者对位移反演理论也早有研究，其中美国学者古德曼限．Ｅ．Ｇｏｏｄｍａｎ）在岩石力学专著中已提到可依据位移量反算初始地应力，意大利学者焦德（Ｇ．Ｇｉｏｄａ）贝ＪＪ已从事位移反演理论研究多年，并已取得系列成果，包括可同时确定初始地应力场和地层特性参数的优化反演分析理论。

国内最早研究初始地应力场位移反演分析计算法的单位是中国科学院地质研究所，杨志法等根据有限元计算所得的围岩应力分析结果编制了一系列图谱，可以在图谱中直接由位移量测值来研究初始地应力或围岩参数，或同时确定两者［１１１。中国科学院武汉岩土力学研究所也曾进行过性质类似的研究０２］，这类位移反演分析计算法属于数值拟合计算法，近年来同济大学杨林德等人在位移反分析理论和工程应用方面发表了较多的研究成果【５】【６】。

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（２）地应力场回归计算方法的研列”】

岩体初始地应力研究与工程应用涉及地应力量测和区域回归分析两个方面的内容，由于岩体中存在着大量的断层、节理、微裂隙等不同类型的结构面以及地应力量测方法的局限性，目前室内方法及现场解除法测定的地应力成果只能代表测点位置１．０～３．０米范围内“岩块”的应力状态，采用位移反分析所得到的地应力也只能代表多点位移计量测范围内岩体的一种平均应力，仍然属于小范围内的一种局部应力，直接将这些测点位置的地应力成果应用于工程，存在两个方面的问题：一方面由于岩体初始地应力与它所赋存的地质单元体的形成与演变过程中许多因素有关。工程上实测的地应力成果，由于测点位置的地质力学环境差异，尤其是目前工程上地应力量测的选点位置或取样位置，一般埋深都较浅（小于４００米），主应力的水平及方位受地形与结构面影响较大，经常出现同一区域不同测点的地应力测量成果离散性很大。如何认识这种测点之间地应力成果的差异性，以及如何分析评价各测点的合理性与代表性，往往成为工程上一个非常棘手的问题：另一方面由于岩体地应力的现场量测费工费时，成本很高，即使很重要的大型水电站工程也只能开展少数几个点的测量，如二滩水电站为１１个测点，拉西瓦水电站为５个测点，鲁布格水电站为６个测点，天生桥二级水电站为５个测点，洪家渡水电站为３个测点，思林电站为５个测点、锦屏Ｉ级水电站为２３个测点、溪洛渡电站为６个测点。如何根据这少数的测点应力去认识和把握工程区域地应力分布的特征与规律，这就要求建立测点应力与工程区域应力场之间的关系。

综上，工程区域地应力场的回归分析，对于多测点地应力实测成果之间的“平差”，正确认识工程区域地应力场的宏观规律，以及加快水电工程的进度都具有非常重要的意义。目前，工程上常用的地应力场回归分析方法主要有以下几种：

１）有限元数学模型回归分析方法【１６１

该方法是将可能形成初始应力场的因素（如自重，构造作用等）作为待定因素，建立待定因素与实测资料之间的多元回归方程，运用数理统计方法，使残差平方和达到最小。由此求得回归方程中各自变量（待定因素）系数的唯一解，然后根据所求得的回归方程，计算出整个区域的初始应力场。如何确定待回归因素，

以及如何正确模拟构造作用一直是值得探讨的问题。

２）地质历史反演分析法

该方法假设在河谷形成以前，地应力场反演区域的地形平坦，此时就存在了远古时代的初始地应力场。河谷地形是在经历了漫长的地质历史时期后，由于河流的不断冲刷下切作用逐渐演变形成。在反演分析中一方面需要模拟河流下切历史中谷坡形态的变化，同时还需要模拟谷坡地应力的释放效应，反映河流逐步下切使地应力场逐渐调整的过程，并叠加初始地应力场，最后得到现今的地应力场。但是，河流的下切也是一个漫长的历史过程，而由地质构造运动形成的构造应力场究竟是在河流形成以前就已形成，还是在河流形成过程中经过若干个地质构造

６

第１章引言

运动才形成现今的构造应力场，这很难加以判断，故地质历史演变过程的复杂性造成了此种方法的模糊性，当区域内有地应力实测点时，更需要通过多次试计算来确定远古时代就己形成的地应力场，使整个地应力场反演过程更为复杂。

３）边界荷载调整法１１４１

该方法是运用有限元数值分析手段，通过逐步调整工程区域边界荷载，使得用有限元方法求出的应力场在给定的预４点位置等于或接近地应力的实测值。与此相应的计算应力场即作为岩体的初始地应力场，由于计算依据是某些点实测应力值的数值拟合，以这类方法进行计算时一般需要多次重复的计算，才能得到结果０９］。如黄润秋教授等１２０］（１９９１年）系统研究了黄河拉西瓦水电站高边坡的地应力场特征及演化规律，徐林生博士等【２１１（１９９９）通过模拟山体成坡的历史过程研究了二郎山公路隧道工程区的初始地应力场特征。该方法适宜于地应力场的非线性

（弹塑性型）还原分析。

１．２．４地应力场的应用研究

（１）在斜坡岩体卸荷分带中的应用

目前，国内外对岩体卸荷带的形成机制ｍ】圆、卸荷岩体的工程特征例１２５１、工程岩体卸荷破坏特征脚培均有大量的研究，并取得了极大的进展；但对斜坡岩体

卸荷带的划分还没有统一的标准，传统的方法是地质师依据斜坡岩体结构特征、裂隙张开及泥质物冲填特征、地下水分布等进行现场定性确定，因而常造成岩体卸荷分带的不准确性。任光明等提出了以裂隙开度、裂隙条数、纵波速度、透水性系数等岩体卸荷量化指标，并在工程应用中取得了较好的效果［２＂ｒｌ。关于应力场与卸荷分带之间对应关系的研究还不多见。

（２）在斜坡岩体变形破裂方式中的应用研究

这方面以成都理工大学环境与土木工程学院学术群体为代表，他们在研究了中国西南、西北重大水电工程深切河谷岩体后得出以下两点认识与结论，即：①挽近时期河谷存在浅生时效构造【３９】（王兰生教授），高陡谷坡岩体结构表生改造的典型表现为谷坡卸荷带的形成，其中包括水平卸荷裂隙、垂直卸荷裂隙（带）、岸坡整体松弛和沿缓倾角结构面回弹改造等几种主要形式；②结构面的表生改造对谷坡岩体的工程地质特性具有重大影响，即表生改造一方面起到释放坡体应力、促进河谷应力场形成的作用，另一方面又破坏了岸坡岩体结构，导致岩体和结构面强度的降低。形成岸坡岩体的进一步变形的几何边界和力学边界。

黄润秋教授等在其新著“中国西南地壳浅表层动力学过程及其工程环境效应”【４刀（２００１）中就河谷应力场释放、岩体卸荷条件下斜坡岩体的破裂机理及卸荷带的形成作了探讨与总结认为，在斜坡浅部的应力降低区内，对应了两个不同应力状态的区域，其一为位于近坡面一定深度范围内的一向受压、一向受拉的拉一压应力组合区；其二为位于拉一压应力组合区与应力增高区之间的双向受压的压一压应力组合区，并将谷坡岩体从卸荷角度分为拉裂区、压致拉裂区、张剪型破

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裂区、剪切松弛型卸荷区与河床一定深度以下高应力集中区【蚰Ｊ。

（３）在力学参数取值中的应用研究

聂德新教授对西北、西南等大型水电工程中的软弱层带进行了深入的研究，指出了岩体所处的地应力场和渗流场是影响岩体工程特性的两个主要的外在因素［２８ｌ。岩体中的软弱层带（如软弱夹层、断层等），因其物理力学性质远较周围岩体差，常常是控制岩体稳定性的重要边界。而软弱层带赋存于复杂的地质环境中，它的工程特性是其物质基础与环境条件共同作用的结果。软弱层带的物质基础主要指颗粒组成、矿物成分和化学成分等。环境条件主要有地应力、地下水和地温等。而地应力却是最活跃的因素，它不仅对软弱层带的工程特性起决定作用，而且对另外两个因素也有一定的影响（尤其是对地下水）。研究发现：当最大主应力垂直结构面时，结构面闭合，裂隙水渗流减弱；当最大主应力平行结构面时，结构面

张开。裂隙水渗流增强。

在软弱层带形成后的地质历史中，天然地应力一方面使其逐渐发生压密和固结，另一方面还延缓地下水的渗流，从而改善其物理力学性质。因此，研究软弱层带的工程特性应从软弱层带的物质组成和环境条件两方面来考虑［２９ｌ。

（４）在边坡稳定性计算中的应用研究

在岩质边坡的稳定性评价中，一般需对结构面互相切割而成的不利组合进行稳定性计算。但结构面的力学参数是由生产单位进行室内或原位试验之后所确定，这种参数是宏观意义上的力学参数，并没有考虑岩体所赋存的地质环境（如地应力、地下水）对结构面力学参数的影响。这就造成了边坡稳定性的计算结果偏低，使得工程设计偏于保守，从而提高工程造价。

（５）在围岩稳定性评价中的应用研究

岩体在天然条件下均处于一定的初始应力状态，地下洞室的开挖，必将破坏这种应力平衡状态，形成二次应力场，如果超过岩体所能承受的极限，势必影响洞室围岩的稳定性１４９】【３５１。围岩稳定问题是地下洞室的主要工程地质问题，在洞室开挖后在洞周围岩中可能产生高度的应力集中区和拉应力区。高应力作用的结果就有可能造成洞周围岩的破坏，尤其在错动带出露的部位，围岩的变形破坏必然加剧。因此，目前通过对洞室围岩进行稳定性数值模拟方法来分析围岩二次应力分布状况和开挖后岩体变形破坏特征，已经在很多水利水电工程和交通隧道工程中得到了广泛的应用【３０Ｊ。

（６）在斜坡岩体质量分级中的应用

岩体质量分级因工程类型（如大坝、隧道、边坡等）不同而有多种方法，其中考虑地应力影响因素的主要有Ｑ系统【３１】和ＢＱ｜４８】分类两种。岩体Ｑ系统分类是１９７４年在挪威由ＢａｒｔｏｎＬｉｅｎ和Ｌｕｎｄｅ在分析斯堪的纳维亚２１２个隧道实例的基础上提出来的。该系统采用岩体质量指数（ｑｕａｌｉｔｙ

ｉｎｄｅｘｏｆｒｏｃｋ

ｍＢｓｓ，Ｑ）作为分

类依据。ＢＱ法是ＧＢ５０２１４－－９４中规定的工程岩体分级标准，该方法先确定岩体

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第１章引言

的基本质量ＢＱ，确定ＢＱ需要两个指标：岩体单轴饱和（湿）抗压强度Ｒｃ和岩体完

整性指数Ｋｖ。工程岩体（也叫围岩）的稳定性，除与岩体基本质量的好坏有关外，

还受地下水、主要软弱结构面、初始应力的影响。应结合工程特点，考虑各影响因素来修正岩体基本质量指标，作为不同工程岩体分级的定量依据。１．２．５存在的问题

由上述阐述及对国内外众多文献的分析，对于岩体初始应力场反演及其应用和实践已经取得了丰硕的成果和经验，但还存在一些不足，主要表现在以下几个

方面。

（１）由于孔径变形法等地应力测试方法既费时又昂贵，且受诸多条件的限制，因此目前对应力场的研究一般是通过少量的测试成果用数值模拟方法进行，但由于岩体中存在断层、裂隙等不连续面，使得数值计算很难准确获得斜坡应力场的分布特征，尤其是斜坡浅表部，由于受卸荷及复杂结构条件的影响，对边坡应力场分带特征更难以把握。

（２）在河谷应力场的应用方面，目前还未有将其应用到斜坡岩体的卸荷分带及结构分带的相关成果，在力学参数的选取、岩体质量分级等方面的应用成果也较为少见。

（３）具体在长河坝水电站坝区的研究方面，目前仅有少量孔径变形法和水压致裂法测试资料，对坝址区应力场的分布与分带研究还不够深入，因此使得工程的布置和设计未能充分地考虑地应力的影响。

１．３研究思路及技术路线

１．３．１主要研究内容

本论文研究的目的主要是深入了解长河坝水电站枢纽区的斜坡应力场分布规律，在此基础上探讨和拓展应力场在工程实践中的应用思路。主要包括如下研究内容。

（１）应力场的地质地貌背景条件（２）坝区高地应力地质现象

（３）坝区边坡应力场的测试及其成果的二维反演分析（４）河谷下切三维数值模拟分析（５）应力场在工程建设中的应用研究１．３．２研究思路及技术路线

本论文研究思路以分析规律一认识规律一应用规律为主线，对应力场的分析采用从现象到本质、从局部到整体的研究方法。在分析坝址区斜坡应力场地质地貌环境条件基础上，着重对坝址区的高地应力现象作了调查和分析，采用改进型门塞式应力恢复法对坝址区两岸不同高程勘探平硐的硐壁二次应力场作了较系统测试，采用二维数值模拟方法对斜坡局部的应力场特征和成因进行了分析。并

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结合坝址区孔径变形法等实测地应力资料，采用三维数值计算方法，模拟了河谷应力场的演化过程及其分布特征，从整体、宏观的角度把握工程区斜坡应力场的分布特征，确定出斜坡应力场分带的具体范围，并且对其在工程中的应用进行合理拓展和探讨。论文研究的技术路线如图１．３．１，其主要内容分述如下。

区域地质背景分析

区域构造

区域地貌及演化

新构造运动

区域应力场背景

地震

边坡的基本工程地质条件

地形ｌＩ地层岩性及ｌＩ边坡岩体ＩＩ风化ｌＩ水文地ＩＩ边坡变形

地貌ｌｌ

地质构造ｌｌ结构特征ＩＩ卸荷Ｉｌ质条件｜Ｉ破坏特征

工程区地应力场特征

高地应力地质现象

孔径变形及水压致裂应力测试及成果分析

洞壁二次应力测试成果分析

斜坡应力分带性分析

河谷应力场三维数值模拟研究

地应力场应用研究

风化卸荷分带ＩＩ斜坡岩级分类

结论及认识

围１．３－１研究技术路线图

（１）工程区区域地质背景分析

通过对区域地质资料的分析，系统地认识工程区区域构造、地形地貌及演化、地震及区域稳定性等，这些都是研究斜坡应力场的基础。

（２）枢纽区基本地质条件研究

在边坡宏观地质背景研究基础上，对枢纽区的基本地质条件进行分析，主要内容包括工程区河谷地貌特征、地层岩性及地质构造、岩体结构特征、岩体的风

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第１章引言

化卸荷特征、水文地质条件、边坡变形破坏特征等。

（３）斜坡应力场测试成果分析

根据孔径变形法、水压致裂等地应力测试成果，结合区域地应力分析资料，研究枢纽区应力场特征，并采用洞壁应力解除对坝肩平洞进行二次应力场进行测试，以此为基础反演斜坡初始应力场，并对斜坡应力场分带性特征做出初步分析。

（４）斜坡应力场三维数值模拟研究

通过对工程区基本地质条件的分析，结合地应力测试资料，建立合理的三维力学模型，运用ＦＬＡＣ３Ｄ数值软件模拟河谷下切过程来研究工程区斜坡应力场整体的分布规律。最后结合二维数值模拟结果，划分河谷应力分带。

（５）应力场在工程中的应用研究

在对工程区应力场特征充分了解的基础上，结合本工程实际，探讨其在岩体卸荷分带、岩级分带中的应用，并对其结果进行了分析和评价。

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２研究区工程地质条件

２．１区域地质条件

２．１．１区域构造２．１．１．１大地构造位置

长河坝水电站地处青藏断块东部边缘地带，大地构造部位处于扬予地台

与松潘一甘孜地槽褶皱系

Ｉ级构造单元交界部位的

西侧。位于川滇菱形断块的东北边界鲜水河断裂带之北东侧，扬子准地台之二级构造单元康滇地轴北端。或川滇南北向构造带北端与北东向龙门山断褶带、北西向鲜水河断褶带和金汤弧形构造带的交接复合部位，其西北面与松潘一甘孜地槽褶皱系为邻，东面及东北部分别与四川台拗和龙门山台缘断褶带相连（图２．１一Ｉ）。２．１．１．２区域构造格局

由于该地区自早元古代以来，经历了晋宁运动、澄江运动、海西运动、印

囤ｔ囹ｔ圈，圆 困ｔ囫 圈ｒ囫

医刁

臣弓１０

团“囤臆

图２．Ｉ－Ｉ坝区大地构造位置略图（据吴德超，等，２００２）

陆块及地块：Ｉ．华北陆块ＩＩ．扬子陆块ｍ．塔里木陆块Ⅳ．羌塘一宝山陆块；１．早尢古代末固结２．中、晚无古代末崮结３．晚元古代末同结：

褶啦带及括动带；（Ｉ）松潘一甘孜褶皱带（２）秦岭褶皱带（３）冈底斯一腾冲活动带；４．加里东期５．华力两期６．印支期７．燕山期８．喜山期９．板块结合带１０．地壳拼结带儿．次级构造单元界线１２．坝区位置

支运动、燕山运动和喜马拉雅运动等多期次的构造运动，先后形成了各种不同方向、不同规模、不同样式、不同性质、不同形成环境、不同形成机制的复杂的断裂构造系统。川滇ＳＮ向构造带、ＮＥ向龙门山构造带、ＮＷ向鲜水河构造带、金汤弧形构造带构成了本区最基本的构造框架（图２．Ｉ一２、表２．１．１）。

（Ｉ）川滇南北构造带北端

川滇南北向构造带发生时期悠久，发展演化历史复杂。北端主要由鸡心梁子地块、菩萨山地块和昌昌断裂带组成其主带。

第２章研究区基本工程地质条件

图２．１－２长河坝水电站区域构造纲要略图表２．１－１

断裂构造归属

断裂名称泸定断裂

ＮＮＥ

区域主要断裂特征表

破碎带

倾角陡

７０。

断裂产状

走向

ＳＮ—

上盘位移方

同

形成机制

断裂类型韧性叠加脆性

断裂成型时期澄江期

倾向Ｗ—ＮＷＷ

宽度（ｍ）

５００－，１０００

Ｅ＿Ｗ

Ｗ—啼ＥＷ—＋Ｅ

川滇南北向断裂带

龙农寨断裂昌吕断裂瓜达沟断裂楼上断裂江咀断裂

ＮＷ向构造ＮＥ向构造

龙门山构造

带贝母山断裂

金汤弧形构造带

三黄寨断裂

—ＮＷ

ＥＷ向构造

四家沟口断

裂

ＥＷＮ４０－－５００Ｅ

ＳＮＳＮＳＮＳＮＳＮ

红锋断裂

ＳＮ

Ｗ

Ｗ

ＥＥＥ

＞６

１，５＞３５＞１４１００．３一’５

缓一陡

６０～７０。６０～８６。

逆冲推覆挤压逆冲推覆

脆性

逆冲

燕山期

脆韧性脆性脆性脆性脆性

印

脆韧性

¨Ｗ

Ｅ— ＷＥ— ＷＷ—Ｅ

ＳＷ－．ＮＥ

支期

中等一陡缓一陡陡

ＷＳＷ

鲜水河断裂

ＮＷ

ＮＷ中等一陡

陡

１０Ｉ一５

ＮＷ—＋ＳＥ

推覆

Ｎ＿Ｓ

Ｎ—＋Ｓ

脆性

逆冲推覆

韧性

逆冲推覆

脆韧性

印支期印支期一燕山期海西期、印支期印支期澄江、印支期

色古断裂王家河坝断

裂

ＮＷ—ＥＷ

—ＮＥ

ＮＥ—Ｎ—陡缓

ＮＷ

３０１５０

Ｓ州

ＳＳＥ— ＮＮＷ

ＳＮ—ＥＷ

Ｅ—Ｓ—ＳＷ

陡

１１５

脆性韧性叠加脆性

Ｎ

陡

挤压

孽’１２

Ｎ— Ｓ

逆冲

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昌昌断裂带：沿大渡河左岸呈ＳＮ向展布，距大渡河平距３．７ｋｍ～５．５ｋｍ，距长河坝坝址最近距离４．５ｋｍ，北起金汤五大寺一带，经边坝、昌昌、向南延伸至岚安一带，在岚安附近斜列南北向泸定断裂；断裂带由西至东主要由昌昌断裂、瓜达沟断裂、楼上断裂及其与之平行的昌昌向斜组成宽约２ｋｍ～４ｋｍ的断褶带。

１）昌昌断裂：沿五大寺、吕吕一带分布，断裂两侧为中生代地层（ＭＺ），岚安附近断裂两侧为“康定杂岩”；主断带呈南北向展布，倾向东，倾角６０。～７０。，宽十几至数十米，由断层泥、构造透镜体和挤压辟理带等组成，断裂带糜棱岩化、绿泥石化甚为普遍，显示明显的挤压特征。该断裂晚第四纪以来基本不具新活动性，主要表现在：①断错地貌标志不明显，断裂不存在差异性活动，卫星像片上构造形迹线形不明显；②地震活动微弱，仅在断裂北端以北与金汤弧形构造带交汇部位，于１９４１年发生过６级中强地震；③除局部有线状冷泉分布以外，无地热活动；④第四系地层中褶皱、断裂不明显，未见断裂切割阶地和第四系堆积物，而是被其覆盖。⑤金康水电站隧洞中及地表，断裂及其次级断裂断层泥ＥＳＲ年龄为１２±０．１～１６．４±１．４万年（中国地震局，２００４），说明其主要活动时代为中更新世晚期，晚更新世活动比较微弱。

２）瓜达沟断裂：位于昌昌断裂东侧Ｏ．７ｋｒａａｌ．５ｋｍ，呈南北向沿大渡河左岸与昌昌断裂平行展布，距长河坝水电站坝区最近距离５．２ｋｍ。断裂北起康定县金汤大火地，由金汤五大寺，向南经瓜达沟、江口，到康定县前溪乡赶羊沟交于昌吕断裂上，断裂总长约２２ｋｍ。平面上线形特征较明显，呈较为明显的波状弯曲，苦白梁子以北，断裂走向近ＳＮ；从苦白梁子一瓜达沟南侧，断层走向由ＮＮＥ转为ＳＮ再转为ＮＮＷ，呈向西凸出的弧形；瓜达沟以南，初咱磨子沟一江口一带，断层走向近ＳＮ向，向南转为ＮＮＥ向交于昌昌断裂上。断层总体向东倾斜，倾角较陡，北段五大寺一带，倾角８４。～８６。，中段昌昌一带和南段初咱沟一带，倾角一般在６０。以上。断裂带宽度在不同部位也存在变化，在北段五大寺一带，断裂带宽度＞１４１１１，在南段的昌昌磨子沟一带，断裂带宽度１０～２０余米。

断裂在不同部位切割地质体各不相同。北段康定县五大寺一苦白梁子一带，断层上盘为志留系茂县群、中下泥盆统捧达组和上泥盆统河心组，下盘为志留系茂县群碳酸盐岩；瓜达沟以南，断层上盘为下元古界咱里组斜长角闪岩，下盘为志留系茂县群千枚岩和碳酸盐岩。该断裂在其南端切割了晋宁一澄江期形成的南

北向泸定断裂带。断层糜棱岩ＥＳＲ年龄为１４．４±１．５－－１７．８±１．６万年（中国地震

局，２００４），说明其主要活动时代为中更新世晚期；断层泥石英碎粒形貌缺乏贝壳状～次贝壳状形貌，表明其主要活动期为中更新世及以前。

此外，工程区外围尚发育有泸定断裂带、楼上断裂、江咀断层、红锋断裂、

龙衣寨断层等近ＳＮ向断裂。

（２）北东向龙门山构造带

该构造带成生时期悠久，发展演化历史复杂，而且展布庞大，构造形迹亦多

１４

第２章研究区基本一ｒ：程地质条件

种多样，主要由北东向冲断带、隆起带、拗陷带，飞来峰和片理、劈理破碎带等组成。区内ＮＥ向断裂从北西至南东主要有赶羊沟断层、五龙断层、盐井断层、双石断层等，是龙门山断裂南西延伸段的一部分，且规模逐渐减少，活动强度已趋弱化。ＮＥ向断层一般走向为Ｎ４０＂－５００Ｅ，倾向ＮＷ，倾角一般为６０～７０。，双石断层倾角较小，为４５＂－＇６５０；断层均具冲断层性质，呈叠瓦状组合。

（３）北西向构造带

由一系列压扭性断裂和复式褶皱所组成，成型于印支期，燕山期得以发展和强化，新生代以来，以强烈的地震活动、水热活动而著称，且对工程区有较强烈的波及影响。它的主要断裂构造有鲜水河断裂、玉科断裂等。

鲜水河断裂位于坝址ＳＷ侧４０ｋｍ左右。该断裂既是川滇菱形断块的北部边界，又是川青与川滇块体的分界线，是中国西部著名的一条地壳壳内断裂和中国大陆内部少有的一条地震活动带。北西起于甘孜西北，向南东经炉霍、道孚、康定、磨西，止于石棉公益海以南，长约４００ｋｉｎ，走向Ｎ５００～６０。Ｗ，康定以南略向南偏转，呈Ｎ１００～３００Ｗ方向延伸，倾向不定，倾角较陡，为强烈的左旋走滑活动断裂带。以惠远寺第四纪横断型盆地为界可分北西和南东两段：北西段长约２００ｋｉｎ，结构较单一，由一条主干断裂组成，晚更新世～全新世以来，断裂平均滑动速率较高，在１０ｍｍ／ａ～１５ｍｍ／ａ左右；南东段长约２００ｋｉｎ，结构比较复杂，由数条断裂近于平行展布而成，单条断裂滑动速率５ｍｍ／ａ～１０ｍｍ／ａ。它们彼此之间呈左阶羽列展布。

鲜水河断裂带具有明显的全新世活动性，沿断裂带上醒目的断错地貌和近代地震地表破裂为其显著特点，是四川省地震最多、强度最大的一条地震带。自１７２５年以来共发生Ｍ窀５级地震４６次，其中６．０级～６．９级地震１７次，７级以上

地震１０次，即１７２５年康定７级地震，１７８６年康定一泸定磨西间７音级地震，１８１６

年炉霍７｛级地震，１８９３年道孚乾宁７｛级地震，１８９６年石渠邓柯７｛级地震，１９０４

一

’’

年道孚７级地震，１９２３年炉霍道孚间７｛级地震，１９４８年理塘南７｛级地震，１９５５

ｑ

’

年康定折多塘７｛级地震，１９７３年炉霍雅德７．６级地震。

（４）金汤弧形构造带

该弧形构造又称金汤滑脱一推覆构造带，横跨康定、天全、宝兴等县，主要由震旦纪和古生代地层组成，两翼与弧顶构成一个向南凸的弓形，弧顶位于金棚山、黑悬河一带，东翼较长，往南东逆冲于龙门山推覆体之上，往南及南西逆冲于康滇基底隆起带之上，北部为小金弧形滑脱．推覆带的上古生界三叠系西康群

覆盖。

根据形态，金汤弧形构造带大体可分为弧顶、东翼、西翼及腹心四部分。弧形构造主要由一系列向南凸出的弧形（高角度冲）断裂、弧形（挤压）褶皱以及

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ＮＥ向、Ｎｗ向两组断裂带组成。主要可见１１条弧形断层，即贝母山、长河坝（捧达弧形断裂）、黑悬沟、金棚山、青草塘、九奔流、贵强湾、大草塘、穿天坡、扑鸡沟和鸡冠坪弧形断层。贝母山断裂是金汤弧形构造带的前缘推覆滑脱断层，规模较大，变形较强。弧形断层断面均陡倾向弧形内侧，倾角一般６００～８０。，断层两侧地层展布与断层线一致，断层之间褶皱发育，褶皱形态紧闭、倒转甚至平卧。弧形构造带中发育ＮＥ、ＮＷ两组小型平移断层，前者右旋、后者左旋。

金汤弧及小金弧被ＮＥ向扑鸡沟断裂切割。金汤滑脱一推覆构造变形强烈，在其主推覆断裂一捧达断裂前缘，金汤镇ＮＷ，１９４１年曾发生过６级地震，说

明具有一定的现代活动性。

２．１，２区域地貌及其演化

长河坝水电站地处青藏高原东南部川西北丘状高原东南缘向四川盆地过渡地带，北为巴颜喀拉山脉南东段，东靠邛崃山脉北段，西依大雪山山脉，为横断山系北段的高山曲流深切峡谷地貌，山势展布与主要构造线走向基本一致。北部山顶海拔一般４５００ｍ～５３００ｍ，东部邛崃山一带海拔一般３０００ｍ～４５００ｍ，夹金山山峰高达４９３０ｍ，西部大雪山海拔一般可达４５００ｍ～５５００ｍ。

川西高原的地貌发育过程，是第三纪末期以来，高原期夷平面在急速抬升中的迅速解体和深切峡谷深入发展的过程，夷平面可大致划分为三级：一级夷平面高程４４００ｍ～４６００ｍ，为准平原被破坏后剧烈抬升形成的准平原化夷平面，即高原期夷平面；二级夷平面高程４１００ｍ～４２００ｍ，属剥蚀面，三级夷平面（二朗山期）高程３５００ｍ～３６００ｍ，属剥蚀面未能充分发展，里肩状平台残留状分布。

区域在３６００ｍ以上，特别是４２００ｍ以上的高山区常见冰斗、刃脊、角峰、‘‘Ｕ”形谷（悬谷）等冰蚀地貌残迹及高山“海子”（古冰川、冰斗、冰湖的残余），表明第四纪晚更新世有过山谷冰川活动（属青藏高原末次冰期）。大渡河河谷深切，呈峡谷与宽谷相间的地貌特征，峡谷段一般下部为峡谷，中上部为宽谷。两岸谷坡阶地分布零星，可见规模不等的Ｉ～Ⅵ级阶地，其中Ｉ级阶地保存较好，ＩＩ级阶地以上仅局部残存。根据坝址下游下河坝一德威间残存的Ｔ１～Ｔ６级河流阶地，一级阶地（Ｔ－）为堆积阶地，高出河水面７．２ｍ：二级阶地（Ｔ２）为堆积阶地，阶面较宽大，高出河面约１９．４ｍ；三级阶地（Ｔ３）为侵蚀堆积阶地，阶面距现河面５１．３ｍ；四级阶地（Ｔ４）为侵蚀阶地，阶面不太明显，距河面高差１２８．６ｍ；五级阶地（Ｔ５）为基座阶地，平台清楚，距河面高差２９３．０ｍ：六级阶地（Ｔ６）为侵蚀阶地，基座平台状地貌较清楚，距河面高差３６２ｍ。总体反映出第四纪以来该区强烈上升隆起，河流急剧下切侵蚀以及冰川作用强烈的特点。２．１．３新构造运动

（１）新构造运动背景

川西地区的新构造与板块运动，特别是印度洋板块向北与欧亚板块的碰撞作

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