高地溫高地應(yīng)力下巖體初始地應(yīng)力場反演分析

冉小東

摘 要 在高地溫高地應(yīng)力環(huán)境下，巖體初始地應(yīng)力場可近似由重力應(yīng)力場、構(gòu)造應(yīng)力場及溫度應(yīng)力場組成。而巖體溫度應(yīng)力場可結(jié)合地溫梯度法并依據(jù)巖體熱應(yīng)力公式近似得到，再通過疊加原理將溫度應(yīng)力場疊加到重力及構(gòu)造應(yīng)力場中即可得到與高地溫相符的巖體初始地應(yīng)力場。本文為使反演得到的巖體初始地應(yīng)力場更加符合實(shí)際，首次提出了考慮地溫的巖體初始地應(yīng)力場反演思路，以供參考。

關(guān)鍵詞 巖石力學(xué);高地溫;高地應(yīng)力;初始地應(yīng)力場;反演;巖體

1巖體溫度場的計(jì)算

通過數(shù)值模擬法計(jì)算山嶺重丘區(qū)的巖體溫度場時(shí)需給出數(shù)值模型的熱邊界條件，其可分為3類：

①給出邊界的溫度;②給出邊界的熱流密度;③給出邊界與周圍流體的對流換熱系數(shù)及流體溫度。

巖體表面是與空氣的熱對流進(jìn)行熱交換的，即巖體表面為第三類熱邊界條件，則需確定巖體表面的空氣溫度及巖體表面與空氣的對流換熱系數(shù)。由于山嶺重丘區(qū)工程區(qū)域的海拔高差、面積一般較大，不同高程處的空氣溫度存在差異，且同一高程處的空氣溫度在不同季節(jié)也存在較大差異，故要獲取整個(gè)工程區(qū)域巖體表面的空氣溫度可見是較為困難的。因此通過數(shù)值模擬法計(jì)算山嶺重丘區(qū)巖體的溫度場較難實(shí)現(xiàn)。而工程上近似計(jì)算巖體溫度場應(yīng)用十分廣泛的地溫梯度法如下所示[1]：

T = T0 + α（ H - h ）（1）T 為深度為H處的原巖溫度（℃）;T0 為恒溫帶的溫度（℃）;H 為埋深（m）;h 為恒溫帶離地表的距離（m）;α地溫梯度（℃/（100m））。

式（1）的適用條件為：假定同種地層每一點(diǎn)各個(gè)方向的巖石導(dǎo)熱系數(shù)都相同，且僅適用于淺部地殼。恒溫帶等巖體溫度變化層帶定義如下：

（1）變溫帶：在恒溫帶以上，離地表20～30m的地表層，其溫度受太陽輻射而具有周期性變化，故變溫帶有日、月、年變化。

（2）恒溫帶：溫度隨時(shí)間基本沒有變化的地層帶，厚度3～5m，原因是在這地層附近大地?zé)崃骱吞柕臒彷椛涮幱跓崃髌胶鉅顟B(tài)。

（3）增溫帶：在恒溫帶以下，其地溫不受地表溫度周期性變化的影響，僅受大地?zé)崃髯饔?，地溫與深度呈正相關(guān)關(guān)系。

2巖體溫度應(yīng)力場的計(jì)算

由于巖體受大地?zé)崃髯饔枚蛎?，加之周圍巖體約束膨脹的巖體，進(jìn)而在巖體內(nèi)部產(chǎn)生熱應(yīng)力，即壓縮應(yīng)力。推算近似計(jì)算巖體的溫度應(yīng)力場：

σT = αβ? EZ? ?（2）σT 為巖體溫度應(yīng)力（MPa）;β為巖體的體膨脹系數(shù)（℃-1）;E為彈性模量（MPa），若有隨埋深而變化的彈性模量等參數(shù)是最佳的;Z=H-h;α地溫梯度（℃/（100m））。

3地溫反演思路

如采用應(yīng)力解除法測量原位地應(yīng)力，則實(shí)測原位地應(yīng)力在高地溫環(huán)境下都包含溫度應(yīng)力，則需將全部實(shí)測原位地應(yīng)力扣除溫度應(yīng)力后進(jìn)行反演，然后再疊加式（2）的溫度應(yīng)力場。由于巖體重力應(yīng)力場在地殼淺部呈非靜水壓力狀態(tài);且反演得到的構(gòu)造應(yīng)力場一般也呈非靜水壓力狀態(tài)，故在反演過程中如果不考慮地溫，則較難用重力應(yīng)力場與構(gòu)造應(yīng)力場疊加等效得到溫度應(yīng)力場，因此有必要將實(shí)測原位地應(yīng)力扣除溫度應(yīng)力后進(jìn)行反演，然后再疊加式（2）的溫度應(yīng)力場[2]。

綜上所述，在高地溫環(huán)境下反演巖體的初始地應(yīng)力場，需先將實(shí)測原位地應(yīng)力扣除溫度應(yīng)力后進(jìn)行反演，然后再疊加式（2）的溫度應(yīng)力場。

4結(jié)束語

巖體溫度應(yīng)力場呈靜水壓力狀態(tài)，而巖體重力及構(gòu)造應(yīng)力場呈非靜水壓力狀態(tài)，故較難用重力應(yīng)力場和構(gòu)造應(yīng)力場疊加等效溫度應(yīng)力場，則在反演過程中需先將實(shí)測原位地應(yīng)力扣除溫度應(yīng)力后進(jìn)行反演，然后再疊加式（2）的溫度應(yīng)力場，最終得到有效結(jié)果。

參考文獻(xiàn)

[1] 張建國，張強(qiáng)勇，楊文東，等.大崗山水電站壩區(qū)初始地應(yīng)力場反演分析[J].巖土力學(xué)，2009，30（10）：3071-3078.

[2] 張延新，宋常勝，蔡美峰，等.深孔水壓致裂地應(yīng)力測量及應(yīng)力場反演分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，29（4）：778-786.