SIMULATION ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE RESERVOIR WATER LEVEL FLUCTUATION RATE ON THE STABILITY OF SHUANGJIAPING ACCUMULATION LANDSLIDE IN YA'AN
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摘要: 水库蓄水后库岸边坡的稳定性一直是研究的热点，库水位周期性涨落使得坡体内部渗流场发生变化进而影响其应力场，应力场作用于岩土体产生变形，其中水库水位升降速率对滑坡稳定性的影响尤为显著。本文以瀑布沟水电站库区双家坪滑坡为研究对象，在调查分析的基础上，基于非饱和土力学理论，考虑水—土特征曲线与渗透特性，对库水作用下的双家坪堆积体滑坡稳态—瞬态进行渗流场—稳定性数值计算。运用GeoStudio软件中的seep模块模拟库水作用下滑坡体地下水变化，计算出不同库水位升降速率条件下堆积体滑坡内部渗流场的变化并将结果耦合至slope模块中进行稳定性计算，研究结果表明：水位抬升阶段，滑坡的稳定性表现为先升高再降低，且水位抬升速率越大，滑坡稳定性升高后衰减的程度越大；水位下降阶段，滑坡的稳定性表现为先降低再逐渐回升的趋势，且水位下降速率越大，滑坡稳定性下降后再回升的程度越低。该研究结果对于库区地质灾害防灾减灾、监测预警以及水库合理调蓄具有重要的意义。Abstract: The stability of reservoir bank slope after impounding has been a hotspot for research, the periodic fluctuation of the reservoir water level can change the seepage field of the slope and then affect its stress field which can induces the deformation of the rock-soil mass. The effect of the reservoir water level fluctuation is especially significant for the stability of the landslide.In this paper, Shuangjiaping landslide at the Pubugou Hydropower Station Reservoir Area is chosen as the research object.On the basis of investigation and analysis, according to the theory of unsaturated soil mechanics, taking the soil-water characteristic curve and permeability into consideration, the stability and seepage value of Shuangjiapingaccumulation landslide under steady-transient conditions were calculated under the action of reservoir. Using the Seep module of GeoStudio software to simulate the landslide groundwater fluctuation under the action of reservoir, the changes of the internal seepage field in accumulation landslide under different reservoir fluctuation conditions were calculated and the results are coupled to the stability calculationin the slopemodule.The study results show that, as the water level rising, the landslide stability rise at first then get lower, and the higher the rate of elevation, the greater the extent of the decrease of the landslide stability. In water level decline phase, the stability of the landslide shows the trend first reduce gradually recover, and the higher the water level decline rate, the lower the extent of the decrease of the landslide stability.The study results have an important significance for the geological disaster monitoring and early warning, disaster prevention and mitigation, regulation of the storage capacity of reservoirs.
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Key words:
- landslide /
- the rate of reservoir water level fluctuation /
- seepage /
- numerical analysis /
- stability
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高分辨率层序地层学是美国学者Cross在Vaill等人的经典被动大陆边缘层序地层学基础上发展起来的层序地层学新学派, 它以全新的思路及技术方法系统的提出了地层学的新概念及新模式, 其理论的核心是:在基准面旋回变化过程中, 由于可容纳空间与沉积物补给通量比值(A/S)的变化, 相同沉积体系域或相域中发生沉积物的体积分配作用, 导致沉积物的保存程度、地层堆积样式、相序、相类型及岩石结构发生变化。这些变化是基准面旋回中所处的位置和可容纳空间的函数。它强调4个基本原理, 即地层基准面原理、体积划分原理、相分异原理、旋回等时对比原理[1~4]。本文拟在以上理论体系的基础上, 对马岭油田侏罗系延安组—富县组进行精细的高分辨率层序地层划分及与沉积相关系的研究。
1. 地质背景
马岭油田构造位置位于鄂尔多斯盆地南部西倾大单斜的构造背景上(图 1), 油田所在的构造是由古地貌控制的一个平缓鼻状背斜带, 油藏类型属于构造—岩性油藏, 开采层位为侏罗系直罗组和延安组的延6、延7、延8、延9、延10共六个油层组, 油藏埋深1297~1570m, 油层平均有效厚度5.3米, 早期沉积主要是受古地貌控制的填平补齐式沉积, 后期则演变为泛滥平原分流河道沉积[5], 因而除部分油层(如延101、延102、延9)分布面积相对较大外, 其余均零星分布。
图 1 研究区构造位置图Ⅰ.天池-环县坳陷; Ⅱ.鄂尔多斯西缘逆冲推覆带; Ⅲ.六盘山压剪盆地; Ⅳ.北祁连褶皱系Figure 1. Tectonic location map of the study area2. 高分辫率层序地层划分
高分辨率层序地层的划分是以岩心、三维露头、测井等资料为基础, 岩心、露头是转换面识别标志的根本依据, 测井地层剖面及其对应的测井曲线记录了不同级别的地层旋回, 相应的反映出不同级别的基准面变化旋回[6]。因此, 通过不整合界面的识别、旋回叠加样式的变化、相序及相组合的改变和沙、泥岩层厚度旋回性等, 可以进行测井层序划分[7]。经过研究区钻井、露头、测井资料的详细分析, 以岭215井为例(图 2), 将该区侏罗系延安组—富县组划分出全区可对比的2个长期旋回(LSC1, LSC2), 6个中期旋回(MSC1, MSC2, MSC3, MSC4, MSC5, MSC6)和22个短期旋回(图 2)。
图 2 岭215井高分辨层序地层旋回划分Figure 2. Cycles of high-resolution sequence st ratigraphy of well Ling215发育于延安组—富县组以及延安组—直罗组之间的两次大的不整合面可以作为长期的层序界面。这两次不整合面在测井曲线上都容易识别, 前者以界面处声波值的突然增大为标志(图 3-A), 后者以延6煤的向上终止为标志(图 3-B)。整合面将延安组和富县组分开, 富县组地层, 即MSC6独立形成一个只有上升半旋回的长期旋回LSC2;延安组MSC1~MSC5组成长期旋回LSC1。长期层序基本相当于地层组级别。
该区区域性发育的煤层为中期层序界面的划分提供了得天独厚的条件。河流相中煤层主要发育于稳定的沼泽、湿地中, 各中期旋回基准面下降的后期, 由于可容纳空间变小, 河道淤塞, 地形变得平缓, 植物茂盛, 逐渐形成沼泽相, 此后如果基准面继续下降, 则成煤停止—发育土壤层—剥蚀。
(1) MSC1旋回:基准面上升半旋回, 初期可容纳空间增长较缓, 短期旋回以对称型样式存在, 有低幅度的升降, 沉积物以网状河道的粉细沙岩为主; 之后可容纳空间增长速率加快, 但沉积物补给量仍小于可容纳空间的增长量, 发育曲流相的沙坝顶部, 沉积作用以连续的退积作用方式进行, 当基准面上升达最高点位置时形成以长段河漫为代表的中期转换面(短期旋回4至短期旋回5之间)。之后开始下降, 中期旋回中的短期旋回不对称, 以连续发育的下降半旋回为主, 沉积物补给量稍变大, 只在基准面下降晚期形成河床沉积, 之后基准面停止下降, 在稳定的沼泽环境中形成煤层。
(2) MSC2旋回:初期基准面上升较快, 短期旋回叠加样式以连续发育的上升半旋回为主, 沉积物补给量远小于可容纳空间的增长量, 沉积物以泥质为主, 中期上升半旋回晚期沉积物补给量稍有增加, 出现厚度不大的曲流沙坝沉积, 短期旋回叠加以加积为主; 其后网状河发育的湿地沉积指示基准面下降变缓与沉积物补给速率的减小, 最后基准面下降缓慢停滞进入稳定的煤沼泽发育期。
(3) MSC3旋回:基准面迅速上升, 沉积物补给量不足, 以泥质为主, 测井显示微弱的上升不对称短期旋回, 之后叠加样式变为加积, 基准面上升达最高点位置, 转换面在短期旋回15与短期旋回16之间; 之后中期基准面开始下降, 可容纳空间增量逐渐减小而沉积物补给量增高, 沉积作用很快由退积状态进入快速加积状态, 沉积厚层的曲流河道中沙岩, 由于可容纳空间较大, 基准面下降幅度较小, 很难穿越沉积界面, 因此中期下降半旋回沉积物保存较完整; 最后基准面下降逐渐停止, 中期旋回结束于煤层。
(4) MSC4旋回:以短期旋回连续的退积为主要的叠加样式, 中期旋回上升初期, 沉积物补给量充足, 而可容纳空间增长量有限(A/S < < 1), 因而各个短期层序大多数仅保存上升半旋回早中期的沉积物, 由连续叠置的河道沙坝组成层序, 具有低可容纳空间向高可容纳空间向上“变深”非对称型旋回结构变化的叠加样式, 基准面上升到最高点, 发育泛滥平原亚相, 之后基准面下降到沼泽相停止, 以煤层作为中期下降半旋回的顶面。
(5) MSC5旋回:可容纳空间增长量(A)接近或略大于沉积物补给量(S), 中等的可容纳空间刚可接纳注入的所有沉积物, 无论是中期基准面上升期或下降期, 都以发育具二分时间单元分界线的、具完整地层旋回性的对称型旋回为主, 本中期旋回由于S、A值都不大, 所以沙体厚度都不大。中期旋回下部以不整合为界, 上部为煤层为顶界。
(6) MSC6旋回:沉积物补给量略小于基准面上升期可容空间增量, 沉积作用以弱进积进行, 水深保持不变或略加深。因富县期末期有一次大的侵蚀作用面, 所以基准面下降的下降半旋回可能仍有沉积作用发生, 也可能沉积作用停止, 中期层序缺少下降半旋回; 短期层序自下而上的叠加样式, 由上升半旋回为主的不完全对称型, 向对称型变化, 最后又变为以上升半旋回为主的不完全对称型, 代表由退积向弱加积的转换。
在研究区单井沉积相和高分辨率层序地层精细分析、划分的基础上, 以中期洪泛面和层序界面为等时地层对比框架, 以短期旋回为等时地层对比单元建立了短时间尺度的层序地层格架(图 4)。以中311—中301-4井为例, 测线方向大致垂直于古水流方向, 这有利于在剖面中清楚地展示出各基准面旋回中相组合的横向变化(图 5)
图 4 研究区高分辨率层序划分剖面图1.沙坝; 2.天然堤; 3.决口扇; 4.泛滥平原; 5.沼泽; 6.转换面; 7.心滩; 8.河道沉积Figure 4. Section of high-resolution sequence partitioning of the study area
图 5 延8段晚期沉积微相展布图1.物源方向; 2.沙岩尖灭线; 3.岩性界线; 4.井位、井号; 5.层序地层格架测线方向Figure 5. Distribution of sedimentary microfacies at the late stage of the Yan 8 period3. 基准面旋回对沉积相的控制作用
在基准面旋回及其伴随的可容纳空间的变化过程中, 岩石记录的地层学和沉积学响应遵循能量守恒定律, 由此导致沉积物体积分配作用, 沉积物体积的变化又必然发生“相”的分异作用, 这就是高分辨率层序地层学中的相分异原理[4]。这里主要分析在基准面变化周期中的单个相性的改变, 基准面的级别不一样, 其影响的规模和范围也不一样。
3.1 长期旋回对河流沉积相的控制作用
在陆相沉积中, 长期旋回基准面的变化可以影响和控制河流种类、发育规模和相组合模式。
以长期旋回LSC1为例, 由于长期剥蚀, 地表由河道下切侵蚀形成的槽谷状地区, 在中期基准面重新上升时是率先产生可容纳空间的位置, 也通常是被河道沙体优先充填的位置, 河流以辫状河为主, 沙体呈侧向延伸受到下切河道边界限制的透镜状或扁豆状, 由于位于长期旋回的初期, 所以可容纳空间小, 只保留下部较粗的部分; 基准面上升中期, 可容纳空间增大, 河流类型变为曲流河沉积为主, 河道不再局限在小的范围内, 该时期河道宽阔, 沉积物粒度中等, 呈大面积层状沉积(如MSC3);长期基准面的上升晚期, 基准面的上升伴随着地下水面的上升, 在河间地区发育差的泄水盆地, 形成河间湖泊、沼泽或湿地, 河流沉积中开始出现网状河沉积。
3.2 中期旋回对河流沉积相的控制作用
高可容纳空间与低可容纳空间形成的河道沙体, 其几何形态、侧向连续性、相互截切程度, 底形类别与保存程度、底部滞留沉积厚度与类型等均有明显差异:比较MSC1 (延6)与MSC3 (延8), 高可容纳空间下发育的MSC1 (延6), 沙体厚度小, 不连续, 剖面上呈小的透镜体; 而低可容纳空间形成的MSC3 (延8)沙体分布广, 厚度大, 连续性好, 往往形成好的储层。
中期旋回的上升半旋回和下降半旋回可能发育同一种河流相类型。如中期旋回的上升与下降半旋回都可能发育网状河, 但都靠近中期界面(MSC1与MSC2分界, 延71期与延66期都为网状河沉积), 网状河是A、S值都比较小的产物, 由于靠近中期界面, 可容纳空间变化不大, 水动力条件弱, 沉积补给量极少, 这一切都在特定的地形、构造、气候等因素条件下形成的。再如, 中期旋回的上升与下降半旋回都可能发育曲流河(MSC3, 延8), 但两个半旋回的曲流河道沉积的特征区别很大, 上升半旋回河道侧向迁移快, 横向连续性差; 下降半旋回河道宽阔, 横向连续性好, 由于基准面连续下降, 沙体受到多次冲刷, 所以分选好, 河道测井曲线有时可呈弱的反旋回特征。
对同一种相类型, A/S值的细微变化可导致亚相类型及组合的很大变化。
4. 沉积体系分布与演化
综合岩心、录井、测井分析, 本区单井分析自下而上主要识别出辫状河、曲流河和网状河三种沉积相类型。
4.1 沉积体系分布
延10及富县组以发育辫状河为主, 一般可分为心滩和河道沉积两个微相, 本区心滩按形态与河流流向的关系可分为纵向沙坝、横向沙坝和斜列(向)沙坝三种。心滩微相粒度较粗, 岩相类型以中沙岩为主, 顶、底部与泥岩呈突变接触, 渐变粒序不明显。
延9-延72以及延64-延61以发育曲流河沉积相为主, 一般可分为河床、堤岸、河漫三个亚相和河床滞留沉积、曲流沙坝、沙坝顶部、天然堤、决口扇、泛滥平原、河漫沼泽等微相类型。本区沉积微相以曲流沙坝、沙坝顶部、泛滥平原、河漫沼泽等微相为主, 局部发育天然堤、决口扇微相, 河床滞留沉积较少(表 1)。河床亚相发育于河流沉积的早期, 正粒序特征, 沙岩厚度大。其中, 曲流沙坝微相粒度较粗, 岩相类型以中沙岩为主, 沙坝顶部微相粒度较细, 岩相类型主要为细沙岩—粉沙岩。堤岸亚相岩相以粉沙岩—细沙岩为主, 粒序具有反韵律或复合韵律特征, 决口扇微相沙体厚度较大, 而天然堤微相沙体厚度较小。泛滥平原微相以泥岩—粉沙岩为主, 河漫沼泽微相以煤岩、泥岩为主。
表 1 沉积微相的垂向模式Table 1. Vertical pattern of sedimentary microfacies
延7油组上部及延6油组下部主要发育网状河, 本区主要发育厚层泛滥平原沉积和网状河道沉积, 河道沉积粒度较细, 分选好, 岩相类型主要为细沙岩—粉沙岩, 网状河沉积总体体现为“泥包沙”。
4.2 沉积体系的演化
富县期:随着中期基准面的升降, 河道经历发育、繁盛到萎缩的过程。富3期发育两条河道, 走向分别为近东西及北西—南东方向, 河道较窄, 弯度较小, 两河道交汇于中5井附近, 心滩发育在河道中心, 规模小, 平面上呈椭圆形, 其余为河道沉积, 富2期河流集中在工区西南角, 平行发育两条河道, 富1期复又发育两条河道, 走向分别为北西—南东方向及近东西方向, 河道较窄, 弯度较小, 以河道沉积为主。
延10期:基准面升降的幅度不大, 地壳运动相对稳定, 同时可能受富县末古侵蚀地貌影响, 河流集中发育在东南部位, 流向基本一致, 为北东—南西方向, 河道宽度和沉积厚度都相对稳定。
延9期:发育北西—南东方向主河道, 接受近东西向河流汇入, 受地形影响河道发育不规则, 沙坝微相普遍发育, 随后工区东西部各发育一条河流, 东部河流呈北西方向, 河道较宽在岭116-1-中307-岭侧10发生大角度转向, 主河道转弯处相态也发生变化, 为沙坝顶部微相, 其余部位为曲流沙坝微相, 沿凹岸外侧天然堤微相发育; 西部河道较窄, 为低弯度河流, 主要发育曲流沙坝微相。
延8期:随基准面上升工区东西部各发育一条河流, 东部河流呈北西方向, 河道较宽, 曲流沙坝发育在河道中部, 中301-4、岭10、新中307、岭116-4、岭侧10、岭116-6井区为沙坝顶部微相, 河流西岸窄范围内发育天然堤; 西部河流由两条窄河道交汇而成, 河道内主要发育沙坝微相, 靠近中304-6一线发育天然堤微相(图 6), 基准面靠近地表, 可容空间小, 洪泛沼泽发育, 河道狭窄, 多发育沙坝顶部微相, 天然堤宽度变大, 中307-2井区发育决口扇微相(图 7), 基准面下降, 河道变宽, 为近东西方向, 主要为河床亚相曲流沙坝微相, 仅岭116-5井、岭侧116-5井等位于河道凹岸的井区为天然堤微相, 中303-5井、中303- 3井区发育决口扇微相(图 5)。
图 6 延8段早期沉积微相展布图1.物源方向; 2.沙岩尖灭线; 3.岩性界线Figure 6. Distribution of sedimentary microfacies at the early stage of the Yan 8 period
图 7 延8段中期沉积微相展布图(图例同图 6)Figure 7. Distribution of sedimentary microfacies at the middle stage of the Yan 8 period延7期:该期是以上升半旋回为主的不对称旋回, 基准面上升半旋回工区东部发育一条河流, 发育沙坝微相, 新中301-1井、中301-1井区发育决口扇等堤岸亚相, 基准面上升半旋回末期又发育两条河道, 并呈“工”字型交汇于中304-1井处, 流向为北西—南东方向, 主河道发育曲流沙坝微相, 北部河流发育天然堤, 决口扇微相。基准面下降半旋回泛滥平原普遍发育, 河道萎缩, 宽度变窄, 弯度变大, 多条细小的河道平面上交织成网状。
延6期:该期位于基准面总体较高的长期旋回上升末期, 河道由窄变宽然后再变窄, 多分支, 多弯曲, 平面上呈网状, 河道凹岸处天然堤普遍发育, 河道主体部位发育沙坝微相, 河口交汇处发育沙坝顶部微相, 河道变窄处发育曲流沙坝微相, 其余井区为沙坝顶部微相。
5. 结论
(1) 马岭油田侏罗系延安组—富县组划分出全区可对比的2个长期旋回, 6个中期旋回和22个短期旋回。
(2) 在陆相沉积中, 长期旋回基准面的变化可以影响和控制河流种类、发育规模和组合模式, 中期旋回的上升半旋回和下降半旋回可能发育同一种河流相类型(网状河、辫状河、曲流河), 对同一种相类型, A/S值的细微变化可导致亚相类型及组合的很大变化。
(3) 研究区自下而上主要识别出辫状河、曲流河和网状河三种沉积相类型。延10及富县组以发育辫状河为主, 延9-延72以及延64-延61以发育曲流河沉积相为主, 延7油组上部及延6油组下部主要发育网状河。
本文研究了层序地层控制下的沉积微相特征; 以层序界面和基准面的转换面为标志层, 小层精细划分与对比提高了沉积微相划分和成因沙体的预测精度, 为油田开发中的剩余油的分布预测等难题做了高质量的地质基础工作, 也为油田数字化提供了可靠的依据, 是油藏开发中不可或缺的环节。
致谢: 对陈柏林、周新桂两位导师的指导以及帮助在此表示衷心地感谢! -
图 1 研究区构造纲要图
1-断层；2-河流；3-滑坡位置；4-县城驻地；5-乡镇驻地
Figure 1. The tectonic sketch in the research area
图 2 双家坪滑坡平面图
1-滑坡边界；2-产状；3-钻孔（钻孔编号及深度）；4-剖面线；5-河流；6-公路；7-等高线
Figure 2. The plan of Shuangjiaping landslide
图 3 双家坪滑坡工程地质剖面图
1-三叠系上统-侏罗系下统白果湾群砂岩、泥质粉砂岩；2-粉质黏土含碎石；3-碎块石土；4-滑带；5-钻孔编号及深度；6-裂缝
Figure 3. The engineering geological section of Shuangjiaping landslide
图 5 蓄水速度为0.5 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 5. The transient phreatic lines under water level rise of 0.5 m per day
图 6 蓄水速度为1 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 6. The transient phreatic lines under water level rise of 1 m per day
图 7 蓄水速度为2 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 7. The transient phreatic lines under water level rise of 2 m per day
图 8 蓄水速度为5 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 8. The transient phreatic lines under water level rise of 5 m per day
图 9 不同蓄水速度下时间与稳定性关系
Figure 9. The relationship between time and stability under different water level rising
图 10 水位下降速度为0.5 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 10. The transient phreatic lines under water level fall of 0.5 m per day
图 11 水位下降速度为1 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 11. The transient phreatic lines under water level fall of 1 m per day
图 12 水位下降速度为2 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 12. The transient phreatic lines under water level fall of 2 m per day
图 13 水位下降速度为5 m/天地下水瞬时浸润线
Figure 13. The transient phreatic lines under water level fall of 5 m per day
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