地下水封洞庫地應(yīng)力發(fā)育特征及其工程地質(zhì)意義

李葉朋 李 強(qiáng) 蔡武軍 羅崇宏 胡 煌

（中國電建集團(tuán)中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖南長(zhǎng)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(chǔ)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(shí)現(xiàn)密封[1]，具有占地少、規(guī)模大、維護(hù)成本低以及適合戰(zhàn)備等特點(diǎn)，對(duì)于能源資源的戰(zhàn)略儲(chǔ)備有重要的作用和意義。地應(yīng)力是指存在于地殼巖層中未受工程擾動(dòng)的天然應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)方面的研究，部分學(xué)者從不同的角度出發(fā)做了許多有價(jià)值的工作。陳 祥等[5]利用FLAC3D 數(shù)值計(jì)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(jì)算與地應(yīng)力數(shù)值計(jì)算相結(jié)合，得出了研究區(qū)的地應(yīng)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(chǎng)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(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。徐 彬等[7]依據(jù)實(shí)測(cè)應(yīng)力值擬合出水平主應(yīng)力與垂向主應(yīng)力的關(guān)系，并通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得出模型坐標(biāo)下的正應(yīng)力和剪應(yīng)力，進(jìn)而得到研究區(qū)的初始地應(yīng)力場(chǎng)。

本次擬建新材料綜合利用項(xiàng)目地下水封洞庫設(shè)計(jì)庫容60×104m3，設(shè)計(jì)使用年限為50年，在地應(yīng)力場(chǎng)方面的研究尚屬空白，而庫址區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)特征及發(fā)育規(guī)律對(duì)洞庫的選址規(guī)劃及設(shè)計(jì)又具有重要的理論和實(shí)際意義。因此，本文在分析水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬的方法精細(xì)刻畫了研究區(qū)的地應(yīng)力場(chǎng)，并對(duì)洞室軸線選擇進(jìn)行了驗(yàn)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(biāo)高4.0～6.0 m。庫址區(qū)地處揚(yáng)子斷塊區(qū)（一級(jí)構(gòu)造單元）-蘇北膠南斷塊（二級(jí)構(gòu)造單元），區(qū)域斷裂日照-膠南斷裂（F1）從場(chǎng)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(dòng)時(shí)代為中更新世晚期，晚更新世以來不活動(dòng)，對(duì)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(zhǎng)玢巖、閃長(zhǎng)細(xì)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(zhǎng)度約2.6 km，產(chǎn)狀N27°～42°E，SE∠55°。其余斷層延伸長(zhǎng)度有限，對(duì)洞庫圍巖的影響主要是對(duì)塊體的影響。

2 地應(yīng)力測(cè)量方法及結(jié)果

本次試驗(yàn)依據(jù)《水電水利工程巖體應(yīng)力測(cè)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(jìn)行平面應(yīng)力測(cè)量，垂向應(yīng)力采用上覆巖體靜巖壓力近似計(jì)算得出（巖石密度取2.7 g/cm3）。測(cè)量結(jié)果表明：庫址區(qū)96.5～168.0 m測(cè)深范圍內(nèi)最大水平主應(yīng)力5.17～9.87 MPa，平均8.48 MPa；最小水平主應(yīng)力3.98～7.85 MPa，平均6.38 MPa；垂向主應(yīng)力2.61～4.54 MPa，平均3.66 MPa。最大水平主應(yīng)力梯度5.33 ～8.13 MPa/100 m，平均6.29 MPa/100 m；最小水平主應(yīng)力梯度3.74～5.83 MPa/100 m，平均4.71 MPa/100 m。

采用自動(dòng)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(gè)測(cè)點(diǎn)的破裂縫方向分別為N59°W、N60°W 和N54°W。地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果見表1。

表1 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

3 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

3.1 地應(yīng)力場(chǎng)方向

依據(jù)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量原理，破裂面一般沿垂直于橫截面上最小主應(yīng)力方向的平面擴(kuò)展，平行裂縫的延伸方向就是橫截面上的最大主應(yīng)力方向。據(jù)測(cè)量結(jié)果，庫址區(qū)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹54°~60°W，優(yōu)勢(shì)方位為NWW 向，是對(duì)燕山期構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的繼承[6]，且隨埋深的增大最大水平主應(yīng)力有向東偏轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

3.2 地應(yīng)力場(chǎng)類型

Anderson 的斷層力學(xué)成因模式中將地應(yīng)力場(chǎng)類型劃分為正斷層應(yīng)力機(jī)制（σv>σHmax>σhmin）、逆斷層應(yīng)力機(jī)制（σHmax>σhmin>σv）和走滑斷層應(yīng)力機(jī)制（σHmax>σv>σhmin）三種（見圖1）。對(duì)比分析可知，測(cè)深范圍內(nèi)地應(yīng)力類型均為最大主應(yīng)力為水平主應(yīng)力的逆斷層應(yīng)力機(jī)制（σHmax>σhmin>σv型），這也與場(chǎng)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(duì)應(yīng)。通過分析最大水平主應(yīng)力與垂向主應(yīng)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(cè)深范圍內(nèi)構(gòu)造應(yīng)力占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，屬典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征。

圖1 地應(yīng)力場(chǎng)類型

3.3 地應(yīng)力隨埋深變化規(guī)律

3.3.1 水平主應(yīng)力

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

圖2 水平主應(yīng)力與埋深關(guān)系

（1）最大水平主應(yīng)力

σHmax=0.049H+1.84（R=0.74）

（2）最小水平主應(yīng)力

σhmin=0.045H+0.35（R=0.77）

擬合結(jié)果表明，水平主應(yīng)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(yīng)力與垂向主應(yīng)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(jìn)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(yīng)力場(chǎng)數(shù)值模擬

實(shí)測(cè)地應(yīng)力僅反映測(cè)點(diǎn)部位的應(yīng)力場(chǎng)特征，因此有必要針對(duì)有限的測(cè)試點(diǎn)位進(jìn)行分析，進(jìn)而模擬整個(gè)工程區(qū)域內(nèi)的地應(yīng)力場(chǎng)[5,7,11]。工程區(qū)分為東、西兩個(gè)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(diǎn)，選用FLAC3D 軟件針對(duì)東區(qū)建立X軸長(zhǎng)800 m、Y軸長(zhǎng)400 m、Z軸長(zhǎng)400 m 的三維數(shù)值模型（場(chǎng)地較平整，未考慮地面起伏）。模擬計(jì)算中模型側(cè)面限制水平移動(dòng)，模型底面限制垂直移動(dòng)，地應(yīng)力的施加依據(jù)前述的實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)。模擬結(jié)果見圖4-圖6。

圖4 最大水平主應(yīng)力云圖

圖5 最小水平主應(yīng)力云圖

圖6 垂直主應(yīng)力云圖

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

5 地應(yīng)力場(chǎng)對(duì)地下洞室布置的影響

洞室軸向的選擇主要受控于地應(yīng)力和結(jié)構(gòu)面的方向，即應(yīng)與最大水平主應(yīng)力呈小角度相交，與優(yōu)勢(shì)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(shì)節(jié)理產(chǎn)狀（見表2），由表2可知東區(qū)優(yōu)勢(shì)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(jì)可行性的前提下，洞室軸向選擇N55°W。

表2 優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀

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

圖7 洞軸線剖面最大水平主應(yīng)力分布

圖8 洞軸線剖面最小水平主應(yīng)力分布

圖9 洞軸線剖面垂向主應(yīng)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(yīng)力7.0～10.0 MPa，最小水平主應(yīng)力6.0～8.0 MPa，垂向主應(yīng)力3.0～4.0 MPa，在實(shí)測(cè)點(diǎn)處量值相近，且三向主應(yīng)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(yīng)力場(chǎng)屬典型的構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)特征，以逆斷層應(yīng)力機(jī)制為主，最大水平主應(yīng)力方位為NWW 向。

（2）最大水平主應(yīng)力、最小水平主應(yīng)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(yīng)力為最大主應(yīng)力，垂向主應(yīng)力為最小主應(yīng)力，最小水平主應(yīng)力為中間主應(yīng)力。

（4）結(jié)合最大水平主應(yīng)力方向和優(yōu)勢(shì)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(yīng)力分布較為均勻，有利于洞室穩(wěn)定。