王章瓊，晏鄂川，魯功達(dá)，高連通，張頎明，唐睿旋

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，武漢 430074)

1 引 言

地下水封洞庫是油氣資源儲(chǔ)備的重要方式之一，目前我國地下水封洞庫的建設(shè)方興未艾，預(yù)計(jì)未來還將建設(shè)更多的地下水封洞庫[1]。地應(yīng)力不僅影響地下洞室圍巖穩(wěn)定性，也對(duì)洞室群軸線的布置方向、洞室斷面選擇及洞室埋深、間距等起制約作用[2]，因此，開展地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力測(cè)量及分析地應(yīng)力場(chǎng)分布特征，對(duì)地下水封洞庫圍巖穩(wěn)定性控制具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

對(duì)于地應(yīng)力測(cè)量及地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究，并取得了諸多有價(jià)值的成果。Brown 等[3]通過統(tǒng)計(jì)世界不同地區(qū)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，總結(jié)了垂直應(yīng)力、水平平均主應(yīng)力與垂直應(yīng)力之比隨埋深的分布規(guī)律，該成果在全球范圍內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。趙德安等[4]通過查閱中國現(xiàn)有地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，統(tǒng)計(jì)分析了中國地應(yīng)力場(chǎng)分布規(guī)律，并將地應(yīng)力隨深度分布曲線與霍克-布朗曲線進(jìn)行了比較。景鋒等[5]通過收集中國大陸地區(qū)大量地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，分析了我國淺層地應(yīng)力隨深度變化規(guī)律，建立了巖漿巖、沉積巖和變質(zhì)巖中地應(yīng)力隨埋深分布散點(diǎn)圖，并總結(jié)了不同地質(zhì)成因的巖石地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律[6]。李新平等[7]根據(jù)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，研究了我國大陸深部地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律，并進(jìn)行了回歸分析。文獻(xiàn)[8-13]研究了我國局部地區(qū)地應(yīng)力分布規(guī)律，并探討了地質(zhì)構(gòu)造和地應(yīng)力的關(guān)系。

有關(guān)地下水封洞庫地應(yīng)力方面的研究較少，王成虎等[14]探討和分析了錦州地下水封油庫地應(yīng)力分布規(guī)律及其對(duì)洞庫穩(wěn)定性的影響。楊峰[15]統(tǒng)計(jì)分析了惠州地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力隨埋深變化的基本特征。

由于實(shí)測(cè)資料匱乏，對(duì)地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)的研究較少，且不夠系統(tǒng)，難以得到較全面反映地下水封洞庫庫址區(qū)應(yīng)力場(chǎng)分布特征的結(jié)論。本文通過筆者實(shí)際參與的煙臺(tái)、黃島、湛江及搜集到的惠州、錦州、大連等在建和已建成的國內(nèi)地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料，系統(tǒng)分析和總結(jié)我國地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)特征及規(guī)律。

2 庫址區(qū)巖性及構(gòu)造條件分析

2.1 建庫圍巖巖組

景峰等[6]認(rèn)為，不同地質(zhì)成因(巖漿巖、沉積巖、變質(zhì)巖)的巖石中地應(yīng)力分布規(guī)律存在一定差異?？导t普等[16]認(rèn)為，地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的一致性與巖體的完整性、堅(jiān)硬程度有關(guān)，巖體完整性越好、越堅(jiān)硬，則地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)一致性越好。

筆者對(duì)煙臺(tái)、黃島、湛江、惠州、錦州、大連等地下洞庫圍巖巖性統(tǒng)計(jì)后發(fā)現(xiàn)，目前我國地下水封洞庫圍巖主要為花崗巖和淺變質(zhì)花崗巖，見表1。這一類巖組屬硬質(zhì)巖，且?guī)r體完整性較好，巖體質(zhì)量普遍較好，90%以上的巖體質(zhì)量評(píng)價(jià)結(jié)果為II 級(jí)及以上，巖性及巖體完整性對(duì)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果的影響較小。

表1 我國地下水封洞庫圍巖主要巖性[2]Table 1 Main lithology of surrounding rock of underground water-sealed storage cavern in China[2]

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

已有的研究表明，地應(yīng)力場(chǎng)與地質(zhì)構(gòu)造關(guān)系密切[9,13,17]，大斷層會(huì)引起地應(yīng)力大小的變化及最大水平主應(yīng)力方向的扭轉(zhuǎn)[16]。實(shí)際上，根據(jù)水封油庫工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)定[18]，在地下水封洞庫規(guī)劃選址時(shí)會(huì)避開地質(zhì)構(gòu)造較為發(fā)育的地區(qū)。因此，大規(guī)模地質(zhì)構(gòu)造對(duì)地下水封洞庫地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的影響較小。

綜上，統(tǒng)計(jì)分析中的煙臺(tái)、黃島、湛江、惠州、錦州及大連等地的地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力賦存的地質(zhì)環(huán)境相似度較高，地應(yīng)力具有統(tǒng)計(jì)意義。

3 地應(yīng)力資料

3.1 地應(yīng)力量測(cè)方法

地應(yīng)力的量測(cè)方法有多種，如水壓致裂法、應(yīng)力解除法、應(yīng)力恢復(fù)法、Kaiser 效應(yīng)法和鉆孔崩落法[5]等，其中，水壓致裂法因操作簡(jiǎn)單、測(cè)值穩(wěn)定、可同時(shí)獲得最大和最小水平主應(yīng)力以及方位等優(yōu)點(diǎn)，得到廣泛應(yīng)用[17]。本文統(tǒng)計(jì)的煙臺(tái)、黃島、湛江、惠州、錦州、大連等地下洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力資料，均由水壓致裂法獲得。

3.2 地應(yīng)力資料的搜集和篩選

地應(yīng)力資料主要來自于本課題組參與的山東煙臺(tái)、黃島及廣東湛江地下水封洞庫項(xiàng)目勘察報(bào)告，惠州、錦州、大連地下水封洞庫的地應(yīng)力資料來源于已公開發(fā)表的文獻(xiàn)[14-15,19]。

盡量保證選取的地應(yīng)力數(shù)據(jù)具有廣泛代表性，當(dāng)某一洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)較多時(shí)，選取部分有代表性的點(diǎn)；當(dāng)庫址區(qū)地形地貌或局部地質(zhì)條件復(fù)雜時(shí)，選取埋深較大點(diǎn)的數(shù)據(jù)，本次最后選取了76個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)作為統(tǒng)計(jì)樣本。

4 實(shí)測(cè)地應(yīng)力統(tǒng)計(jì)分析

國內(nèi)地下水封洞庫設(shè)計(jì)埋深一般不超過300 m，勘察時(shí)地應(yīng)力測(cè)試深度也較小，多在300 m 之內(nèi)，最大深度為399.2 m，屬淺部地應(yīng)力。

4.1 垂直應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律

垂直主應(yīng)力隨埋深分布情況如圖1 所示。由圖可見，垂直主應(yīng)力 vσ 整體上與埋深H 呈線性關(guān)系，少數(shù)點(diǎn)離散性大。處于同一埋深的地應(yīng)力值變化范圍較小，不超過1.5 MPa，反映出地形地貌、局部地質(zhì)構(gòu)造等差別。埋深不超過140 m時(shí)，散點(diǎn)圖較離散；當(dāng)埋深大于140 m時(shí)，線性關(guān)系十分明顯。

圖1 垂直主應(yīng)力隨埋深分布Fig.1 Distribution of σvwith depth

根據(jù)前人的研究成果，可對(duì)垂直主應(yīng)力數(shù)據(jù)與埋深進(jìn)行線性回歸，其結(jié)果可表示為

由式（1）可知，垂直地應(yīng)力與埋深的線性關(guān)系明顯，回歸相關(guān)性較好。線性回歸式中存在量值較小的常數(shù)項(xiàng)，主要原因是局部斷層及地形的影響。

Brown 和Hoek 統(tǒng)計(jì)的全球?qū)崪y(cè)地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律關(guān)系式[3]為

由式（1）、（2）可知，我國地下水封洞庫庫址區(qū)淺部垂直地應(yīng)力和埋深分布規(guī)律與全球?qū)崪y(cè)地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律較為接近，但式（1）中含有一個(gè)正的常數(shù)項(xiàng)，且應(yīng)力變化梯度（即力與埋深回歸分析式中的乘積項(xiàng)系數(shù)，表征應(yīng)力大小隨埋深變化的大小程度略小于式（2））。從數(shù)值上看，垂直應(yīng)力略大于上覆巖體自重，隨著深度增加，差別越來越小，表明淺部垂直應(yīng)力主要由上覆巖體自重引起，同時(shí)還受到淺部地質(zhì)構(gòu)造、地表剝蝕、巖體各向異性等因素的影響。

4.2 水平應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律

我國地下水封洞庫庫址區(qū)淺部水平主應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律如圖2 所示。由圖可見，我國地下水封洞庫庫址區(qū)淺部最大水平主應(yīng)力 Hσ、最小水平主應(yīng)力 hσ 總體上隨深度的增大而增大，散點(diǎn)主要分布在一個(gè)平行的傾斜帶內(nèi)。對(duì)比圖2 和圖3 可以看出，同一深度H 處，最大水平主應(yīng)力 Hσ 與最小水平主應(yīng)力 hσ 的差值較大，表明水平主應(yīng)力具有較強(qiáng)的方向性。同一深度下，Hσ 的變化范圍明顯大于 hσ 的變化范圍，前者基本保持在3.4 MPa 左右，后者基本保持在1.2 MPa 左右。在230 m 深度范圍之內(nèi)，水平主應(yīng)力的離散性較強(qiáng)；H＞230 m時(shí)，水平主應(yīng)力的分布相對(duì)集中，可能與230 m 深度以下的統(tǒng)計(jì)樣本較少有關(guān)。

Fig.2 最大和最小水平主應(yīng)力隨埋深分布Fig.2 Distribution of σHand σhwith depths

分別對(duì)圖2 和圖3 中散點(diǎn)圖進(jìn)行線性回歸，得到水平主應(yīng)力大小與埋深的線性表達(dá)式：

σh及σh的線性回歸式中均存在一定量值的常數(shù)項(xiàng)，表明我國地下水封洞庫庫址區(qū)地殼淺部存在較大的水平應(yīng)力，導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因可能是水平構(gòu)造應(yīng)力和地形。

朱煥春等[20]、景鋒等[6]分別對(duì)世界范圍及我國全國范圍內(nèi)不同地質(zhì)成因的巖石中水平地應(yīng)力隨埋深分布規(guī)律進(jìn)行回歸分析，其中巖漿巖類線性回歸公式，朱煥春公式為式（5），景鋒公式為式（6）

對(duì)比我國地下水封洞庫庫址區(qū)水平主應(yīng)力統(tǒng)計(jì)結(jié)果和世界范圍及我國全國范圍統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，三者的變化規(guī)律基本一致，即最大水平主應(yīng)力公式的應(yīng)力變化梯度和常數(shù)項(xiàng)均大于最小水平應(yīng)力公式，但三者的回歸結(jié)果中，應(yīng)力變化梯度和常數(shù)項(xiàng)差別較大，其中，我國地下水封洞庫庫址區(qū)最大水平主應(yīng)力變化梯度與后二者相對(duì)差分別為28.5%、31.4%，最小水平主應(yīng)力變化梯度與后兩者相對(duì)差分別為21.1%、19.3%。

4.3 側(cè)壓比隨埋深分布規(guī)律

側(cè)壓比k 是平均水平主應(yīng)力與垂直主應(yīng)力的比值，常用于描述點(diǎn)的應(yīng)力狀態(tài)。Brown 等曾用最大水平主應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力均值與垂直主應(yīng)力的比值來研究水平地應(yīng)力分布規(guī)律，即k=(σH+σh)/2σv。

我國地下水封洞庫庫址區(qū)側(cè)壓比k 隨埋深分 布情況如圖4 所示。k 值分布范圍為1.23～4.33，200 m以上的深度范圍內(nèi)，k 值分布較為分散，主要分布在1.71～4.33 之間；200 m 以下的深度范圍內(nèi)，k 值分布較為集中，主要分布在1.23～1.87 之間，且隨著深度的增大，有逐漸收斂的趨勢(shì)。

本文采用與Brown等類似的公式形式進(jìn)行回歸分析，公式為

式中：a、b 均為回歸系數(shù)。

經(jīng)回歸分析，得到側(cè)壓比系數(shù)隨埋深變化的關(guān)系曲線：

我國地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力側(cè)壓比整體在式（9）之間。

圖3 側(cè)壓比隨埋深分布Fig.3 Variations of the lateral pressure ratio k with depth

對(duì)比式（2）中第1 式和式（9）可知，我國地下水封洞庫庫址區(qū)地應(yīng)力側(cè)壓比分布范圍在Brown和Hoek 統(tǒng)計(jì)得到的全球地應(yīng)力側(cè)壓比系數(shù)隨埋深分布包絡(luò)線之間，與全球側(cè)壓比分布規(guī)律較接近。

5 結(jié) 論

（1）我國大陸地區(qū)地下水封洞庫庫址區(qū)淺部地應(yīng)力總體上隨埋深增大而增大，σv與H 線性關(guān)系良好。與Hoek-Brown 統(tǒng)計(jì)的世界范圍內(nèi)地應(yīng)力分布規(guī)律相比，σv的線性關(guān)系式中含有一大于0 的常數(shù)項(xiàng)，且應(yīng)力變化梯度略小于Hoek-Brown 關(guān)系式中的0.027。

（2）σH及σh整體上隨深度增大而線性增大，散點(diǎn)主要分布在一個(gè)傾斜的平行帶內(nèi)。同一深度處，最大、最小水平主應(yīng)力的變化范圍分別基本保持在3.4 MPa 和1.2 MPa 左右。水平主應(yīng)力回歸式中含有常數(shù)項(xiàng)，說明水平應(yīng)力較為顯著。

（3）側(cè)壓比分布范圍主要集中在1.23～4.33 之間。200 m 以上的深度范圍內(nèi)，k 值分布較為分散；200 m 以下較為集中。隨著深度的增大，k 值分布有逐漸收斂的趨勢(shì)。側(cè)壓比分布包絡(luò)線位于Hoek-Brown 包絡(luò)線之內(nèi)，與全球分布規(guī)律較為接近。

由于目前我國地下水封洞庫建設(shè)規(guī)模較小，獲取的地應(yīng)力數(shù)據(jù)有限，本文所統(tǒng)計(jì)的結(jié)果不可避免地受到地形條件、局部地質(zhì)構(gòu)造的影響。通過對(duì)多個(gè)不同地區(qū)具有類似建庫地質(zhì)條件的巖體地應(yīng)力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，得出較為系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)，可為我國地下水封洞庫的建設(shè)提供參考。

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