高地温高地应力下岩体初始地应力场反演分析

冉小东

摘 要 在高地温高地应力环境下，岩体初始地应力场可近似由重力应力场、构造应力场及温度应力场组成。而岩体温度应力场可结合地温梯度法并依据岩体热应力公式近似得到，再通過叠加原理将温度应力场叠加到重力及构造应力场中即可得到与高地温相符的岩体初始地应力场。本文为使反演得到的岩体初始地应力场更加符合实际，首次提出了考虑地温的岩体初始地应力场反演思路，以供参考。

关键词 岩石力学;高地温;高地应力;初始地应力场;反演;岩体

1岩体温度场的计算

通过数值模拟法计算山岭重丘区的岩体温度场时需给出数值模型的热边界条件，其可分为3类：

①给出边界的温度;②给出边界的热流密度;③给出边界与周围流体的对流换热系数及流体温度。

岩体表面是与空气的热对流进行热交换的，即岩体表面为第三类热边界条件，则需确定岩体表面的空气温度及岩体表面与空气的对流换热系数。由于山岭重丘区工程区域的海拔高差、面积一般较大，不同高程处的空气温度存在差异，且同一高程处的空气温度在不同季节也存在较大差异，故要获取整个工程区域岩体表面的空气温度可见是较为困难的。因此通过数值模拟法计算山岭重丘区岩体的温度场较难实现。而工程上近似计算岩体温度场应用十分广泛的地温梯度法如下所示[1]：

T = T0 + α（ H - h ）（1）T 为深度为H处的原岩温度（℃）;T0 为恒温带的温度（℃）;H 为埋深（m）;h 为恒温带离地表的距离（m）;α地温梯度（℃/（100m））。

式（1）的适用条件为：假定同种地层每一点各个方向的岩石导热系数都相同，且仅适用于浅部地壳。恒温带等岩体温度变化层带定义如下：

（1）变温带：在恒温带以上，离地表20～30m的地表层，其温度受太阳辐射而具有周期性变化，故变温带有日、月、年变化。

（2）恒温带：温度随时间基本没有变化的地层带，厚度3～5m，原因是在这地层附近大地热流和太阳的热辐射处于热流平衡状态。

（3）增温带：在恒温带以下，其地温不受地表温度周期性变化的影响，仅受大地热流作用，地温与深度呈正相关关系。

2岩体温度应力场的计算

由于岩体受大地热流作用而膨胀，加之周围岩体约束膨胀的岩体，进而在岩体内部产生热应力，即压缩应力。推算近似计算岩体的温度应力场：

σT = αβ  EZ   （2）σT 为岩体温度应力（MPa）;β为岩体的体膨胀系数（℃-1）;E为弹性模量（MPa），若有随埋深而变化的弹性模量等参数是最佳的;Z=H-h;α地温梯度（℃/（100m））。

3地温反演思路

如采用应力解除法测量原位地应力，则实测原位地应力在高地温环境下都包含温度应力，则需将全部实测原位地应力扣除温度应力后进行反演，然后再叠加式（2）的温度应力场。由于岩体重力应力场在地壳浅部呈非静水压力状态;且反演得到的构造应力场一般也呈非静水压力状态，故在反演过程中如果不考虑地温，则较难用重力应力场与构造应力场叠加等效得到温度应力场，因此有必要将实测原位地应力扣除温度应力后进行反演，然后再叠加式（2）的温度应力场[2]。

综上所述，在高地温环境下反演岩体的初始地应力场，需先将实测原位地应力扣除温度应力后进行反演，然后再叠加式（2）的温度应力场。

4结束语

岩体温度应力场呈静水压力状态，而岩体重力及构造应力场呈非静水压力状态，故较难用重力应力场和构造应力场叠加等效温度应力场，则在反演过程中需先将实测原位地应力扣除温度应力后进行反演，然后再叠加式（2）的温度应力场，最终得到有效结果。

参考文献

[1] 张建国，张强勇，杨文东，等.大岗山水电站坝区初始地应力场反演分析[J].岩土力学，2009，30（10）：3071-3078.

[2] 张延新，宋常胜，蔡美峰，等.深孔水压致裂地应力测量及应力场反演分析[J].岩石力学与工程学报，2010，29（4）：778-786.