祁 軍,樊冬梅,謝得峰，張光庭，金文彬

(1.青海省水利水電勘測規(guī)劃設計研究院有限公司，青海 西寧 810001； 2.青海大學土木工程學院，青海 西寧 810016；3.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室，青海 西寧 810016)

地應力指地下巖石介質各個部分間通過接觸而相互作用的力，地應力研究是地球動力學發(fā)展的基礎之一，在研究構造運動、探討成礦規(guī)律、地震成因以及諸多工程建設中，需要了解地殼淺層的應力狀態(tài)[1]。地應力研究的方法主要有震源機制分析、鉆孔崩落、水壓致裂與聲發(fā)射法等[2]，其中水壓致裂法是測量深部地應力方法之一，具有操作方便，測量深度不受限制，計算理論簡單、結果相對準確等優(yōu)點。

目前，國內地應力研究測試深度達到7 km[3]，多分布在中、東部地區(qū)[4-5]，而西部特別是青藏高原地區(qū),由于海撥高、自然條件惡劣等原因，開展地應力研究相對較少，且深部地應力測試數(shù)據(jù)相對空白。拉脊山地區(qū)在大地構造區(qū)域上屬祁連加里東褶皺帶，位于青藏板塊東部。本研究依托拉脊山區(qū)域的龍羊峽水電站[6]、李家峽水電站[7]及拉西瓦水電站[8]的地應力測試結果，對拉脊山引水隧洞超深鉆孔中獲取的深部地應力大小及方向等數(shù)據(jù)信息進行分析，獲得了拉脊山地區(qū)深部地應力變化的一般規(guī)律及特征,研究結果可為青藏地區(qū)地應力的研究和青海省引黃濟寧等多個工程的合理規(guī)劃提供理論依據(jù)。

1 研究區(qū)概況

拉脊山區(qū)域在一級大地構造單元上屬祁連加里東皺褶帶，二級構造單元為拉脊山優(yōu)地槽帶，其南、北分別為二級構造單元中祁連中間隆起帶、南祁連冒地槽帶。區(qū)內構造較為復雜，總體構造方向以北西向為主。區(qū)域內主要斷裂有拉脊山深大斷裂(南北兩側)、青海南山—文都大寺深大斷裂、祁連山深大斷裂(南、北兩側)、鄂拉山深大斷裂等，斷層規(guī)模較大，寬度在50 m至數(shù)百米不等。此外次生小型斷裂也較多，斷層寬度多在2～8 m，區(qū)內主斷裂延伸方向多以北西向為主，與區(qū)域構造方向基本相同。

1.2近場區(qū)水電站地應力特征近場區(qū)龍羊峽、李家峽及拉西瓦3個水電站工程勘查時的地應力實測數(shù)據(jù)[6-13]見表1。

表1 近場區(qū)項目地應力實測數(shù)據(jù)Tab.1 Measured in-situ stress data of the project in the near-field area

依據(jù)工程實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析可知，近地表附近受地形影響最大主應力方向多發(fā)生偏轉，但近場區(qū)應力場以水平構造應力場為主，方向以北東向為主，區(qū)內最大實測主應力方向與構造線形跡多呈垂直狀。近場區(qū)地應力最大測試深度為278 m，最大主應力與測試深度的相關測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計見表2。其中同一深度測試多組數(shù)據(jù)時，按平均值取值。根據(jù)結果統(tǒng)計，埋深小于100 m時，最大主應力為 5.57～9.96 MPa；埋深130～278 m時，最大主應力為4.80～16.69 MPa。受褶皺帶及斷裂帶影響，地應力局部出現(xiàn)異常值，但總體隨深度增大而增加，呈線性正相關。

表2 近場區(qū)地應力測試結果表Tab.2 Results of in-situ stress test in the near-field area

2 地應力數(shù)值模擬預測

2.1區(qū)域地應力數(shù)值模擬方法本次數(shù)值模擬，在區(qū)域內地應力實測數(shù)據(jù)的分析基礎上，對研究邊界加以不同初始量值，并與已測地應力值進行擬合，最終選取相對合理數(shù)值進行區(qū)域內地應力數(shù)值模擬[14]，得出拉脊山地區(qū)淺部地應力預測值。數(shù)值模擬采用FLAC3DV 5.0的平面模型進行模擬，在對地質條件與區(qū)域構造框架進行簡化后進行有限元網(wǎng)格剖分，基本單元采用四邊形，共有節(jié)點5 565個，單元2 954個。

2.2 邊界條件

(1)研究范圍。東起青海省與甘肅交界處公伯峽水庫以東，西至青海海南藏族自治州興?？h鄂拉山，長500 km；南起青海黃南藏族自治州，北至祁連山，寬400 km，總面積約20萬 km2。

(2)邊界條件的簡化及邊界力的施加。由于研究范圍內地層變化大，地質構造相對復雜，因此數(shù)值模擬時對研究范圍內地層及構造進行了適當簡化，地層按其主要巖性的軟硬程度分為3個大的時代單元：(1)元古代—二疊紀；(2)三疊紀—侏羅紀；(3)第三紀。構造方面考慮主要的深大斷裂：F1—拉脊山深大斷裂(南北兩側)；F2—青海南山-文都大寺深大斷裂；F3—祁連山深大斷裂(南、北兩側)；F4—鄂拉山深大斷裂，以及區(qū)內一些較大的斷裂。

根據(jù)區(qū)域內主應力特征，在應力場方向NE30°～NE55°的范圍內加載邊界力，加載量值：南部邊界為3.3～8.5 MPa，西部邊界為1.1～3.1 MPa，其余邊界設定為光滑約束。

2.3材料取值巖體物理力學參數(shù)參考黃河上游有關電站巖體力學試驗[9]資料，詳見表3。

表3 巖體物理力學參數(shù)取值表Tab.3 Values of physical and mechanical parameters of rock mass

2.4區(qū)域地應力場主應力的擬合對加載邊界分別加以不同的荷載組合進行初始地應力場的有限元計算，經過計算后獲得區(qū)內各地段的應力量值。不同邊界荷載組合下龍羊峽水電站、拉西瓦水電站、李家峽水電站處的最大、最小主應力及剪應力見表4。從表中可以看出：①、②組的荷載組合下，其應力值與拉西瓦水電站處高值較接近，但其余兩處差異較大，且數(shù)據(jù)在計算中很難收斂，說明初始荷載不合理；③、④組的荷載組合下，計算收斂，但龍羊峽水電站、李家峽水電站處的量值偏高較多；⑤、⑥組的荷載下，其應力值與龍羊峽水電站、李家峽水電站處測點的參考主應力值較接近，在拉西瓦水電站處與實測低值相接近。在⑤、⑥組的荷載模擬結果中，⑤組稍高，⑥組偏低，為了更接近三處(李家峽水電站、龍羊峽水電站、拉西瓦水電站)的參考地應力值，取兩種情況的平均值作為初步擬合的應力值。

表4 邊界施加不同荷載時計算區(qū)內應力狀況Tab.4 Stress state in the calculation area with different loads applied on the boundary

2.5擬合結果以李家峽、龍羊峽、拉西瓦3個水電站獲得的地應力量值作為基本的測試值，再經邊坡頂部巖體自重影響引起的水平應力改變后的量值作為參照值，根據(jù)⑤、⑥組的荷載擬合后平均值，再次數(shù)值模擬最終獲取區(qū)域地應力場擬合值：拉西瓦水電站σ1=9.60 MPa，龍羊峽水電站σ1=4.65 MPa；李家峽水電站σ1=5.87 MPa，詳見表5，其結果主要表征的是100～200 m深度時的最大應力量值。

表5 近場區(qū)內應力擬合狀況Tab.5 Fitting state of in-situ stress in the near-field area

經數(shù)值擬合后，獲得拉脊山地區(qū)不同部位最大水平主應力的方向詳見圖1。根據(jù)數(shù)值擬合計算結果，李家峽至西寧一線為NE15°～NE20°，拉脊山地區(qū)最大主水平應力方向與區(qū)內構造線方向基本垂直，為NE向，其變化范圍為NE5°～NE65°，最大主應力方向的偏移主要與局部的構造及區(qū)域地層影響相關。在拉脊山隧洞附近，最大水平主應力方向約為NE23°，最大主應力量值為9.0 MPa。

圖1 拉脊山地區(qū)水平地應力矢量圖Fig.1 Horizontal in-situ stress vector of Laji mountain

2.6深部地應力預測由拉脊山地區(qū)地應力場數(shù)值模擬結果顯示，當?shù)孛媛裆顬?10 m時，最大主應力值量級為7.2～9.0 MPa；以此量值為基本值，根據(jù)中國西部實測地應力分布規(guī)律研究[15]的回歸公式及國內實測地應力分布規(guī)律研究[16]的線性回歸公式，進行不同深度的最大主應力量值計算，計算結果見表6。

表6 拉脊山地區(qū)不同深度的最大主應力計算值Tab.6 Calculated values of maximum principal stress at different depths in Laji mountain

3 地應力實測結果及可靠性分析

3.1水壓致裂法簡介水壓致裂法地應力測量的試驗設備主要由封隔系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)與量測系統(tǒng)3個部分組成，其中加壓系統(tǒng)分雙管和單管加壓系統(tǒng)。本次試驗中采用單管系統(tǒng)，見圖2。

圖2 輕型封隔器與水壓致裂法地應力測量程序Fig.2 Light-duty packers and hydraulic fracturing procedures for in-situ stress measurement

水壓致裂法地應力測試過程：(1)對鉆孔的透水率、鉆孔傾斜度等檢查后，選擇合適的試驗段后進行座封。(2)注水加壓使巖壁致裂，記錄臨界破裂壓力后關泵，量測瞬時關閉壓力。(3)放水卸壓，重復進行多次加壓循環(huán)，取得合理壓裂參數(shù)。(4)解封后通過擴張印模膠筒外層橡膠和定向器記錄破裂縫的長度和方向，其受壓破壞后的破裂縫產生于最大主應力方向。根據(jù)量測得到的破裂壓力、關閉壓力、重張壓力及巖體內孔隙水壓力，按各向同性、均勻滲流及上覆巖體壓力鉛垂的條件下的巖體破裂模型，即以邊界條件限定后的彈性力學平面問題進行最大、最小主應力計算[17-18]。

3.2地應力實測結果對拉脊山引水隧洞勘探深孔地應力進行現(xiàn)場測試，測試深度為230～850 m，布置測點原則：一般以50 m間距布置測試點，并依據(jù)孔內獲取的巖芯完整程度及孔內電視攝像情況適當進行調整，選取較為完整的巖體部位作為水壓致裂法地應力試驗點進行測試，測試結果見表7。

表7 拉脊山地區(qū)地應力實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.7 Statistics of in-situ stress measured data in Laji mountain

表7(續(xù))

3.3基于工程類比法可靠性分析結合近場區(qū)所處地質構造、地應力特征及臨近工程(拉西瓦水電站、李家峽水電站、龍羊峽水電站)地應力實測資料(表1)，對拉脊山地區(qū)地應力分布進行工程類比分析和判斷，地質構造及地應力實測資料對比情況見表8。

表8 臨近工程地質構造及地應力概況Tab.8 Geological structure adjacent to the project and overview of in-situ stress

由表8可見，從區(qū)域構造上，李家峽水電站、拉西瓦水電站、龍羊峽水電站和拉脊山隧洞工程總體構造格局均受NW向拉脊山構造帶控制，但場區(qū)地質構造有所差異。根據(jù)工程類比，對拉脊山引水隧洞地應力特征分析判斷如下：

(1)最大主應力方向。拉西瓦水電站最大主應力方向以北東向為主，具體方向為NE9°～NE88°，平均值為NE46°，局部發(fā)生偏轉呈北西向；李家峽水電站最大主應力方向以北東向為主，具體方向為NE58°～NE73°，平均值為NE63°，局部發(fā)生偏轉呈北西向；龍羊峽水電站最大主應力方向北東、北西向均有發(fā)育，其中NE具體方向為NE50°～NE83°，平均值為NE68°。根據(jù)實測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，區(qū)內最大主應力方向呈北東向，局部受構造影響而發(fā)生偏轉。由此初步綜合判斷拉脊山地區(qū)最大主應力方向呈北東向，該方向與上述地應力實測方向基本一致。

(2)最大主應力量級。根據(jù)拉西瓦水電站測試結果，測點埋深278 m左右，最大主應力量級5.8～22.9 MPa；李家峽水電站測試結果，測點埋深68 m左右時，最大主應力量級為3.34～9.65 MPa；龍羊峽水電站測試結果，測點埋深110 m左右，最大主應力量級為4.0～9.7 MPa；根據(jù)近場區(qū)區(qū)域應力場模擬結果，拉脊山引水隧洞100～200 m深度時，最大主應力量級約為9.0 MPa；以中國國內與西部實測地應力分布規(guī)律的擬合公式進行計算，拉脊山地區(qū)地應力在深度為400、600、800 m時，最大主應力量級分別為15、19、24 MPa；拉脊山地區(qū)實測數(shù)據(jù)在埋深為400、600、800 m時，最大主應力量級分別為13、18、22 MPa。

根據(jù)各擬合結果與深孔實測地應力對比分析，可以看出，地應力量值總體一致，說明結果總體可靠。

4 討論與結論

本研究得出的拉脊山地區(qū)淺部地應力實測值較景鋒等[4]研究的國內實測地應力分布規(guī)律的線性回歸公式計算結果偏小，其主要影響因素是淺部地應力受深切河谷卸荷影響較大。深部地應力實測量值與計算結果基本一致，接近度在90%以上，反映了水壓致裂法作為深部地應力測試手段是合理可靠的。拉脊山地區(qū)最大主應力方向北東向，與祁連加里東大地構造單元內主應力方向相同，與郭搖[19]等的研究結論一致(拉脊山地區(qū)最大地應力方向呈北東向，與區(qū)內斷裂構造線方向近垂直)。區(qū)內深部地應力場以水平構造應力場為主，其量值隨深度增加而增加，與埋深相關性較好，在埋深900 m以內其量值為6～27 MPa；經可靠性分析，超深鉆孔水壓劈裂法測試的應力成果是相對準確的，因此研究成果對祁連加里東構造單元內的地應力研究有較好的參考意義，實測成果也可以作為青藏地區(qū)地質構造研究的基礎數(shù)據(jù)使用。本研究過程中發(fā)現(xiàn)拉西瓦水電站淺部地應力測試結果值偏高，初步判斷其主要原因為受青海南山—文都寺斷裂影響所致，但二者之間相互影響關系有待于進一步研究分析。