某拟建电站地应力特征与地质构造的关系浅析

2022-10-06吴家浩王丽君宋书志郑志龙

水电站设计 2022年3期

吴家浩，李姝，王丽君，宋书志，曹廷，郑志龙

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.四川水利职业技术学院，四川成都 610000)

0 前言

地应力是引起地下硐室、支护变形及破坏的主要力源，在诸多影响地下硐室工程稳定性因素中，地应力是根本的原因[1]。地下硐室的原生地应力状态往往比较复杂，通过几十年的实测和理论分析，重力作用和构造运动是影响地应力的主要因素，其中尤以水平方向的构造运动对地应力的影响最大[2]。

西藏某拟建电站，地下硐室埋深较大，规模宏大。运用孔径变形法于一勘探平硐内进行了地应力测试，分析拟建电站区域的地应力特征，以及其与电站区域内的主要地质构造方向存在的关联性[3]。

1 地质构造运动特征

1.1 区域地质构造

拟建电站河段位于喜马拉雅极高山亚区，为喜马拉雅山脉、念青唐古拉山脉、横断山脉的交汇部，是青藏高原隆升、侵蚀最为强烈的地区，地形起伏大，河谷深切，属典型的高山峡谷地貌。电站所在区域内地跨冈底斯陆块、雅鲁藏布江结合带、喜马拉雅陆块东部南迦巴瓦构造结的西侧，为一强烈挤压、碰撞、旋扭走滑、急剧伸展隆升地质构造极其复杂的造山带。区内沉积作用类型复杂、岩浆活动强烈，变形变质作用、构造样式复杂多样，为特提斯东端巨形转弯的关键地带，是研究陆内汇聚、板块动力学，以及探讨高原隆升机制的理想场所，为国内外地学界所瞩目。拟建电站所在河段主要为位于喜马拉雅构造带和雅鲁藏布江结合带，属于喜马拉雅构造带 “东构造结”。区域内地层岩性主要为片麻岩及超基性岩[6]。

拟建电站附近主要存在两组断裂，其中F1断裂出露于拟建电站下游，为雅鲁藏布江结合带与冈底斯岩浆弧的分界断裂。呈北西—北东向南突出之弧形，中部向南延入1:25万扎日区幅，具有单体组合而成的束状、带状、联合弧状影像特征。在东部比丁一带被近南北向夺松—比丁拆离断裂切割为东西两段，结合带南北错移约23 km，并转成北东向沿雅鲁藏布江河谷延展。断裂西段(茄子弄—滚没段)，北盘出露中元古—新元古代念青唐古拉岩群，渐新—中新世大竹卡组磨拉石沉积和白垩纪岛弧花岗岩；南盘为朗县混杂岩。断裂带发育宽50～100 m之韧性剪切带，由糜棱岩、糜棱片岩、糜棱岩化岩石和碎裂岩组成，发育露头尺度的相似褶皱、不协调褶皱、倾竖褶皱，出现了S—C组构和矿物拉抻线理、布丁构造、杆状构造、钩状构造、长英质旋转碎斑及其雁行状排列等小型变形构造，以及“I”型面理置换，面理总体近东西向。断裂面倾向南、南西，倾角50°～70°，早期为左旋走滑，晚期形成高角度向南倾、南盘向北逆冲的逆断层兼走滑性质。该断裂经历了韧性剪切—脆性挤压破碎等多期次、多层次的活动，东段呈北东向(其距离拟建电站最近约7 km)，北西盘为中元古—新元古代念青唐古拉岩群，南东盘为雅鲁藏布江蛇绿混杂岩，其西被夺松—比丁断裂切错，东被第四系掩盖，断续延长达45 km以上。沿断裂发育30～50 m宽的韧性剪切带，岩石具变余糜棱结构；根据《喜马拉雅东部大拐弯地区地壳形变，深部过程与高原隆升关系研究》(成都地矿所2001年)，在岗嘎大桥一带，糜棱岩发育2期结构，其早期是左旋走滑；晚期为上盘(北西盘)向北西滑落，显示了伸展剥离的特征。在卫星照片上沿此断裂水系和山脊发生局部的位移也显示左旋走滑的特点，卫星照片影像表现为密集剪切带和均一的色调。综上所述，雅鲁藏布江结合带北界断裂在测区东西两段均显示多期、多层次活动特点，而断层面产状东、西两段不一致则可能反映了断裂晚期活动应力效应的差异，西段晚期逆断裂性质是印度板块持续向北推挤的结果，而东段显示的北西盘下滑则可能与南迦巴瓦地区的基底快速隆升有关[6]。

F2断裂距离拟建电站距离较远，位于上游河段约30 km，为区域二级断裂，全新世以来具有活动性。断裂近南北向延伸，由北向南断裂走向呈略显弯曲状，在南部则转向南东，呈一向南西突出的弧形，长达100 km以上。其影像显连续线状色调异常和束状、带状色块异常。断裂北部延入工布江达断隆带，并发育100～200 m破碎蚀变带，碎裂岩、碎粒岩呈带状分布，碳酸盐化、绢云母化、绿泥石化、硅化、绿帘石化强烈。断裂面北段倾向西，倾角70°以上，南端倾向南西，倾角变缓呈±∠45°，为一西盘下降东盘上升的正断层[6]。

1.2 现今构造运动特征

电站区域内自中新—渐新世急剧造山，随印度陆块在喜马拉雅南麓—西瓦里克发生陆内俯冲，使青藏高原急剧隆升，在本区表现为上新世末以来多次抬升所形成的各级夷平面和活动断裂、地震、水热的活动，以及冰川、河流阶地的形成。

其中区内活动断裂有第四纪以来的新生断裂，又有继承性活动的老断裂。具有多期性、继承性和新生性的特点。第四纪新生断裂在工布江达县伍楼岗、林芝县达则、米林县党纽窝等地的第四系中均有发现，断裂均具正断层性质，倾角60°～70°，发育牵引褶曲，沉积层错距20～50 cm。东西向F1断裂和巴拉劣果—列木切断裂、珞巴村—来果桥断裂具有较为明显的活动断裂特征，表现为沿雅鲁藏布江河谷持续的断陷作用，形成了更新世以来的4级阶地，最高阶地高出河面100～150 m，形成于更新世，最低阶地高出河面3～20 m，形成于全新世。在雅鲁藏布江河谷及南北向断裂带的工字弄、纳伊普曲中常发生山体滑坡、泥石流等地质灾害。在吉普见有沿断裂带分布的温泉，地震是现代地壳活动的直接证据和主要表现形式。据历史资料记载，本区及波及本区的6级以上的大地震有9次。林芝曾发生过6.25级大地震，1950年米林又发生过2次6级以上地震，特别是1950年8月15日发生的8.6级察隅—墨脱地震，是我国记录到的第一特大地震。综上所述，新构造动动在测区表现强烈，其特点是以断裂复活，大面积整体间歇性掀斜抬升、垂直差异升降运动及水平运动、地震、水热活动为标志，具有继承性、新生性和节奏性。区内众多的冰川地貌、夷平面、河流阶地、近东西向及南北向的深切河谷、温泉、地震等都是新构造运动的产物[6]。

2 区域地质构造发展史

在深入研究区内各时代各期次沉积作用、火山活动、岩浆侵入、变质作用、构造变动以及地球物理资料的基础上，结合邻区资料分析，在区内划分出5个变形期:泛非造壳期、克拉通化期、板内调整扩张期、洋壳消减闭合期和伸展隆升期。

根据上述变形期次的划分和发育的其他地质事件，按照板块构造理论将调查区地质构造演化划分为6个阶段:克拉通化阶段、克拉通阶段、雅鲁藏布江洋盆扩张阶段、俯冲消减阶段、闭合-碰撞阶段和伸展隆升阶段[6]。

3 地应力测试方法及测试结果特征

工程中常用岩体应力测量方法有孔径变形法、孔壁应变法、孔底应变法、水压致裂法等，各种测量方法适用性有所不同并各有利弊[2-3]。本次测试采用了孔径变形法，孔径变形法是采用三孔交汇，即在测试的岩体中，钻取3个不同方向相交的钻孔，在钻孔中套钻应力解除时量测孔径变形，根据孔径变形与应力之间的理论关系式，最后求出测点处的岩体三维应力状态。

现场地应力的测试过程也就是应力解除过程，一般判定某测试段成功与否，是看其应力解除过程中是否满足或接近解除深度与释放应变典型曲线形式，典型曲线可划分为4个阶段，如图1所示。

图1 测试成果典型解除曲线

Ⅰ区:为无应力影响区，应力解除深度尚影响不到测量元件的变化。

Ⅱ区:为应力集中区，由套钻解除引起的应力集中。

Ⅲ区:为应力释放区，随着应力解除深度的增加，在第Ⅱ阶段应力集中所产生的附加应变自行消失，解除应变逐渐增大。附加应变对取值并无影响，初始值仍按原坐标零点计算。

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Ⅳ区:应变稳定区。随着解除深度的增加，测点应力达到完全解除，解除应变趋于稳定。

在拟建电站一平硐内不同埋深处共进行了4组试验，其岩体空间应力测试成果见表1，测点处水平面上平面主应力成果见表2。

表1 岩体空间应力测试结果

表2 测点处水平面上平面主应力及铅直应力分量计算结果

1号测点水平埋深约530 m，岩体完整，岩性为超基性岩，具备良好的蓄能条件。应力测试成果:

σ1=21.7 MPa，方位角为145.2°，倾角为41.3°；

σ2=12.2 MPa，方位角为244.1°，倾角为9.9°；

σ3=10.2 MPa，方位角为344.9°，倾角为47.0°；

2号测点水平埋深约450 m，钻孔岩芯较完整，岩性为超基性岩。应力测试成果:

σ1=19.9 MPa，方位角为175.3°，倾角为36.4°。

σ3=5.2 MPa，方位角为71.4°，倾角为18.1°。

3号测点水平埋深约355 m，钻孔岩芯较完整，岩性为超基性岩。应力测试成果:

σ1=10.0 MPa，方位角为164.1°，倾角为38.5°。

σ2=7.3 MPa，方位角为302.0°，倾角为43.0°。

σ3=3.1 MPa，方位角为54.8°，倾角为22.6°。

4号测点水平埋深约200 m，机窝处岩体较破碎，裂隙较发育，钻孔岩芯较破碎，取芯较困难，岩性为超基性岩。应力测试成果:

σ1=6.9 MPa，方位角为129.2°，倾角为48.9°。

σ2=3.2 MPa，方位角为320.7°，倾角为40.5°。

σ3=1.2 MPa，方位角为45.8°，倾角为-5.7°。

根据地应力测试结果分析，1号测点岩体十分完整，数据稳定，其余3组受岩芯较短等因素影响数据有一定离散度，但总体测试成果可靠。1号测点处σ1量值最大为21.7MPa，此位置附近岩石的饱和单轴抗压强度值为80～110 MPa，岩石强度应力比介于3.7～5之间，属中等偏高应力。随埋深变浅，σ1量值降低，水平埋深400 m以外量值降低较快，4号测点处(水平埋深为319.5 m)岩体较破碎，主应力值较小，σ1为6.90 MPa。4组测试成果统计σ1:σ2:σ3=1:0.43～0.73:0.17～0.47。

根据测点处水平面上平面主应力及铅直应力分量结果表明：埋深浅时，铅直应力分量与其水平面上的平面最大主应力的比值大于1，说明埋深浅时自重应力在地应力中占主要作用；随着埋深加大，铅直应力分量与其水平面上的平面最大主应力的比值总体趋势在降低，说明随埋深加大，自重应力在地应力中的作用在减弱而构造应力作用在增强。