李葉朋 李 強 蔡武軍 羅崇宏 胡 煌

（中國電建集團中南勘測設(shè)計研究院有限公司，湖南長沙 410014）

0 引言

地下水封洞庫是以地表以下一定深度的完整巖體作為載體，開鑿天然洞室作為儲存空間，利用洞室外圍巖中存在的地下水或人為形成地下水幕實現(xiàn)密封[1]，具有占地少、規(guī)模大、維護成本低以及適合戰(zhàn)備等特點，對于能源資源的戰(zhàn)略儲備有重要的作用和意義。地應力是指存在于地殼巖層中未受工程擾動的天然應力，是影響地下洞庫布置以及圍巖穩(wěn)定的主要因素之一[2-4]。

關(guān)于黃島地下水封石油洞庫地應力場方面的研究，部分學者從不同的角度出發(fā)做了許多有價值的工作。陳 祥等[5]利用FLAC3D 數(shù)值計算軟件內(nèi)嵌的FISH 語言編制了阻尼最小二乘擬合程序，將擬合計算與地應力數(shù)值計算相結(jié)合，得出了研究區(qū)的地應力的分布。王章瓊等[6]在分析研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)背景及近場斷裂構(gòu)造的基礎(chǔ)上，通過地質(zhì)構(gòu)造分析法分析了研究區(qū)地應力場，探討了區(qū)域構(gòu)造運動歷史對研究區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應力場的影響。徐 彬等[7]依據(jù)實測應力值擬合出水平主應力與垂向主應力的關(guān)系，并通過坐標轉(zhuǎn)換得出模型坐標下的正應力和剪應力，進而得到研究區(qū)的初始地應力場。

本次擬建新材料綜合利用項目地下水封洞庫設(shè)計庫容60×104m3，設(shè)計使用年限為50年，在地應力場方面的研究尚屬空白，而庫址區(qū)的地應力場特征及發(fā)育規(guī)律對洞庫的選址規(guī)劃及設(shè)計又具有重要的理論和實際意義。因此，本文在分析水壓致裂地應力測量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法精細刻畫了研究區(qū)的地應力場，并對洞室軸線選擇進行了驗證，以期提供有利建議。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況

擬建地下水封洞庫靠近青島市與日照市分界處，地貌成因類型為海積平原，地貌為微傾斜平地，地面標高4.0～6.0 m。庫址區(qū)地處揚子斷塊區(qū)（一級構(gòu)造單元）-蘇北膠南斷塊（二級構(gòu)造單元），區(qū)域斷裂日照-膠南斷裂（F1）從場區(qū)西北3～5 km 位置通過，總體走向N35°E，斷裂面以南東傾為主，傾角65°～75°，該斷裂最新活動時代為中更新世晚期，晚更新世以來不活動，對庫址區(qū)影響較小。

庫址區(qū)內(nèi)的地層巖性可分為第四系殘積層和燕山晚期侵入花崗巖兩大類。其中，第四系殘積層物質(zhì)組成以粉砂質(zhì)黏土為主，厚4.0～13.0 m；燕山晚期侵入花崗巖以淺灰色-淺肉紅色弱綠泥石化斑狀花崗巖為主，含部分灰黑色-灰綠色角閃石花崗巖及少量淺肉紅色初糜化花崗巖，在后期侵入的巖脈中以閃長玢巖、閃長細晶巖、花崗斑巖為主。

依據(jù)物探解譯及鉆孔成果資料，工程區(qū)共揭露斷層6 條，以北東向和北西向高陡傾角為主。西區(qū)F2斷層規(guī)模最大，延伸長度約2.6 km，產(chǎn)狀N27°～42°E，SE∠55°。其余斷層延伸長度有限，對洞庫圍巖的影響主要是對塊體的影響。

2 地應力測量方法及結(jié)果

本次試驗依據(jù)《水電水利工程巖體應力測試規(guī)程》（DL/T 5367-2007），采用水壓致裂法在庫址區(qū)ZK1 和ZK2 兩孔中進行平面應力測量，垂向應力采用上覆巖體靜巖壓力近似計算得出（巖石密度取2.7 g/cm3）。測量結(jié)果表明：庫址區(qū)96.5～168.0 m測深范圍內(nèi)最大水平主應力5.17～9.87 MPa，平均8.48 MPa；最小水平主應力3.98～7.85 MPa，平均6.38 MPa；垂向主應力2.61～4.54 MPa，平均3.66 MPa。最大水平主應力梯度5.33 ～8.13 MPa/100 m，平均6.29 MPa/100 m；最小水平主應力梯度3.74～5.83 MPa/100 m，平均4.71 MPa/100 m。

采用自動定向印模器記錄了ZK1 孔141.8 m 和ZK2 孔119.1 m 及151.1 m 的破裂縫方向，三個測點的破裂縫方向分別為N59°W、N60°W 和N54°W。地應力測量結(jié)果見表1。

表1 地應力測量結(jié)果

3 地應力測量結(jié)果分析

3.1 地應力場方向

依據(jù)水壓致裂法地應力測量原理，破裂面一般沿垂直于橫截面上最小主應力方向的平面擴展，平行裂縫的延伸方向就是橫截面上的最大主應力方向。據(jù)測量結(jié)果，庫址區(qū)最大水平主應力方向為N54°~60°W，優(yōu)勢方位為NWW 向，是對燕山期構(gòu)造應力場的繼承[6]，且隨埋深的增大最大水平主應力有向東偏轉(zhuǎn)的趨勢。

3.2 地應力場類型

Anderson 的斷層力學成因模式中將地應力場類型劃分為正斷層應力機制（σv>σHmax>σhmin）、逆斷層應力機制（σHmax>σhmin>σv）和走滑斷層應力機制（σHmax>σv>σhmin）三種（見圖1）。對比分析可知，測深范圍內(nèi)地應力類型均為最大主應力為水平主應力的逆斷層應力機制（σHmax>σhmin>σv型），這也與場區(qū)范圍通過的日照-膠南區(qū)域性斷裂呈壓扭構(gòu)造特征[8]相對應。通過分析最大水平主應力與垂向主應力比值可知，σHmax/σv介于1.97～3.01 之間，平均為2.33，說明研究區(qū)測深范圍內(nèi)構(gòu)造應力占絕對優(yōu)勢，屬典型的構(gòu)造應力場特征。

圖1 地應力場類型

3.3 地應力隨埋深變化規(guī)律

3.3.1 水平主應力

由圖2可知，隨深度的增加，最大水平主應力和最小水平主應力均呈增大的趨勢。采用回歸分析得到水平主應力隨埋深的變化關(guān)系式：

圖2 水平主應力與埋深關(guān)系

（1）最大水平主應力

σHmax=0.049H+1.84（R=0.74）

（2）最小水平主應力

σhmin=0.045H+0.35（R=0.77）

擬合結(jié)果表明，水平主應力與埋深之間存在良好的線性關(guān)系。

3.3.2 側(cè)壓系數(shù)

采用Hoek 和Brown 方法[9]研究平均水平主應力與垂向主應力的比值，即側(cè)壓系數(shù)k（無因次）隨埋深的變化規(guī)律（見圖3）。

圖3 側(cè)壓系數(shù)與埋深關(guān)系

按照k=a/H+b形式進行回歸分析可知，側(cè)壓系數(shù)與埋深擬合關(guān)系為：

k=234.11/H+0.419

分析可知，側(cè)壓系數(shù)與埋深關(guān)系介于中國大陸包絡(luò)線內(nèi)[10]，且隨著埋深的增加而降低并收斂，即“淺部離散，深部收斂”，總體符合Hoek-Brown 規(guī)律。

4 地應力場數(shù)值模擬

實測地應力僅反映測點部位的應力場特征，因此有必要針對有限的測試點位進行分析，進而模擬整個工程區(qū)域內(nèi)的地應力場[5,7,11]。工程區(qū)分為東、西兩個比選區(qū)，勘察過程中已優(yōu)選出東區(qū)作為擬建庫址區(qū)。根據(jù)工程地質(zhì)條件和工程特點，選用FLAC3D 軟件針對東區(qū)建立X軸長800 m、Y軸長400 m、Z軸長400 m 的三維數(shù)值模型（場地較平整，未考慮地面起伏）。模擬計算中模型側(cè)面限制水平移動，模型底面限制垂直移動，地應力的施加依據(jù)前述的實際測量數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果見圖4-圖6。

圖4 最大水平主應力云圖

圖5 最小水平主應力云圖

圖6 垂直主應力云圖

結(jié)果顯示，三向主應力隨著深度的增加，基本上呈線性增加的趨勢，且從三向主應力的數(shù)值上來看，最大水平主應力為最大主應力，垂向主應力為最小主應力，最小水平主應力為中間主應力，與實際測量結(jié)果的分析相吻合。

5 地應力場對地下洞室布置的影響

洞室軸向的選擇主要受控于地應力和結(jié)構(gòu)面的方向，即應與最大水平主應力呈小角度相交，與優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面呈大角度相交[2,12]。東區(qū)斷層不發(fā)育，依據(jù)孔內(nèi)數(shù)字成像成果解譯了優(yōu)勢節(jié)理產(chǎn)狀（見表2），由表2可知東區(qū)優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為NNE 向。因此，建議在滿足工程安全及經(jīng)濟可行性的前提下，洞室軸向選擇N55°W。

表2 優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

在模擬成果的基礎(chǔ)上，沿擬定洞軸線方向切剖面，剖面的三向主應力分布見圖7-圖9。

圖7 洞軸線剖面最大水平主應力分布

圖8 洞軸線剖面最小水平主應力分布

圖9 洞軸線剖面垂向主應力分布

從圖中可以看出，洞室所在位置（圖中線框所示）最大水平主應力7.0～10.0 MPa，最小水平主應力6.0～8.0 MPa，垂向主應力3.0～4.0 MPa，在實測點處量值相近，且三向主應力分布較為均勻，有利于洞室穩(wěn)定。

6 結(jié)論

（1）工程區(qū)現(xiàn)今地應力場屬典型的構(gòu)造應力場特征，以逆斷層應力機制為主，最大水平主應力方位為NWW 向。

（2）最大水平主應力、最小水平主應力均隨埋深增大而線性增加，側(cè)壓系數(shù)與埋深關(guān)系介于中國大陸包絡(luò)線內(nèi)，整體呈現(xiàn)出“淺部離散，深部收斂”的特征。

（3）從數(shù)值上來看，最大水平主應力為最大主應力，垂向主應力為最小主應力，最小水平主應力為中間主應力。

（4）結(jié)合最大水平主應力方向和優(yōu)勢結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀，洞室軸線建議選擇N55°W，該方向上三向主應力分布較為均勻，有利于洞室穩(wěn)定。