新疆某抽水蓄能電站場(chǎng)地初始地應(yīng)力測(cè)試與分析

王兆云

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

新疆某抽水蓄能電站場(chǎng)地初始地應(yīng)力測(cè)試與分析

王兆云*

（新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆烏魯木齊830000）

通過(guò)對(duì)場(chǎng)地地應(yīng)力測(cè)試成果的分析，研究某抽水蓄能電站場(chǎng)地地應(yīng)力的分布規(guī)律，分析闡述了場(chǎng)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(chǎng)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(dòng)的天然應(yīng)力，也稱巖體初始應(yīng)力、絕對(duì)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(wèn)題。數(shù)十年來(lái)的實(shí)測(cè)和理論分析表明，地應(yīng)力的形成主要與地球的各種動(dòng)力運(yùn)動(dòng)過(guò)程有關(guān)，其中包括板塊邊界受壓、地慢熱對(duì)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(kuò)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(chǎng)變化[1]。

1 場(chǎng)地地質(zhì)概況

場(chǎng)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(duì)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(jiān)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(chǎng)地在新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上處于天山強(qiáng)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?yàn)镹WW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(dòng)斷裂。

2 廠址地應(yīng)力測(cè)試成果

針對(duì)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(gè)鉆孔，在鉆孔內(nèi)采用巖體水壓劈裂試驗(yàn)進(jìn)行地應(yīng)力測(cè)量，其中ZK7號(hào)鉆孔（深度315m）位于引水洞高水頭段，ZK8號(hào)鉆孔（550m）位于地下廠房處，測(cè)試結(jié)果見圖1。另外，分析還參考了場(chǎng)區(qū)西側(cè)同一構(gòu)造單元某引水工程ZK3號(hào)鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試成果。

圖1 實(shí)測(cè)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(shí)，水平主應(yīng)力量值隨埋深增加而增大的趨勢(shì)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(cè)試成果來(lái)看，ZK8主應(yīng)力量值的相對(duì)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(duì)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(cè)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(chǎng)以水平主應(yīng)力為主。

3 地表剝蝕對(duì)地應(yīng)力的影響分析

3個(gè)孔的測(cè)試成果表明，水平主應(yīng)力呈現(xiàn)σZK3＞σZK7＞σZk8，由于3個(gè)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(gè)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(shuō)明場(chǎng)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(duì)原始地應(yīng)力的影響是十分復(fù)雜的，初始地應(yīng)力場(chǎng)的剝蝕理論實(shí)際上就是認(rèn)為巖體中水平構(gòu)造應(yīng)力的殘存是因?yàn)榈匦蝿兾g，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(guò)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(shuō)明在巖體因風(fēng)化、侵蝕和水流沖刷搬運(yùn)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(guò)程中，對(duì)鉛直應(yīng)力影響大，釋放較大，而對(duì)水平應(yīng)力影響較小，釋放較小，總體表明該區(qū)應(yīng)力場(chǎng)中以水平應(yīng)力為主。

4 最大水平主應(yīng)力方向

場(chǎng)地區(qū)域現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為主要受近SN向水平擠壓力作用的地殼應(yīng)力場(chǎng)，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(yùn)動(dòng)。址場(chǎng)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(cè)試成果表明，ZK7鉆孔的最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹20°～40°E，與測(cè)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(lái)看場(chǎng)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(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)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(cè)試最大水平主應(yīng)力（σH）與最小水平主應(yīng)力（σh）量值進(jìn)行線性回歸，見圖1，由圖1可看出，3個(gè)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(duì)整個(gè)場(chǎng)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(jìn)行線性回歸，見圖2，由圖2可看出，3個(gè)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(chǎng)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(cè)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(chǎng)區(qū)深部地應(yīng)力分析，且在分析求取深部地應(yīng)力時(shí)對(duì)埋深（H）應(yīng)進(jìn)行地形剝蝕修正。

6 小結(jié)

（1）測(cè)試結(jié)果表明場(chǎng)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(chǎng)區(qū)在巖體因風(fēng)化、侵蝕和水流沖刷搬運(yùn)剝蝕下切過(guò)程中，對(duì)鉛直應(yīng)力影響大，釋放較大，而對(duì)水平應(yīng)力影響較小，釋放較小。

（3）區(qū)域構(gòu)造形態(tài)對(duì)現(xiàn)今地應(yīng)力場(chǎng)的特征有一定的控制性，總體來(lái)看場(chǎng)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(duì)整個(gè)場(chǎng)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(chǎng)地深部的地應(yīng)力分布特征，但在利用回歸公式求取場(chǎng)區(qū)深部地應(yīng)力時(shí)對(duì)埋深（H）應(yīng)進(jìn)行地形剝蝕修正。

[1] 蘇生瑞，黃潤(rùn)秋，王士天.斷裂構(gòu)造對(duì)地應(yīng)力場(chǎng)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(chǎng)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(jí)工程師，現(xiàn)從事工程地質(zhì)水文地質(zhì)工程勘察工作。