王章瓊　晏鄂川　季惠斌

(①武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院　武漢　430073) (②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院　武漢　430074) (③北京東方新星石化工程股份有限公司　北京　100070)

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黃島地下水封油庫地應(yīng)力場(chǎng)及地質(zhì)構(gòu)造作用分析*

王章瓊①晏鄂川②季惠斌③

(①武漢工程大學(xué)資源與土木工程學(xué)院武漢430073) (②中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院武漢430074) (③北京東方新星石化工程股份有限公司北京100070)

初始地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性影響十分顯著，但由于地質(zhì)條件的復(fù)雜性，通過單一方法得到的地應(yīng)力場(chǎng)可靠性不高。以黃島地下水封洞庫工程為例，分析了研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景及近場(chǎng)斷裂構(gòu)造； 通過水壓致裂法進(jìn)行了地應(yīng)力測(cè)試，得到最大主應(yīng)力方向主要集中在NWW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹73°W； 通過地質(zhì)構(gòu)造分析法分析了研究區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)，探討了區(qū)域構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史對(duì)研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的影響，認(rèn)為最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W—NNW。構(gòu)造分析法與水壓致裂法所得最大主應(yīng)力方向大致均為NW，但存在一定偏差； 主要原因可能是研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受構(gòu)造變形邊界條件影響，派生的局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這表明，在分析地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)應(yīng)結(jié)合區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造作用分析及實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。研究結(jié)果對(duì)于地應(yīng)力場(chǎng)的綜合確定方法具有一定參考價(jià)值。

地下水封洞庫地應(yīng)力地質(zhì)構(gòu)造水壓致裂法構(gòu)造演化

0　引　言

隨著我國(guó)對(duì)石油(氣)能源消耗量的快速增長(zhǎng)以及世界范圍內(nèi)可開采能源的不斷減少，建立石油(氣)儲(chǔ)備體系勢(shì)在必行。地下水封洞庫因具有占地少、安全性好、污染小、維護(hù)成本低等顯著優(yōu)點(diǎn)(楊森等， 2004)，而成為石油(氣)戰(zhàn)略儲(chǔ)備的重要途徑之一(王章瓊等， 2013)。地下水封洞庫，是在地下巖體中開挖洞室，將石油(氣)儲(chǔ)存在洞室內(nèi)，并通過地下水形成的“水幕”實(shí)現(xiàn)密封(Goodall et al.，1988； Park et al.，2010)。由于地下水封洞庫具有高邊墻、大跨度、長(zhǎng)洞軸等特點(diǎn)，圍巖穩(wěn)定性成為建庫成敗的關(guān)鍵問題之一(陳奇等， 2006)。初始地應(yīng)力場(chǎng)是圍巖穩(wěn)定性的重要影響因素(王章瓊等， 2014)，最大主應(yīng)力的大小和方向在較大程度上決定了洞室的軸向布置及橫斷面形狀等(戚藍(lán)等， 2000)。因此，進(jìn)行洞庫規(guī)劃選址、設(shè)計(jì)時(shí)需要得到初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布情況。

目前，對(duì)于大型地下洞室，一般采用反分析方法求解地應(yīng)力場(chǎng)(景鋒等， 2011)，如金長(zhǎng)宇等(2010)、張勇慧等(2011)根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力資料，結(jié)合數(shù)值模擬方法，分別反演了白鶴灘、大崗山等水電站壩址區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)，該方法也被用于地下水封洞庫工程中(陳祥等， 2009； 于崇等， 2010)。

盡管地應(yīng)力反演方法已經(jīng)十分成熟，但地應(yīng)力實(shí)測(cè)方法和數(shù)值模擬方法均基于大量假設(shè)，導(dǎo)致反演結(jié)果可靠性不高。為此，有學(xué)者提出了初始地應(yīng)力場(chǎng)“綜合確定方法”(Ask et al.，2009； Haimson，2010)。如王成虎等(2011)提出了利用斷層力學(xué)分析法、原地應(yīng)力實(shí)測(cè)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法綜合分析工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)。同時(shí)，現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的分布，往往是經(jīng)過多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，各階段構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)的影響也不同，地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的關(guān)系非常復(fù)雜，從構(gòu)造演化期次等角度研究地應(yīng)力場(chǎng)，可以得到更為全面、準(zhǔn)確的結(jié)果。姜春露等(2011)研究了實(shí)測(cè)地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，驗(yàn)證了實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果的可靠性。

黃島地下水封洞庫位于膠東半島，庫址區(qū)經(jīng)歷了多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜。本文通過構(gòu)造演化分析與實(shí)測(cè)地應(yīng)力相結(jié)合的方法，分析黃島地下水封洞庫地質(zhì)構(gòu)造與地應(yīng)力場(chǎng)關(guān)系，得到地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，為洞庫圍巖穩(wěn)定性分析提供理論依據(jù)。

1　研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造分析

1.1研究區(qū)概況

研究區(qū)位于青島市新安街辦冷家溝社區(qū)西北，地表及鉆孔揭露的巖石主要為晚元古界細(xì)?；◢徠閹r及殘斑狀細(xì)粒花崗片麻巖，巖脈主要為早白堊煌斑巖、閃長(zhǎng)巖、細(xì)粒二長(zhǎng)花崗巖等(馬峰， 2010； 王章瓊等， 2015)。

1.2區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于牟(平)—即(墨)斷裂帶南緣 (圖1)，牟—即斷裂帶是中國(guó)東部郯廬斷裂系的重要分支斷裂，延伸方向?yàn)镹E—NNE，早期左旋壓扭，后期右旋平移，晚期有張性活動(dòng)(欒光忠等， 2002)； 它由多條NNE向、呈雁列展布的斷裂組成，延伸長(zhǎng)約200km，寬約20～40km(張勇等， 2013)。受牟—即斷裂帶影響，研究區(qū)周邊斷裂比較發(fā)育，主要發(fā)育NE向及近EW向斷裂。研究區(qū)西側(cè)為老君塔山斷裂(走向NNE)、張家莊斷裂(走向NEE)，東側(cè)為孫家溝斷裂(走向NEE)，北側(cè)為前馬連溝斷裂(走向近EW)、紅石崖斷裂(走向NWW)(圖2)(馬峰， 2010)。其中，NNE向斷裂歸屬新華夏系主壓面，早期具有左旋壓扭構(gòu)造特征； NEE向斷裂歸屬新華夏系東扭面，具有右旋壓扭的構(gòu)造特征； NWW向斷裂歸屬新華夏構(gòu)造體系的主張面，早期具有右旋張扭或平移-正斷層的構(gòu)造特征(欒光忠等， 2010)。

圖1　膠東半島地質(zhì)構(gòu)造Fig. 1　Geological structure of Shandong Peninsula

圖2　研究區(qū)區(qū)域斷裂帶分布示意圖Fig. 2　Distribution of regional fault around study region

1.3建庫區(qū)地質(zhì)構(gòu)造

建庫區(qū)主要發(fā)育有斷層F1、F2、F3、F4、F7、F8、F9。其中，對(duì)洞庫圍巖應(yīng)力場(chǎng)起控制性作用的為主干斷層F3、F4(圖3)(楊舉， 2011)。

F3呈NE走向斜穿洞庫區(qū)，傾向128°～138°，傾角53°～70°，地表破碎帶寬度0.40～1.00m，具右行壓扭性質(zhì)。鉆孔揭示破碎帶寬度不超過2.5m，斷層影響帶寬度不超過25m(馬峰， 2010)。

圖3　建庫區(qū)次級(jí)斷裂帶分布Fig. 3　Distribution of regional fault around carven site area

F4位于靈雀山北西側(cè)之北西向沖溝中，斷層破碎帶寬約0.5m，但未形成構(gòu)造角礫巖，可見延伸約1km，沿?cái)鄬幼呦蛴袔r脈侵入，斷層南端為晚元古界花崗片麻巖與早白堊系二長(zhǎng)花崗巖分界線。F4斷層在靈雀山北側(cè)傾向65°，傾角72°； 在靈雀山南側(cè)走向148°，近直立(馬峰， 2010)。

F8屬破碎帶，位于F3斷層南側(cè)。在地表163.4m以下揭露為破碎帶，垂向厚度超過7m，傾向82°～85°，傾角80°，破碎帶水平寬度約1.25m，受其影響圍巖質(zhì)量變差的寬度不超過10m。

2　建庫區(qū)現(xiàn)今地應(yīng)力測(cè)量

2.1地應(yīng)力測(cè)量方法

本文試驗(yàn)采用水壓致裂法測(cè)量地應(yīng)力。水壓致裂法(彭華等， 2011)是目前國(guó)際上能較好地直接進(jìn)行深孔應(yīng)力測(cè)量的先進(jìn)方法之一，在水利、礦山等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，并取得了大量成果。

2.2測(cè)點(diǎn)布置及地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

如圖3 所示，為反映建庫區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)整體分布情況，同時(shí)考慮到斷層F3、F4的分布，在6號(hào)主洞室中部、8號(hào)主洞室北部及9號(hào)主洞室中部附近布置3個(gè)鉆孔，共8個(gè)測(cè)點(diǎn)，鉆孔編號(hào)依次為ZK8、ZK2、ZK6。地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果(表1)(其中，水平主應(yīng)力通過水壓致裂法測(cè)得，垂直主應(yīng)力由上覆巖層自重計(jì)算得出)。

表1　工程區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果Table1　In-situ stress measurement results

測(cè)點(diǎn)深度/m主應(yīng)力值/MPa最大主應(yīng)力方向SHShSvZK81208.256.183.18N70°WZK814911.036.963.95N76°WZK821012.627.555.53N80°WZK217910.336.454.73N58°WZK228812.387.887.62N73°WZK233414.169.528.81N84°WZK61569.265.634.11N62°WZK620911.236.715.53N85°W

由表1可知，建庫區(qū)最大主應(yīng)力和中間主應(yīng)力均為水平應(yīng)力，水平主應(yīng)力占主導(dǎo)地位。最大主應(yīng)力方向介于N58°W和N85°W之間，主要集中在NWW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹73°W。

2.3地應(yīng)力分布規(guī)律

由表1中的地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，建立主應(yīng)力與測(cè)點(diǎn)深度之間的關(guān)系(圖4)。

圖4　σH、σh、σv與深度回歸關(guān)系Fig. 4　Regression lines of σH、σh、σv along depth

分別對(duì)圖4 中散點(diǎn)圖進(jìn)行線性回歸，得到如下水平主應(yīng)力大小與埋深的線性表達(dá)式：

σH=0.0264H+0.011(R2=0.7961)

(1)

σh=0.0149H+4.0398(R2=0.8034)

(2)

σv=0.0234H+6.3502(R2=1.000)

(3)

由上述線性回歸表達(dá)式可知，研究區(qū)主應(yīng)力與埋深線性關(guān)系良好。

3　地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系分析

研究區(qū)區(qū)域構(gòu)造體系均屬于脆性斷裂。從區(qū)域構(gòu)造演化歷史來看，脆性斷裂的產(chǎn)生主要發(fā)生在中生代板內(nèi)活化階段，受燕山期太平洋板塊向NW或向W俯沖的影響，斷層活動(dòng)性質(zhì)復(fù)雜，經(jīng)歷了多期性質(zhì)的轉(zhuǎn)換(張婷婷， 2013)。

燕山早期，研究區(qū)受太平洋板塊NNW方向擠壓，導(dǎo)致張莊斷裂、孫家溝斷裂等NE向斷裂的形成，斷裂帶呈左行壓扭 (圖5a)。

燕山中期，火山作用頻繁，研究區(qū)處于伸展的應(yīng)力環(huán)境，總體處于NW—SE向伸展?fàn)顟B(tài)，張莊斷裂、孫家溝斷裂呈右行張扭 (圖5b)。在垂直于NW—SE方向上，受深部巖漿上涌的影響，形成了一系列K1時(shí)期的巖脈。

燕山晚期—現(xiàn)階段，研究區(qū)總體受太平洋板塊向W的擠壓作用 (圖5c)，孫家溝斷裂與老君塔山斷裂呈現(xiàn)右行壓扭的性質(zhì)。孫家溝斷裂與老君塔山斷裂夾持的區(qū)域總體呈現(xiàn)NE—SW向拉張、NW—SE向壓縮的應(yīng)力環(huán)境。受上述兩斷裂走滑的影響，這兩個(gè)斷裂夾持的范圍內(nèi)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W—SE～NNW—SSE，最大主應(yīng)力方向與張家莊斷裂、孫家溝斷裂走向成大角度斜交。

圖5　研究區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)演化示意圖Fig. 5　Evolution of tectonic stress field of study areaa. 燕山早期構(gòu)造活動(dòng)； b. 燕山中期構(gòu)造活動(dòng)；c. 燕山晚期—至今構(gòu)造活動(dòng)

水壓致裂法實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力方向?yàn)镹WW向，這與地質(zhì)構(gòu)造分析所得最大主應(yīng)力方向NW—NNW存在一定差異。主要原因可能是研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受構(gòu)造變形邊界條件影響，導(dǎo)致派生的局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，從而與區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)方向不完全一致?？梢?，局部地應(yīng)力場(chǎng)可能與區(qū)域地應(yīng)力場(chǎng)存在差異，在分析研究區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

4　結(jié)　論

(1)受區(qū)域構(gòu)造影響，研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，周邊發(fā)育有一系列NE向及近EW向壓性斷裂，如老君塔山斷裂、張家莊斷裂、孫家溝斷裂等。建庫區(qū)發(fā)育有右行壓扭性走滑斷層F3及左行張扭性走滑斷層F4，F(xiàn)3、F4控制著建庫區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)。

(2)水壓致裂法實(shí)測(cè)地應(yīng)力結(jié)果表明，建庫區(qū)主應(yīng)力的大小相對(duì)關(guān)系為：σH>σh>σv； 最大主應(yīng)力方向介于N58°W和N85°W之間，主要集中在NWW向，優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹73°W。

(3)研究區(qū)斷層活動(dòng)性質(zhì)復(fù)雜，先后主要經(jīng)歷了燕山早期太平洋板塊NNW方向的擠壓作用、燕山中期火山作用及燕山晚期—至今太平洋板塊向W的擠壓作用等多期性質(zhì)的轉(zhuǎn)換，研究區(qū)現(xiàn)今水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹W—NNW。

(4)水壓致裂法實(shí)測(cè)地應(yīng)力與構(gòu)造分析得出的最大主應(yīng)力方向大致均為NW，但存在一定偏差。主要原因可能是研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，受構(gòu)造變形邊界條件影響，導(dǎo)致派生的局部應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。在分析研究區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)時(shí)應(yīng)結(jié)合實(shí)測(cè)地應(yīng)力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

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IN-SITU STRESS FIELD AND GEOLOGICAL TECTONIC ANALYSIS AT HUANGDAO WATER-SEALED UNDERGROUND OIL CARVEN SITE

WANG Zhangqiong①YAN Echuan②JI Huibin③

(①SchoolofResourcesandCivilEngineering，WuhanInstituteofTechnology，Wuhan430073) (②FacultyofEngineering，ChinaUniversityofGeosciences，Wuhan430074) (③BeijingNewOrientalStarPetrochemicalEngineeringCo.，Ltd.，Beijing100070)

The initial in-situ stress field has significant influence on the stability of surrounding rock of underground carven. Nevertheless， the in-situ stress field result obtained by a single method is usually not of high reliability because of the complexity of geological conditions. This paper takes the Huangdao underground water-sealed cavern as example and analyzes its regional tectonic background and near-field faults. The in-situ stress field is tested by hydraulic fracturing method. The maximum principal stress is obtained. Its directions are is mainly oriented NWW.Its advantage direction is N73°W. The stress field of study area is analyzed by geological structure analysis method. The impact of regional tectonic history on present tectonic stress field of study area is discussed. It is found that the maximum principal stress direction is NW～NNW.The maximum principal stress directions obtained by construction analysis and hydraulic fracturing method are roughly NW.But there is a certain bias. The main reason is probably due to the fact that the geological structure of research area is complicated and affected by the boundary conditions of tectonic deformation. Thus， the derived local stress field is deflected. The results suggest that the comprehensive evaluation of regional geological structure analysis and in-situ stress test should be used for stress field analysis. The result has a certain reference value for the comprehensive determination of stress field．

Underground water-sealed cavern， In-situ stress， Geological structure， Hydraulic fracturing， Tectonic evolution

10.13544/j.cnki.jeg.2016.01.017

2014-09-20;

2015-11-05.

北京市科學(xué)技術(shù)委員會(huì)重點(diǎn)項(xiàng)目(20090102-2796)，武漢工程大學(xué)科學(xué)研究基金項(xiàng)目(K201473)資助.

王章瓊(1984-)，男，博士，講師，主要從事巖石力學(xué)與滑坡地質(zhì)災(zāi)害等方面的教學(xué)和研究. Email: wzqcug@163.com

簡(jiǎn)介： 晏鄂川(1969-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要從事工程巖土體穩(wěn)定性方面的教學(xué)和研究. Email: yecyec6970@163.com

P618.130.2

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