高地溫高地應力下巖體初始地應力場反演分析

冉小東

摘 要 在高地溫高地應力環境下，巖體初始地應力場可近似由重力應力場、構造應力場及溫度應力場組成。而巖體溫度應力場可結合地溫梯度法并依據巖體熱應力公式近似得到，再通過疊加原理將溫度應力場疊加到重力及構造應力場中即可得到與高地溫相符的巖體初始地應力場。本文為使反演得到的巖體初始地應力場更加符合實際，首次提出了考慮地溫的巖體初始地應力場反演思路，以供參考。

關鍵詞 巖石力學;高地溫;高地應力;初始地應力場;反演;巖體

1巖體溫度場的計算

通過數值模擬法計算山嶺重丘區的巖體溫度場時需給出數值模型的熱邊界條件，其可分為3類：

①給出邊界的溫度;②給出邊界的熱流密度;③給出邊界與周圍流體的對流換熱系數及流體溫度。

巖體表面是與空氣的熱對流進行熱交換的，即巖體表面為第三類熱邊界條件，則需確定巖體表面的空氣溫度及巖體表面與空氣的對流換熱系數。由于山嶺重丘區工程區域的海拔高差、面積一般較大，不同高程處的空氣溫度存在差異，且同一高程處的空氣溫度在不同季節也存在較大差異，故要獲取整個工程區域巖體表面的空氣溫度可見是較為困難的。因此通過數值模擬法計算山嶺重丘區巖體的溫度場較難實現。而工程上近似計算巖體溫度場應用十分廣泛的地溫梯度法如下所示[1]：

T = T0 + α（ H - h ）（1）T 為深度為H處的原巖溫度（℃）;T0 為恒溫帶的溫度（℃）;H 為埋深（m）;h 為恒溫帶離地表的距離（m）;α地溫梯度（℃/（100m））。

式（1）的適用條件為：假定同種地層每一點各個方向的巖石導熱系數都相同，且僅適用于淺部地殼。恒溫帶等巖體溫度變化層帶定義如下：

（1）變溫帶：在恒溫帶以上，離地表20～30m的地表層，其溫度受太陽輻射而具有周期性變化，故變溫帶有日、月、年變化。

（2）恒溫帶：溫度隨時間基本沒有變化的地層帶，厚度3～5m，原因是在這地層附近大地熱流和太陽的熱輻射處于熱流平衡狀態。

（3）增溫帶：在恒溫帶以下，其地溫不受地表溫度周期性變化的影響，僅受大地熱流作用，地溫與深度呈正相關關系。

2巖體溫度應力場的計算

由于巖體受大地熱流作用而膨脹，加之周圍巖體約束膨脹的巖體，進而在巖體內部產生熱應力，即壓縮應力。推算近似計算巖體的溫度應力場：

σT = αβ? EZ? ?（2）σT 為巖體溫度應力（MPa）;β為巖體的體膨脹系數（℃-1）;E為彈性模量（MPa），若有隨埋深而變化的彈性模量等參數是最佳的;Z=H-h;α地溫梯度（℃/（100m））。

3地溫反演思路

如采用應力解除法測量原位地應力，則實測原位地應力在高地溫環境下都包含溫度應力，則需將全部實測原位地應力扣除溫度應力后進行反演，然后再疊加式（2）的溫度應力場。由于巖體重力應力場在地殼淺部呈非靜水壓力狀態;且反演得到的構造應力場一般也呈非靜水壓力狀態，故在反演過程中如果不考慮地溫，則較難用重力應力場與構造應力場疊加等效得到溫度應力場，因此有必要將實測原位地應力扣除溫度應力后進行反演，然后再疊加式（2）的溫度應力場[2]。

綜上所述，在高地溫環境下反演巖體的初始地應力場，需先將實測原位地應力扣除溫度應力后進行反演，然后再疊加式（2）的溫度應力場。

4結束語

巖體溫度應力場呈靜水壓力狀態，而巖體重力及構造應力場呈非靜水壓力狀態，故較難用重力應力場和構造應力場疊加等效溫度應力場，則在反演過程中需先將實測原位地應力扣除溫度應力后進行反演，然后再疊加式（2）的溫度應力場，最終得到有效結果。

參考文獻

[1] 張建國，張強勇，楊文東，等.大崗山水電站壩區初始地應力場反演分析[J].巖土力學，2009，30（10）：3071-3078.

[2] 張延新，宋常勝，蔡美峰，等.深孔水壓致裂地應力測量及應力場反演分析[J].巖石力學與工程學報，2010，29（4）：778-786.