新疆某抽水蓄能电站场地初始地应力测试与分析

王兆云

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

新疆某抽水蓄能电站场地初始地应力测试与分析

王兆云*

（新疆水利水电勘测设计研究院，新疆乌鲁木齐830000）

通过对场地地应力测试成果的分析，研究某抽水蓄能电站场地地应力的分布规律，分析阐述了场地深部水平地应力量值、最大水平主应力方向及地应力受地表剥蚀影响的变化特征，并综合得出场地深部水平地应力的回归线性特征，为工程建筑物布置提供依据。

初始地应力；抽水蓄能；回归分析

地应力是存在于地层中的未受工程扰动的天然应力，也称岩体初始应力、绝对应力或原岩应力。产生地应力的原因是十分复杂的，也是至今尚不十分清楚的问题。数十年来的实测和理论分析表明，地应力的形成主要与地球的各种动力运动过程有关，其中包括板块边界受压、地慢热对流、地球内应力、地心引力、地球旋转、岩浆侵入和地壳非均匀扩容等。另外，温度不均、水压梯度、地表剥蚀或其它物理化学变化等也可引起相应的应力场变化[1]。

1 场地地质概况

场地位于博罗科努山南坡，博罗科努山走向近东西，海拔一般2000～3500m，相对高差300～800m，基岩裸露，基岩岩性上部为石炭系色凝灰岩，厚度几十米，岩质坚硬，中厚层状，下部为华力西晚期侵入花岗岩。区内近南北向大小冲沟发育，呈深峡谷或冰川形成的“V”型谷，厂址布置于阿克沟左岸，冲沟切割深度200～300m。厂址南侧为尼勒克盆地，盆地底部主要沉积第四系覆盖层和第三系地层泥岩。

场地在新构造运动上处于天山强烈隆起区的北天山隆起带，南侧以伊犁盆地北缘断裂为界与伊犁坳陷区的尼勒克断陷盆地为邻，北天山隆起带最大隆起幅度达3000m以上，中第四纪隆起幅度达450m，隆起轴在北天山主峰一带，隆起轴走向为NWW向，地貌构成博罗科努山。厂址距伊犁盆地北缘断裂约1.0km，伊犁盆地北缘断裂为全新世活动断裂。

2 厂址地应力测试成果

针对电站发电系统水头的分布情况，在电站高水头洞段和地下厂房各布置一个钻孔，在钻孔内采用岩体水压劈裂试验进行地应力测量，其中ZK7号钻孔（深度315m）位于引水洞高水头段，ZK8号钻孔（550m）位于地下厂房处，测试结果见图1。另外，分析还参考了场区西侧同一构造单元某引水工程ZK3号钻孔的地应力测试成果。

图1 实测水平主应力与埋深关系图

钻孔ZK7在埋深180m以上量值分布较为离散，这可能受冲沟地形影响；在大于埋深180m时，水平主应力量值随埋深增加而增大的趋势较明显。而孔ZK8和ZK3分别在埋深350m和250m以上量值分布较为离散，这可能受局部断层构造影响。

从图1测试成果来看，ZK8主应力量值的相对大小在埋深350m以下，基本满足σH＞σz＞σh，ZK8最小水平应力（σh）远小于铅直应力（σz），最大水平主应力（σH）略大于铅直应力，侧压系数λ=0.9～1.1；ZK7主应力量值的相对大小基本满足σH＞σh＞σz，ZK7最小水平主应力接近铅直应力，深部甚至略大于铅直应力，最大水平主应力却远大于铅直应力，侧压系数λ=1.4～1.6；但ZK3全测试值呈现σH＞σh＞σz，表现为最大和最小水平主应力均远大于铅直应力，侧压系数λ=2.6～3.0，与前两者差别较大。但总体呈现应力场以水平主应力为主。

3 地表剥蚀对地应力的影响分析

3个孔的测试成果表明，水平主应力呈现σZK3＞σZK7＞σZk8，由于3个钻孔相距较近，同处同一构造单元，岩性差异不大。差别较大的是3个钻孔中ZK8处于岸坡山脊顶部，而ZK7和ZK3处于冲沟底部，其中ZK7处冲沟切割深度约150m，ZK3处冲沟切割深度约450m，说明场地谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显。

地形对原始地应力的影响是十分复杂的，初始地应力场的剥蚀理论实际上就是认为岩体中水平构造应力的残存是因为地形剥蚀，垂直应力释放，而水平应力未能充分释放的结果[2]。

本文分析假定冲沟两岸在地壳抬升过程中基本未剥蚀（即不考虑整体剥蚀），根据ZK7和ZK3所处冲沟的切割深度，将两钻孔处的地形恢复至河流剥蚀前山脊顶部基准面，即ZK7和ZK3上覆分别增加150m和450m的自重应力，而水平应力按未释放考虑，得到恢复地形后的水平主应力与埋深关系，如图2所示。

图2 地形修正后水平主应力与埋深关系图

从图2可以看出，ZK7深部主应力量值σH＞σz＞σh，最大水平主应力略大于铅直应力，侧压系数λ=0.88～1.09；ZK3深部主应力量值σH＞σz＞σh，最小水平主应力小于铅直应力，最大水平主应力大于铅直应力，侧压系数λ=1.16～1.3。说明在岩体因风化、侵蚀和水流冲刷搬运剥蚀下切形成冲沟后，由于岩体内的颗粒结构的变化和应力松驰赶不上这种变化，导致岩体内仍然存在着比地层厚度所引起的自重应力还要大得多的水平应力值，即在地表剥蚀下切过程中，对铅直应力影响大，释放较大，而对水平应力影响较小，释放较小，总体表明该区应力场中以水平应力为主。

4 最大水平主应力方向

场地区域现代构造应力场为主要受近SN向水平挤压力作用的地壳应力场，最大主压应力方向基本与区域构造线走向垂直，在近SN向水平挤压力的作用力下较容易产生走滑或逆断运动。址场地周围地区主压应力P轴方位为10°，最小应力T轴方位为100°。

测试成果表明，ZK7钻孔的最大水平主应力方向为N20°～40°E，与测区所处冲沟走向基本一致，主要呈NNE向；ZK8钻孔的最大水平主应力方向表部350m以上N67°～80°E，350m以下N40°～50°E，其中浅部由于受边坡地形影响，深部基本稳定为NE向；ZK3钻孔的最大水平主应力方向范围为N17°～35°E，主要呈NNE向。总体来看场区最大水平主应力方向集中为NNE—NE，表明区域构造形态对现今地应力场的特征有一定的控制性。

5 地应力回归分析

根据3钻孔地应力测试最大水平主应力（σH）与最小水平主应力（σh）量值进行线性回归，见图1，由图1可看出，3个钻孔的回归线性差异较大，因此认为，未经修正直接得到的回归曲线对整个场区的分析不具代表性。

根据3钻孔地形修正后最大水平主应力（σH）与最小水平主应力（σh）量值进行线性回归，见图2，由图2可看出，3个钻孔的修正后的回归线性差异不大，因此认为，地形修正后的地应力回归线性代表了场地深部的地应力分布特征，其岩石埋深（H）的线性回归关系为公式（1）。

由于ZK7孔180m以上、ZK8孔250m以上和ZK3孔250m以上测试地应力离散性较大未参与回归分析，故公式（1）只适用于场区深部地应力分析，且在分析求取深部地应力时对埋深（H）应进行地形剥蚀修正。

6 小结

（1）测试结果表明场区深部最大水平主应力大于铅直应力，以水平应力为主，且谷底是应力集中的部位，越靠近谷底应力集中越明显。

（2）场区在岩体因风化、侵蚀和水流冲刷搬运剥蚀下切过程中，对铅直应力影响大，释放较大，而对水平应力影响较小，释放较小。

（3）区域构造形态对现今地应力场的特征有一定的控制性，总体来看场区最大水平主应力方向集中为NNE—NE。

（4）根据回归分析认为，未经修正的直接得到的回归曲线对整个场区的分析不具代表性，地形修正后的地应力回归线性代表了场地深部的地应力分布特征，但在利用回归公式求取场区深部地应力时对埋深（H）应进行地形剥蚀修正。

[1] 苏生瑞，黄润秋，王士天.断裂构造对地应力场的影响及其工程应用[M].科学出版社，2002.

[2] 张宁.岩体初始地应力场发育规律研究[D].浙江大学硕士学位论文，2002.

P55

A

1004-5716(2015)02-0185-03

2014-12-19

王兆云（1975-），男（汉族），新疆木垒人，高级工程师，现从事工程地质水文地质工程勘察工作。