新疆某抽水蓄能電站場地初始地應力測試與分析

王兆云

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

新疆某抽水蓄能電站場地初始地應力測試與分析

王兆云*

（新疆水利水電勘測設計研究院，新疆烏魯木齊830000）

通過對場地地應力測試成果的分析，研究某抽水蓄能電站場地地應力的分布規(guī)律，分析闡述了場地深部水平地應力量值、最大水平主應力方向及地應力受地表剝蝕影響的變化特征，并綜合得出場地深部水平地應力的回歸線性特征，為工程建筑物布置提供依據(jù)。

初始地應力；抽水蓄能；回歸分析

地應力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應力，也稱巖體初始應力、絕對應力或原巖應力。產(chǎn)生地應力的原因是十分復雜的，也是至今尚不十分清楚的問題。數(shù)十年來的實測和理論分析表明，地應力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關，其中包括板塊邊界受壓、地慢熱對流、地球內(nèi)應力、地心引力、地球旋轉(zhuǎn)、巖漿侵入和地殼非均勻擴容等。另外，溫度不均、水壓梯度、地表剝蝕或其它物理化學變化等也可引起相應的應力場變化[1]。

1 場地地質(zhì)概況

場地位于博羅科努山南坡，博羅科努山走向近東西，海拔一般2000～3500m，相對高差300～800m，基巖裸露，基巖巖性上部為石炭系色凝灰?guī)r，厚度幾十米，巖質(zhì)堅硬，中厚層狀，下部為華力西晚期侵入花崗巖。區(qū)內(nèi)近南北向大小沖溝發(fā)育，呈深峽谷或冰川形成的“V”型谷，廠址布置于阿克溝左岸，沖溝切割深度200～300m。廠址南側(cè)為尼勒克盆地，盆地底部主要沉積第四系覆蓋層和第三系地層泥巖。

場地在新構造運動上處于天山強烈隆起區(qū)的北天山隆起帶，南側(cè)以伊犁盆地北緣斷裂為界與伊犁坳陷區(qū)的尼勒克斷陷盆地為鄰，北天山隆起帶最大隆起幅度達3000m以上，中第四紀隆起幅度達450m，隆起軸在北天山主峰一帶，隆起軸走向為NWW向，地貌構成博羅科努山。廠址距伊犁盆地北緣斷裂約1.0km，伊犁盆地北緣斷裂為全新世活動斷裂。

2 廠址地應力測試成果

針對電站發(fā)電系統(tǒng)水頭的分布情況，在電站高水頭洞段和地下廠房各布置一個鉆孔，在鉆孔內(nèi)采用巖體水壓劈裂試驗進行地應力測量，其中ZK7號鉆孔（深度315m）位于引水洞高水頭段，ZK8號鉆孔（550m）位于地下廠房處，測試結(jié)果見圖1。另外，分析還參考了場區(qū)西側(cè)同一構造單元某引水工程ZK3號鉆孔的地應力測試成果。

圖1 實測水平主應力與埋深關系圖

鉆孔ZK7在埋深180m以上量值分布較為離散，這可能受沖溝地形影響；在大于埋深180m時，水平主應力量值隨埋深增加而增大的趨勢較明顯。而孔ZK8和ZK3分別在埋深350m和250m以上量值分布較為離散，這可能受局部斷層構造影響。

從圖1測試成果來看，ZK8主應力量值的相對大小在埋深350m以下，基本滿足σH＞σz＞σh，ZK8最小水平應力（σh）遠小于鉛直應力（σz），最大水平主應力（σH）略大于鉛直應力，側(cè)壓系數(shù)λ=0.9～1.1；ZK7主應力量值的相對大小基本滿足σH＞σh＞σz，ZK7最小水平主應力接近鉛直應力，深部甚至略大于鉛直應力，最大水平主應力卻遠大于鉛直應力，側(cè)壓系數(shù)λ=1.4～1.6；但ZK3全測試值呈現(xiàn)σH＞σh＞σz，表現(xiàn)為最大和最小水平主應力均遠大于鉛直應力，側(cè)壓系數(shù)λ=2.6～3.0，與前兩者差別較大。但總體呈現(xiàn)應力場以水平主應力為主。

3 地表剝蝕對地應力的影響分析

3個孔的測試成果表明，水平主應力呈現(xiàn)σZK3＞σZK7＞σZk8，由于3個鉆孔相距較近，同處同一構造單元，巖性差異不大。差別較大的是3個鉆孔中ZK8處于岸坡山脊頂部，而ZK7和ZK3處于沖溝底部，其中ZK7處沖溝切割深度約150m，ZK3處沖溝切割深度約450m，說明場地谷底是應力集中的部位，越靠近谷底應力集中越明顯。

地形對原始地應力的影響是十分復雜的，初始地應力場的剝蝕理論實際上就是認為巖體中水平構造應力的殘存是因為地形剝蝕，垂直應力釋放，而水平應力未能充分釋放的結(jié)果[2]。

本文分析假定沖溝兩岸在地殼抬升過程中基本未剝蝕（即不考慮整體剝蝕），根據(jù)ZK7和ZK3所處沖溝的切割深度，將兩鉆孔處的地形恢復至河流剝蝕前山脊頂部基準面，即ZK7和ZK3上覆分別增加150m和450m的自重應力，而水平應力按未釋放考慮，得到恢復地形后的水平主應力與埋深關系，如圖2所示。

圖2 地形修正后水平主應力與埋深關系圖

從圖2可以看出，ZK7深部主應力量值σH＞σz＞σh，最大水平主應力略大于鉛直應力，側(cè)壓系數(shù)λ=0.88～1.09；ZK3深部主應力量值σH＞σz＞σh，最小水平主應力小于鉛直應力，最大水平主應力大于鉛直應力，側(cè)壓系數(shù)λ=1.16～1.3。說明在巖體因風化、侵蝕和水流沖刷搬運剝蝕下切形成沖溝后，由于巖體內(nèi)的顆粒結(jié)構的變化和應力松馳趕不上這種變化，導致巖體內(nèi)仍然存在著比地層厚度所引起的自重應力還要大得多的水平應力值，即在地表剝蝕下切過程中，對鉛直應力影響大，釋放較大，而對水平應力影響較小，釋放較小，總體表明該區(qū)應力場中以水平應力為主。

4 最大水平主應力方向

場地區(qū)域現(xiàn)代構造應力場為主要受近SN向水平擠壓力作用的地殼應力場，最大主壓應力方向基本與區(qū)域構造線走向垂直，在近SN向水平擠壓力的作用力下較容易產(chǎn)生走滑或逆斷運動。址場地周圍地區(qū)主壓應力P軸方位為10°，最小應力T軸方位為100°。

測試成果表明，ZK7鉆孔的最大水平主應力方向為N20°～40°E，與測區(qū)所處沖溝走向基本一致，主要呈NNE向；ZK8鉆孔的最大水平主應力方向表部350m以上N67°～80°E，350m以下N40°～50°E，其中淺部由于受邊坡地形影響，深部基本穩(wěn)定為NE向；ZK3鉆孔的最大水平主應力方向范圍為N17°～35°E，主要呈NNE向。總體來看場區(qū)最大水平主應力方向集中為NNE—NE，表明區(qū)域構造形態(tài)對現(xiàn)今地應力場的特征有一定的控制性。

5 地應力回歸分析

根據(jù)3鉆孔地應力測試最大水平主應力（σH）與最小水平主應力（σh）量值進行線性回歸，見圖1，由圖1可看出，3個鉆孔的回歸線性差異較大，因此認為，未經(jīng)修正直接得到的回歸曲線對整個場區(qū)的分析不具代表性。

根據(jù)3鉆孔地形修正后最大水平主應力（σH）與最小水平主應力（σh）量值進行線性回歸，見圖2，由圖2可看出，3個鉆孔的修正后的回歸線性差異不大，因此認為，地形修正后的地應力回歸線性代表了場地深部的地應力分布特征，其巖石埋深（H）的線性回歸關系為公式（1）。

由于ZK7孔180m以上、ZK8孔250m以上和ZK3孔250m以上測試地應力離散性較大未參與回歸分析，故公式（1）只適用于場區(qū)深部地應力分析，且在分析求取深部地應力時對埋深（H）應進行地形剝蝕修正。

6 小結(jié)

（1）測試結(jié)果表明場區(qū)深部最大水平主應力大于鉛直應力，以水平應力為主，且谷底是應力集中的部位，越靠近谷底應力集中越明顯。

（2）場區(qū)在巖體因風化、侵蝕和水流沖刷搬運剝蝕下切過程中，對鉛直應力影響大，釋放較大，而對水平應力影響較小，釋放較小。

（3）區(qū)域構造形態(tài)對現(xiàn)今地應力場的特征有一定的控制性，總體來看場區(qū)最大水平主應力方向集中為NNE—NE。

（4）根據(jù)回歸分析認為，未經(jīng)修正的直接得到的回歸曲線對整個場區(qū)的分析不具代表性，地形修正后的地應力回歸線性代表了場地深部的地應力分布特征，但在利用回歸公式求取場區(qū)深部地應力時對埋深（H）應進行地形剝蝕修正。

[1] 蘇生瑞，黃潤秋，王士天.斷裂構造對地應力場的影響及其工程應用[M].科學出版社，2002.

[2] 張寧.巖體初始地應力場發(fā)育規(guī)律研究[D].浙江大學碩士學位論文，2002.

P55

A

1004-5716(2015)02-0185-03

2014-12-19

王兆云（1975-），男（漢族），新疆木壘人，高級工程師，現(xiàn)從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)工程勘察工作。