王兆云

（新疆水利水電勘測設(shè)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(yīng)力測試與分析

王兆云*

（新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆烏魯木齊830000）

通過對場地地應(yīng)力測試成果的分析，研究某抽水蓄能電站場地地應(yīng)力的分布規(guī)律，分析闡述了場地深部水平地應(yīng)力量值、最大水平主應(yīng)力方向及地應(yīng)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(yīng)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(yīng)力；抽水蓄能；回歸分析

地應(yīng)力是存在于地層中的未受工程擾動的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對應(yīng)力或原巖應(yīng)力。產(chǎn)生地應(yīng)力的原因是十分復(fù)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(yīng)力的形成主要與地球的各種動力運動過程有關(guān)，其中包括板塊邊界受壓、地慢熱對流、地球內(nèi)應(yīng)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(xué)變化等也可引起相應(yīng)的應(yīng)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(gòu)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(dá)3000m以上，中第四紀(jì)隆起幅度達(dá)450m，隆起軸在北天山主峰一帶，隆起軸走向為NWW向，地貌構(gòu)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(yīng)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(yīng)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(gòu)造單元某引水工程ZK3號鉆孔的地應(yīng)力測試成果。

圖1 實測水平主應(yīng)力與埋深關(guān)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(yīng)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(gòu)造影響。

從圖1測試成果來看，ZK8主應(yīng)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(yīng)力（σh）遠(yuǎn)小于鉛直應(yīng)力（σz），最大水平主應(yīng)力（σH）略大于鉛直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)λ=0.9～1.1；ZK7主應(yīng)力量值的相對大小基本滿足σH＞σh＞σz，ZK7最小水平主應(yīng)力接近鉛直應(yīng)力，深部甚至略大于鉛直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力卻遠(yuǎn)大于鉛直應(yīng)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(yīng)力均遠(yuǎn)大于鉛直應(yīng)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(yīng)力場以水平主應(yīng)力為主。

3 地表剝蝕對地應(yīng)力的影響分析

3個孔的測試成果表明，水平主應(yīng)力呈現(xiàn)σZK3＞σZK7＞σZk8，由于3個鉆孔相距較近，同處同一構(gòu)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(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯。

地形對原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的，初始地應(yīng)力場的剝蝕理論實際上就是認(rèn)為巖體中水平構(gòu)造應(yīng)力的殘存是因為地形剝蝕，垂直應(yīng)力釋放，而水平應(yīng)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(fù)至河流剝蝕前山脊頂部基準(zhǔn)面，即ZK7和ZK3上覆分別增加150m和450m的自重應(yīng)力，而水平應(yīng)力按未釋放考慮，得到恢復(fù)地形后的水平主應(yīng)力與埋深關(guān)系，如圖2所示。

圖2 地形修正后水平主應(yīng)力與埋深關(guān)系圖

從圖2可以看出，ZK7深部主應(yīng)力量值σH＞σz＞σh，最大水平主應(yīng)力略大于鉛直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)λ=0.88～1.09；ZK3深部主應(yīng)力量值σH＞σz＞σh，最小水平主應(yīng)力小于鉛直應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力大于鉛直應(yīng)力，側(cè)壓系數(shù)λ=1.16～1.3。說明在巖體因風(fēng)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(gòu)的變化和應(yīng)力松馳趕不上這種變化，導(dǎo)致巖體內(nèi)仍然存在著比地層厚度所引起的自重應(yīng)力還要大得多的水平應(yīng)力值，即在地表剝蝕下切過程中，對鉛直應(yīng)力影響大，釋放較大，而對水平應(yīng)力影響較小，釋放較小，總體表明該區(qū)應(yīng)力場中以水平應(yīng)力為主。

4 最大水平主應(yīng)力方向

場地區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場為主要受近SN向水平擠壓力作用的地殼應(yīng)力場，最大主壓應(yīng)力方向基本與區(qū)域構(gòu)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(yīng)力P軸方位為10°，最小應(yīng)力T軸方位為100°。

測試成果表明，ZK7鉆孔的最大水平主應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)力方向集中為NNE—NE，表明區(qū)域構(gòu)造形態(tài)對現(xiàn)今地應(yīng)力場的特征有一定的控制性。

5 地應(yīng)力回歸分析

根據(jù)3鉆孔地應(yīng)力測試最大水平主應(yīng)力（σH）與最小水平主應(yīng)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(rèn)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(yīng)力（σH）與最小水平主應(yīng)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(rèn)為，地形修正后的地應(yīng)力回歸線性代表了場地深部的地應(yīng)力分布特征，其巖石埋深（H）的線性回歸關(guān)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(yīng)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(yīng)力分析，且在分析求取深部地應(yīng)力時對埋深（H）應(yīng)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(yīng)力大于鉛直應(yīng)力，以水平應(yīng)力為主，且谷底是應(yīng)力集中的部位，越靠近谷底應(yīng)力集中越明顯。

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

（3）區(qū)域構(gòu)造形態(tài)對現(xiàn)今地應(yīng)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(yīng)力方向集中為NNE—NE。

（4）根據(jù)回歸分析認(rèn)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(yīng)力回歸線性代表了場地深部的地應(yīng)力分布特征，但在利用回歸公式求取場區(qū)深部地應(yīng)力時對埋深（H）應(yīng)進行地形剝蝕修正。

[1] 蘇生瑞，黃潤秋，王士天.斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程應(yīng)用[M].科學(xué)出版社，2002.

[2] 張寧.巖體初始地應(yīng)力場發(fā)育規(guī)律研究[D].浙江大學(xué)碩士學(xué)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。