吳家浩，李 姝，王麗君，宋書志，曹 廷，鄭志龍

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術學院，四川 成都 610000)

0 前 言

地應力是引起地下硐室、支護變形及破壞的主要力源，在諸多影響地下硐室工程穩(wěn)定性因素中，地應力是根本的原因[1]。地下硐室的原生地應力狀態(tài)往往比較復雜，通過幾十年的實測和理論分析，重力作用和構造運動是影響地應力的主要因素，其中尤以水平方向的構造運動對地應力的影響最大[2]。

西藏某擬建電站，地下硐室埋深較大，規(guī)模宏大。運用孔徑變形法于一勘探平硐內進行了地應力測試，分析擬建電站區(qū)域的地應力特征，以及其與電站區(qū)域內的主要地質構造方向存在的關聯(lián)性[3]。

1 地質構造運動特征

1.1 區(qū)域地質構造

擬建電站河段位于喜馬拉雅極高山亞區(qū)，為喜馬拉雅山脈、念青唐古拉山脈、橫斷山脈的交匯部，是青藏高原隆升、侵蝕最為強烈的地區(qū)，地形起伏大，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。電站所在區(qū)域內地跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構造結的西側，為一強烈擠壓、碰撞、旋扭走滑、急劇伸展隆升地質構造極其復雜的造山帶。區(qū)內沉積作用類型復雜、巖漿活動強烈，變形變質作用、構造樣式復雜多樣，為特提斯東端巨形轉彎的關鍵地帶，是研究陸內匯聚、板塊動力學，以及探討高原隆升機制的理想場所，為國內外地學界所矚目。擬建電站所在河段主要為位于喜馬拉雅構造帶和雅魯藏布江結合帶，屬于喜馬拉雅構造帶 “東構造結”。區(qū)域內地層巖性主要為片麻巖及超基性巖[6]。

擬建電站附近主要存在兩組斷裂，其中F1斷裂出露于擬建電站下游，為雅魯藏布江結合帶與岡底斯巖漿弧的分界斷裂。呈北西—北東向南突出之弧形，中部向南延入1:25萬扎日區(qū)幅，具有單體組合而成的束狀、帶狀、聯(lián)合弧狀影像特征。在東部比丁一帶被近南北向奪松—比丁拆離斷裂切割為東西兩段，結合帶南北錯移約23 km，并轉成北東向沿雅魯藏布江河谷延展。斷裂西段(茄子弄—滾沒段)，北盤出露中元古—新元古代念青唐古拉巖群，漸新—中新世大竹卡組磨拉石沉積和白堊紀島弧花崗巖；南盤為朗縣混雜巖。斷裂帶發(fā)育寬50～100 m之韌性剪切帶，由糜棱巖、糜棱片巖、糜棱巖化巖石和碎裂巖組成，發(fā)育露頭尺度的相似褶皺、不協(xié)調褶皺、傾豎褶皺，出現(xiàn)了S—C組構和礦物拉抻線理、布丁構造、桿狀構造、鉤狀構造、長英質旋轉碎斑及其雁行狀排列等小型變形構造，以及“I”型面理置換，面理總體近東西向。斷裂面傾向南、南西，傾角50°～70°，早期為左旋走滑，晚期形成高角度向南傾、南盤向北逆沖的逆斷層兼走滑性質。該斷裂經(jīng)歷了韌性剪切—脆性擠壓破碎等多期次、多層次的活動，東段呈北東向(其距離擬建電站最近約7 km)，北西盤為中元古—新元古代念青唐古拉巖群，南東盤為雅魯藏布江蛇綠混雜巖，其西被奪松—比丁斷裂切錯，東被第四系掩蓋，斷續(xù)延長達45 km以上。沿斷裂發(fā)育30～50 m寬的韌性剪切帶，巖石具變余糜棱結構；根據(jù)《喜馬拉雅東部大拐彎地區(qū)地殼形變，深部過程與高原隆升關系研究》(成都地礦所2001年)，在崗嘎大橋一帶，糜棱巖發(fā)育2期結構，其早期是左旋走滑；晚期為上盤(北西盤)向北西滑落，顯示了伸展剝離的特征。在衛(wèi)星照片上沿此斷裂水系和山脊發(fā)生局部的位移也顯示左旋走滑的特點，衛(wèi)星照片影像表現(xiàn)為密集剪切帶和均一的色調。綜上所述，雅魯藏布江結合帶北界斷裂在測區(qū)東西兩段均顯示多期、多層次活動特點，而斷層面產(chǎn)狀東、西兩段不一致則可能反映了斷裂晚期活動應力效應的差異，西段晚期逆斷裂性質是印度板塊持續(xù)向北推擠的結果，而東段顯示的北西盤下滑則可能與南迦巴瓦地區(qū)的基底快速隆升有關[6]。

F2斷裂距離擬建電站距離較遠，位于上游河段約30 km，為區(qū)域二級斷裂，全新世以來具有活動性。斷裂近南北向延伸，由北向南斷裂走向呈略顯彎曲狀，在南部則轉向南東，呈一向南西突出的弧形，長達100 km以上。其影像顯連續(xù)線狀色調異常和束狀、帶狀色塊異常。斷裂北部延入工布江達斷隆帶，并發(fā)育100～200 m破碎蝕變帶，碎裂巖、碎粒巖呈帶狀分布，碳酸鹽化、絹云母化、綠泥石化、硅化、綠簾石化強烈。斷裂面北段傾向西，傾角70°以上，南端傾向南西，傾角變緩呈±∠45°，為一西盤下降東盤上升的正斷層[6]。

1.2 現(xiàn)今構造運動特征

電站區(qū)域內自中新—漸新世急劇造山，隨印度陸塊在喜馬拉雅南麓—西瓦里克發(fā)生陸內俯沖，使青藏高原急劇隆升，在本區(qū)表現(xiàn)為上新世末以來多次抬升所形成的各級夷平面和活動斷裂、地震、水熱的活動，以及冰川、河流階地的形成。

其中區(qū)內活動斷裂有第四紀以來的新生斷裂，又有繼承性活動的老斷裂。具有多期性、繼承性和新生性的特點。第四紀新生斷裂在工布江達縣伍樓崗、林芝縣達則、米林縣黨紐窩等地的第四系中均有發(fā)現(xiàn)，斷裂均具正斷層性質，傾角60°～70°，發(fā)育牽引褶曲，沉積層錯距20～50 cm。東西向F1斷裂和巴拉劣果—列木切斷裂、珞巴村—來果橋斷裂具有較為明顯的活動斷裂特征，表現(xiàn)為沿雅魯藏布江河谷持續(xù)的斷陷作用，形成了更新世以來的4級階地，最高階地高出河面100～150 m，形成于更新世，最低階地高出河面3～20 m，形成于全新世。在雅魯藏布江河谷及南北向斷裂帶的工字弄、納伊普曲中常發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質災害。在吉普見有沿斷裂帶分布的溫泉，地震是現(xiàn)代地殼活動的直接證據(jù)和主要表現(xiàn)形式。據(jù)歷史資料記載，本區(qū)及波及本區(qū)的6級以上的大地震有9次。林芝曾發(fā)生過6.25級大地震，1950年米林又發(fā)生過2次6級以上地震，特別是1950年8月15日發(fā)生的8.6級察隅—墨脫地震，是我國記錄到的第一特大地震。綜上所述，新構造動動在測區(qū)表現(xiàn)強烈，其特點是以斷裂復活，大面積整體間歇性掀斜抬升、垂直差異升降運動及水平運動、地震、水熱活動為標志，具有繼承性、新生性和節(jié)奏性。區(qū)內眾多的冰川地貌、夷平面、河流階地、近東西向及南北向的深切河谷、溫泉、地震等都是新構造運動的產(chǎn)物[6]。

2 區(qū)域地質構造發(fā)展史

在深入研究區(qū)內各時代各期次沉積作用、火山活動、巖漿侵入、變質作用、構造變動以及地球物理資料的基礎上，結合鄰區(qū)資料分析，在區(qū)內劃分出5個變形期:泛非造殼期、克拉通化期、板內調整擴張期、洋殼消減閉合期和伸展隆升期。

根據(jù)上述變形期次的劃分和發(fā)育的其他地質事件，按照板塊構造理論將調查區(qū)地質構造演化劃分為6個階段:克拉通化階段、克拉通階段、雅魯藏布江洋盆擴張階段、俯沖消減階段、閉合-碰撞階段和伸展隆升階段[6]。

3 地應力測試方法及測試結果特征

工程中常用巖體應力測量方法有孔徑變形法、孔壁應變法、孔底應變法、水壓致裂法等，各種測量方法適用性有所不同并各有利弊[2-3]。本次測試采用了孔徑變形法，孔徑變形法是采用三孔交匯，即在測試的巖體中，鉆取3個不同方向相交的鉆孔，在鉆孔中套鉆應力解除時量測孔徑變形，根據(jù)孔徑變形與應力之間的理論關系式，最后求出測點處的巖體三維應力狀態(tài)。

現(xiàn)場地應力的測試過程也就是應力解除過程，一般判定某測試段成功與否，是看其應力解除過程中是否滿足或接近解除深度與釋放應變典型曲線形式，典型曲線可劃分為4個階段，如圖1所示。

圖1 測試成果典型解除曲線

Ⅰ區(qū):為無應力影響區(qū)，應力解除深度尚影響不到測量元件的變化。

Ⅱ區(qū):為應力集中區(qū)，由套鉆解除引起的應力集中。

Ⅲ區(qū):為應力釋放區(qū)，隨著應力解除深度的增加，在第Ⅱ階段應力集中所產(chǎn)生的附加應變自行消失，解除應變逐漸增大。附加應變對取值并無影響，初始值仍按原坐標零點計算。

有前車之鑒，陳副部長能不謹慎。公、檢、法這些部門復雜，宣傳部敢弄個作家去那里？又不是一個系統(tǒng)，別人不罵娘？要遲恒考慮一下其他部門，遲恒就勢提出去報社，陳副部長趕緊點頭。

Ⅳ區(qū):應變穩(wěn)定區(qū)。隨著解除深度的增加，測點應力達到完全解除，解除應變趨于穩(wěn)定。

在擬建電站一平硐內不同埋深處共進行了4組試驗，其巖體空間應力測試成果見表1，測點處水平面上平面主應力成果見表2。

表1 巖體空間應力測試結果

表2 測點處水平面上平面主應力及鉛直應力分量計算結果

1號測點水平埋深約530 m，巖體完整，巖性為超基性巖，具備良好的蓄能條件。應力測試成果:

σ1=21.7 MPa，方位角為145.2°，傾角為41.3°；

σ2=12.2 MPa，方位角為244.1°，傾角為9.9°；

σ3=10.2 MPa，方位角為344.9°，傾角為47.0°；

2號測點水平埋深約450 m，鉆孔巖芯較完整，巖性為超基性巖。應力測試成果:

σ1=19.9 MPa，方位角為175.3°，傾角為36.4°。

σ3=5.2 MPa，方位角為71.4°，傾角為18.1°。

3號測點水平埋深約355 m，鉆孔巖芯較完整，巖性為超基性巖。應力測試成果:

σ1=10.0 MPa，方位角為164.1°，傾角為38.5°。

σ2=7.3 MPa，方位角為302.0°，傾角為43.0°。

σ3=3.1 MPa，方位角為54.8°，傾角為22.6°。

4號測點水平埋深約200 m，機窩處巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，鉆孔巖芯較破碎，取芯較困難，巖性為超基性巖。應力測試成果:

σ1=6.9 MPa，方位角為129.2°，傾角為48.9°。

σ2=3.2 MPa，方位角為320.7°，傾角為40.5°。

σ3=1.2 MPa，方位角為45.8°，傾角為-5.7°。

根據(jù)地應力測試結果分析，1號測點巖體十分完整，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其余3組受巖芯較短等因素影響數(shù)據(jù)有一定離散度，但總體測試成果可靠。1號測點處σ1量值最大為21.7MPa，此位置附近巖石的飽和單軸抗壓強度值為80～110 MPa，巖石強度應力比介于3.7～5之間，屬中等偏高應力。隨埋深變淺，σ1量值降低，水平埋深400 m以外量值降低較快，4號測點處(水平埋深為319.5 m)巖體較破碎，主應力值較小，σ1為6.90 MPa。4組測試成果統(tǒng)計σ1:σ2:σ3=1:0.43～0.73:0.17～0.47。

根據(jù)測點處水平面上平面主應力及鉛直應力分量結果表明：埋深淺時，鉛直應力分量與其水平面上的平面最大主應力的比值大于1，說明埋深淺時自重應力在地應力中占主要作用；隨著埋深加大，鉛直應力分量與其水平面上的平面最大主應力的比值總體趨勢在降低，說明隨埋深加大，自重應力在地應力中的作用在減弱而構造應力作用在增強。

4 地應力測試結果與地質構造的關系

本次共進行了4組試驗，從測試成果來看，1號測點巖體十分完整，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其余3組受巖芯較短等因素影響數(shù)據(jù)有一定離散度，但總體測試成果可靠。4組測試成果中最大主應力σ1方向為N14.7°～50.8°W。傾角為36.4°～ 48.9°，均大于30°。

地應力測試區(qū)域附近存在的兩組區(qū)域性斷裂F1及F2，其中F1為區(qū)域一級斷裂，距離地應力測點約7 km，距離較近，主體走向NE，傾向NW；F2為區(qū)域二級斷裂，距離地應力測點約30 km，距離稍遠，主體走向NNW，傾向SW。

從測試結果看，4組測點最大主應力方向同距離較近的區(qū)域一級斷裂F1的傾向相近，測點處應力受F1斷裂影響更大些。

5 結 論

依托某擬建電站采用孔徑變形法于一處勘探平洞內進行了地應力測試，分析了地應力測試結果及其與電站區(qū)域地質構造的關系，得到了以下結論:

(1)地下硐室埋深較淺時，自重應力在地應力中起主要作用，隨著地下硐室埋深增加，鉛垂應力與最大水平應力的比值總體呈現(xiàn)降低趨勢，自重應力在地應力中的作用在減弱，而構造應力作用在增強。

(2)該電站附近應力場受距離電站較近、斷裂規(guī)模較大的F1斷裂影響較大，最大主應力方向同主要斷裂的傾向方向大致相同。

(3)地應力最大主應力方向同區(qū)域地質構造之間存在聯(lián)系，主要受區(qū)域地質構造影響。

(4)工程建設工作在研究地應力問題時，需要重視對區(qū)域地質，特別是區(qū)域地質構造的研究。