地下水封洞库地应力发育特征及其工程地质意义

李叶朋 李 强 蔡武军 罗崇宏 胡 煌

（中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014）

0 引言

地下水封洞库是以地表以下一定深度的完整岩体作为载体，开凿天然洞室作为储存空间，利用洞室外围岩中存在的地下水或人为形成地下水幕实现密封[1]，具有占地少、规模大、维护成本低以及适合战备等特点，对于能源资源的战略储备有重要的作用和意义。地应力是指存在于地壳岩层中未受工程扰动的天然应力，是影响地下洞库布置以及围岩稳定的主要因素之一[2-4]。

关于黄岛地下水封石油洞库地应力场方面的研究，部分学者从不同的角度出发做了许多有价值的工作。陈 祥等[5]利用FLAC3D 数值计算软件内嵌的FISH 语言编制了阻尼最小二乘拟合程序，将拟合计算与地应力数值计算相结合，得出了研究区的地应力的分布。王章琼等[6]在分析研究区区域地质背景及近场断裂构造的基础上，通过地质构造分析法分析了研究区地应力场，探讨了区域构造运动历史对研究区现今构造应力场的影响。徐 彬等[7]依据实测应力值拟合出水平主应力与垂向主应力的关系，并通过坐标转换得出模型坐标下的正应力和剪应力，进而得到研究区的初始地应力场。

本次拟建新材料综合利用项目地下水封洞库设计库容60×104m3，设计使用年限为50年，在地应力场方面的研究尚属空白，而库址区的地应力场特征及发育规律对洞库的选址规划及设计又具有重要的理论和实际意义。因此，本文在分析水压致裂地应力测量数据的基础上，采用数值模拟的方法精细刻画了研究区的地应力场，并对洞室轴线选择进行了验证，以期提供有利建议。

1 工程区地质概况

拟建地下水封洞库靠近青岛市与日照市分界处，地貌成因类型为海积平原，地貌为微倾斜平地，地面标高4.0～6.0 m。库址区地处扬子断块区（一级构造单元）-苏北胶南断块（二级构造单元），区域断裂日照-胶南断裂（F1）从场区西北3～5 km 位置通过，总体走向N35°E，断裂面以南东倾为主，倾角65°～75°，该断裂最新活动时代为中更新世晚期，晚更新世以来不活动，对库址区影响较小。

库址区内的地层岩性可分为第四系残积层和燕山晚期侵入花岗岩两大类。其中，第四系残积层物质组成以粉砂质黏土为主，厚4.0～13.0 m；燕山晚期侵入花岗岩以浅灰色-浅肉红色弱绿泥石化斑状花岗岩为主，含部分灰黑色-灰绿色角闪石花岗岩及少量浅肉红色初糜化花岗岩，在后期侵入的岩脉中以闪长玢岩、闪长细晶岩、花岗斑岩为主。

依据物探解译及钻孔成果资料，工程区共揭露断层6 条，以北东向和北西向高陡倾角为主。西区F2断层规模最大，延伸长度约2.6 km，产状N27°～42°E，SE∠55°。其余断层延伸长度有限，对洞库围岩的影响主要是对块体的影响。

2 地应力测量方法及结果

本次试验依据《水电水利工程岩体应力测试规程》（DL/T 5367-2007），采用水压致裂法在库址区ZK1 和ZK2 两孔中进行平面应力测量，垂向应力采用上覆岩体静岩压力近似计算得出（岩石密度取2.7 g/cm3）。测量结果表明：库址区96.5～168.0 m测深范围内最大水平主应力5.17～9.87 MPa，平均8.48 MPa；最小水平主应力3.98～7.85 MPa，平均6.38 MPa；垂向主应力2.61～4.54 MPa，平均3.66 MPa。最大水平主应力梯度5.33 ～8.13 MPa/100 m，平均6.29 MPa/100 m；最小水平主应力梯度3.74～5.83 MPa/100 m，平均4.71 MPa/100 m。

采用自动定向印模器记录了ZK1 孔141.8 m 和ZK2 孔119.1 m 及151.1 m 的破裂缝方向，三个测点的破裂缝方向分别为N59°W、N60°W 和N54°W。地应力测量结果见表1。

表1 地应力测量结果

3 地应力测量结果分析

3.1 地应力场方向

依据水压致裂法地应力测量原理，破裂面一般沿垂直于横截面上最小主应力方向的平面扩展，平行裂缝的延伸方向就是横截面上的最大主应力方向。据测量结果，库址区最大水平主应力方向为N54°~60°W，优势方位为NWW 向，是对燕山期构造应力场的继承[6]，且随埋深的增大最大水平主应力有向东偏转的趋势。

3.2 地应力场类型

Anderson 的断层力学成因模式中将地应力场类型划分为正断层应力机制（σv>σHmax>σhmin）、逆断层应力机制（σHmax>σhmin>σv）和走滑断层应力机制（σHmax>σv>σhmin）三种（见图1）。对比分析可知，测深范围内地应力类型均为最大主应力为水平主应力的逆断层应力机制（σHmax>σhmin>σv型），这也与场区范围通过的日照-胶南区域性断裂呈压扭构造特征[8]相对应。通过分析最大水平主应力与垂向主应力比值可知，σHmax/σv介于1.97～3.01 之间，平均为2.33，说明研究区测深范围内构造应力占绝对优势，属典型的构造应力场特征。

图1 地应力场类型

3.3 地应力随埋深变化规律

3.3.1 水平主应力

由图2可知，随深度的增加，最大水平主应力和最小水平主应力均呈增大的趋势。采用回归分析得到水平主应力随埋深的变化关系式：

图2 水平主应力与埋深关系

（1）最大水平主应力

σHmax=0.049H+1.84（R=0.74）

（2）最小水平主应力

σhmin=0.045H+0.35（R=0.77）

拟合结果表明，水平主应力与埋深之间存在良好的线性关系。

3.3.2 侧压系数

采用Hoek 和Brown 方法[9]研究平均水平主应力与垂向主应力的比值，即侧压系数k（无因次）随埋深的变化规律（见图3）。

图3 侧压系数与埋深关系

按照k=a/H+b形式进行回归分析可知，侧压系数与埋深拟合关系为：

k=234.11/H+0.419

分析可知，侧压系数与埋深关系介于中国大陆包络线内[10]，且随着埋深的增加而降低并收敛，即“浅部离散，深部收敛”，总体符合Hoek-Brown 规律。

4 地应力场数值模拟

实测地应力仅反映测点部位的应力场特征，因此有必要针对有限的测试点位进行分析，进而模拟整个工程区域内的地应力场[5,7,11]。工程区分为东、西两个比选区，勘察过程中已优选出东区作为拟建库址区。根据工程地质条件和工程特点，选用FLAC3D 软件针对东区建立X轴长800 m、Y轴长400 m、Z轴长400 m 的三维数值模型（场地较平整，未考虑地面起伏）。模拟计算中模型侧面限制水平移动，模型底面限制垂直移动，地应力的施加依据前述的实际测量数据。模拟结果见图4-图6。

图4 最大水平主应力云图

图5 最小水平主应力云图

图6 垂直主应力云图

结果显示，三向主应力随着深度的增加，基本上呈线性增加的趋势，且从三向主应力的数值上来看，最大水平主应力为最大主应力，垂向主应力为最小主应力，最小水平主应力为中间主应力，与实际测量结果的分析相吻合。

5 地应力场对地下洞室布置的影响

洞室轴向的选择主要受控于地应力和结构面的方向，即应与最大水平主应力呈小角度相交，与优势结构面呈大角度相交[2,12]。东区断层不发育，依据孔内数字成像成果解译了优势节理产状（见表2），由表2可知东区优势结构面产状为NNE 向。因此，建议在满足工程安全及经济可行性的前提下，洞室轴向选择N55°W。

表2 优势结构面产状

在模拟成果的基础上，沿拟定洞轴线方向切剖面，剖面的三向主应力分布见图7-图9。

图7 洞轴线剖面最大水平主应力分布

图8 洞轴线剖面最小水平主应力分布

图9 洞轴线剖面垂向主应力分布

从图中可以看出，洞室所在位置（图中线框所示）最大水平主应力7.0～10.0 MPa，最小水平主应力6.0～8.0 MPa，垂向主应力3.0～4.0 MPa，在实测点处量值相近，且三向主应力分布较为均匀，有利于洞室稳定。

6 结论

（1）工程区现今地应力场属典型的构造应力场特征，以逆断层应力机制为主，最大水平主应力方位为NWW 向。

（2）最大水平主应力、最小水平主应力均随埋深增大而线性增加，侧压系数与埋深关系介于中国大陆包络线内，整体呈现出“浅部离散，深部收敛”的特征。

（3）从数值上来看，最大水平主应力为最大主应力，垂向主应力为最小主应力，最小水平主应力为中间主应力。

（4）结合最大水平主应力方向和优势结构面产状，洞室轴线建议选择N55°W，该方向上三向主应力分布较为均匀，有利于洞室稳定。