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(shè)計研究院有限公司，青海 西寧 810001； 2.青海大學(xué)土木工程學(xué)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(yīng)力指地下巖石介質(zhì)各個部分間通過接觸而相互作用的力，地應(yīng)力研究是地球動力學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)之一，在研究構(gòu)造運動、探討成礦規(guī)律、地震成因以及諸多工程建設(shè)中，需要了解地殼淺層的應(yīng)力狀態(tài)[1]。地應(yīng)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(yīng)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(jié)果相對準(zhǔn)確等優(yōu)點。

目前，國內(nèi)地應(yīng)力研究測試深度達(dá)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(yīng)力研究相對較少，且深部地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)相對空白。拉脊山地區(qū)在大地構(gòu)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(yīng)力測試結(jié)果，對拉脊山引水隧洞超深鉆孔中獲取的深部地應(yīng)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(yīng)力變化的一般規(guī)律及特征,研究結(jié)果可為青藏地區(qū)地應(yīng)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(gòu)造單元上屬祁連加里東皺褶帶，二級構(gòu)造單元為拉脊山優(yōu)地槽帶，其南、北分別為二級構(gòu)造單元中祁連中間隆起帶、南祁連冒地槽帶。區(qū)內(nèi)構(gòu)造較為復(fù)雜，總體構(gòu)造方向以北西向為主。區(qū)域內(nèi)主要斷裂有拉脊山深大斷裂(南北兩側(cè))、青海南山—文都大寺深大斷裂、祁連山深大斷裂(南、北兩側(cè))、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(nèi)主斷裂延伸方向多以北西向為主，與區(qū)域構(gòu)造方向基本相同。

1.2近場區(qū)水電站地應(yīng)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(yīng)力實測數(shù)據(jù)[6-13]見表1。

表1 近場區(qū)項目地應(yīng)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(yīng)力方向多發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但近場區(qū)應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主，方向以北東向為主，區(qū)內(nèi)最大實測主應(yīng)力方向與構(gòu)造線形跡多呈垂直狀。近場區(qū)地應(yīng)力最大測試深度為278 m，最大主應(yīng)力與測試深度的相關(guān)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(jié)果統(tǒng)計，埋深小于100 m時，最大主應(yīng)力為 5.57～9.96 MPa；埋深130～278 m時，最大主應(yīng)力為4.80～16.69 MPa。受褶皺帶及斷裂帶影響，地應(yīng)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(guān)。

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

2 地應(yīng)力數(shù)值模擬預(yù)測

2.1區(qū)域地應(yīng)力數(shù)值模擬方法本次數(shù)值模擬，在區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力實測數(shù)據(jù)的分析基礎(chǔ)上，對研究邊界加以不同初始量值，并與已測地應(yīng)力值進行擬合，最終選取相對合理數(shù)值進行區(qū)域內(nèi)地應(yīng)力數(shù)值模擬[14]，得出拉脊山地區(qū)淺部地應(yīng)力預(yù)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(zhì)條件與區(qū)域構(gòu)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(nèi)地層變化大，地質(zhì)構(gòu)造相對復(fù)雜，因此數(shù)值模擬時對研究范圍內(nèi)地層及構(gòu)造進行了適當(dāng)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(jì)；(2)三疊紀(jì)—侏羅紀(jì)；(3)第三紀(jì)。構(gòu)造方面考慮主要的深大斷裂：F1—拉脊山深大斷裂(南北兩側(cè))；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(cè))；F4—鄂拉山深大斷裂，以及區(qū)內(nèi)一些較大的斷裂。

根據(jù)區(qū)域內(nèi)主應(yīng)力特征，在應(yīng)力場方向NE30°～NE55°的范圍內(nèi)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(shè)定為光滑約束。

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

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

2.4區(qū)域地應(yīng)力場主應(yīng)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(yīng)力場的有限元計算，經(jīng)過計算后獲得區(qū)內(nèi)各地段的應(yīng)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(yīng)力及剪應(yīng)力見表4。從表中可以看出：①、②組的荷載組合下，其應(yīng)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(yīng)力值與龍羊峽水電站、李家峽水電站處測點的參考主應(yīng)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(jié)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(yīng)力值，取兩種情況的平均值作為初步擬合的應(yīng)力值。

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

2.5擬合結(jié)果以李家峽、龍羊峽、拉西瓦3個水電站獲得的地應(yīng)力量值作為基本的測試值，再經(jīng)邊坡頂部巖體自重影響引起的水平應(yīng)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(yīng)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(jié)果主要表征的是100～200 m深度時的最大應(yīng)力量值。

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

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

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

2.6深部地應(yīng)力預(yù)測由拉脊山地區(qū)地應(yīng)力場數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)?shù)孛媛裆顬?10 m時，最大主應(yīng)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(yīng)力分布規(guī)律研究[15]的回歸公式及國內(nèi)實測地應(yīng)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(yīng)力量值計算，計算結(jié)果見表6。

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

3 地應(yīng)力實測結(jié)果及可靠性分析

3.1水壓致裂法簡介水壓致裂法地應(yīng)力測量的試驗設(shè)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(yīng)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(yīng)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(guān)泵，量測瞬時關(guān)閉壓力。(3)放水卸壓，重復(fù)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(chǎn)生于最大主應(yīng)力方向。根據(jù)量測得到的破裂壓力、關(guān)閉壓力、重張壓力及巖體內(nèi)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(xué)平面問題進行最大、最小主應(yīng)力計算[17-18]。

3.2地應(yīng)力實測結(jié)果對拉脊山引水隧洞勘探深孔地應(yīng)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(nèi)獲取的巖芯完整程度及孔內(nèi)電視攝像情況適當(dāng)進行調(diào)整，選取較為完整的巖體部位作為水壓致裂法地應(yīng)力試驗點進行測試，測試結(jié)果見表7。

表7 拉脊山地區(qū)地應(yīng)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(jié)合近場區(qū)所處地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)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(yīng)力實測資料(表1)，對拉脊山地區(qū)地應(yīng)力分布進行工程類比分析和判斷，地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)力實測資料對比情況見表8。

表8 臨近工程地質(zhì)構(gòu)造及地應(yīng)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(gòu)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(gòu)造格局均受NW向拉脊山構(gòu)造帶控制，但場區(qū)地質(zhì)構(gòu)造有所差異。根據(jù)工程類比，對拉脊山引水隧洞地應(yīng)力特征分析判斷如下：

(1)最大主應(yīng)力方向。拉西瓦水電站最大主應(yīng)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(zhuǎn)呈北西向；李家峽水電站最大主應(yīng)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(zhuǎn)呈北西向；龍羊峽水電站最大主應(yīng)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(nèi)最大主應(yīng)力方向呈北東向，局部受構(gòu)造影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。由此初步綜合判斷拉脊山地區(qū)最大主應(yīng)力方向呈北東向，該方向與上述地應(yīng)力實測方向基本一致。

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

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

4 討論與結(jié)論

本研究得出的拉脊山地區(qū)淺部地應(yīng)力實測值較景鋒等[4]研究的國內(nèi)實測地應(yīng)力分布規(guī)律的線性回歸公式計算結(jié)果偏小，其主要影響因素是淺部地應(yīng)力受深切河谷卸荷影響較大。深部地應(yīng)力實測量值與計算結(jié)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(yīng)力測試手段是合理可靠的。拉脊山地區(qū)最大主應(yīng)力方向北東向，與祁連加里東大地構(gòu)造單元內(nèi)主應(yīng)力方向相同，與郭搖[19]等的研究結(jié)論一致(拉脊山地區(qū)最大地應(yīng)力方向呈北東向，與區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造線方向近垂直)。區(qū)內(nèi)深部地應(yīng)力場以水平構(gòu)造應(yīng)力場為主，其量值隨深度增加而增加，與埋深相關(guān)性較好，在埋深900 m以內(nèi)其量值為6～27 MPa；經(jīng)可靠性分析，超深鉆孔水壓劈裂法測試的應(yīng)力成果是相對準(zhǔn)確的，因此研究成果對祁連加里東構(gòu)造單元內(nèi)的地應(yīng)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(zhì)構(gòu)造研究的基礎(chǔ)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(yīng)力測試結(jié)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(guān)系有待于進一步研究分析。