某擬建電站地應(yīng)力特征與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系淺析

吳家浩，李 姝，王麗君，宋書志，曹 廷，鄭志龍

(1.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610000)

0 前 言

地應(yīng)力是引起地下硐室、支護(hù)變形及破壞的主要力源，在諸多影響地下硐室工程穩(wěn)定性因素中，地應(yīng)力是根本的原因[1]。地下硐室的原生地應(yīng)力狀態(tài)往往比較復(fù)雜，通過幾十年的實(shí)測和理論分析，重力作用和構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是影響地應(yīng)力的主要因素，其中尤以水平方向的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)地應(yīng)力的影響最大[2]。

西藏某擬建電站，地下硐室埋深較大，規(guī)模宏大。運(yùn)用孔徑變形法于一勘探平硐內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測試，分析擬建電站區(qū)域的地應(yīng)力特征，以及其與電站區(qū)域內(nèi)的主要地質(zhì)構(gòu)造方向存在的關(guān)聯(lián)性[3]。

1 地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征

1.1 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造

擬建電站河段位于喜馬拉雅極高山亞區(qū)，為喜馬拉雅山脈、念青唐古拉山脈、橫斷山脈的交匯部，是青藏高原隆升、侵蝕最為強(qiáng)烈的地區(qū)，地形起伏大，河谷深切，屬典型的高山峽谷地貌。電站所在區(qū)域內(nèi)地跨岡底斯陸塊、雅魯藏布江結(jié)合帶、喜馬拉雅陸塊東部南迦巴瓦構(gòu)造結(jié)的西側(cè)，為一強(qiáng)烈擠壓、碰撞、旋扭走滑、急劇伸展隆升地質(zhì)構(gòu)造極其復(fù)雜的造山帶。區(qū)內(nèi)沉積作用類型復(fù)雜、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈，變形變質(zhì)作用、構(gòu)造樣式復(fù)雜多樣，為特提斯東端巨形轉(zhuǎn)彎的關(guān)鍵地帶，是研究陸內(nèi)匯聚、板塊動(dòng)力學(xué)，以及探討高原隆升機(jī)制的理想場所，為國內(nèi)外地學(xué)界所矚目。擬建電站所在河段主要為位于喜馬拉雅構(gòu)造帶和雅魯藏布江結(jié)合帶，屬于喜馬拉雅構(gòu)造帶 “東構(gòu)造結(jié)”。區(qū)域內(nèi)地層巖性主要為片麻巖及超基性巖[6]。

擬建電站附近主要存在兩組斷裂，其中F1斷裂出露于擬建電站下游，為雅魯藏布江結(jié)合帶與岡底斯巖漿弧的分界斷裂。呈北西—北東向南突出之弧形，中部向南延入1:25萬扎日區(qū)幅，具有單體組合而成的束狀、帶狀、聯(lián)合弧狀影像特征。在東部比丁一帶被近南北向奪松—比丁拆離斷裂切割為東西兩段，結(jié)合帶南北錯(cuò)移約23 km，并轉(zhuǎn)成北東向沿雅魯藏布江河谷延展。斷裂西段(茄子弄—滾沒段)，北盤出露中元古—新元古代念青唐古拉巖群，漸新—中新世大竹卡組磨拉石沉積和白堊紀(jì)島弧花崗巖；南盤為朗縣混雜巖。斷裂帶發(fā)育寬50～100 m之韌性剪切帶，由糜棱巖、糜棱片巖、糜棱巖化巖石和碎裂巖組成，發(fā)育露頭尺度的相似褶皺、不協(xié)調(diào)褶皺、傾豎褶皺，出現(xiàn)了S—C組構(gòu)和礦物拉抻線理、布丁構(gòu)造、桿狀構(gòu)造、鉤狀構(gòu)造、長英質(zhì)旋轉(zhuǎn)碎斑及其雁行狀排列等小型變形構(gòu)造，以及“I”型面理置換，面理總體近東西向。斷裂面傾向南、南西，傾角50°～70°，早期為左旋走滑，晚期形成高角度向南傾、南盤向北逆沖的逆斷層兼走滑性質(zhì)。該斷裂經(jīng)歷了韌性剪切—脆性擠壓破碎等多期次、多層次的活動(dòng)，東段呈北東向(其距離擬建電站最近約7 km)，北西盤為中元古—新元古代念青唐古拉巖群，南東盤為雅魯藏布江蛇綠混雜巖，其西被奪松—比丁斷裂切錯(cuò)，東被第四系掩蓋，斷續(xù)延長達(dá)45 km以上。沿?cái)嗔寻l(fā)育30～50 m寬的韌性剪切帶，巖石具變余糜棱結(jié)構(gòu)；根據(jù)《喜馬拉雅東部大拐彎地區(qū)地殼形變，深部過程與高原隆升關(guān)系研究》(成都地礦所2001年)，在崗嘎大橋一帶，糜棱巖發(fā)育2期結(jié)構(gòu)，其早期是左旋走滑；晚期為上盤(北西盤)向北西滑落，顯示了伸展剝離的特征。在衛(wèi)星照片上沿此斷裂水系和山脊發(fā)生局部的位移也顯示左旋走滑的特點(diǎn)，衛(wèi)星照片影像表現(xiàn)為密集剪切帶和均一的色調(diào)。綜上所述，雅魯藏布江結(jié)合帶北界斷裂在測區(qū)東西兩段均顯示多期、多層次活動(dòng)特點(diǎn)，而斷層面產(chǎn)狀東、西兩段不一致則可能反映了斷裂晚期活動(dòng)應(yīng)力效應(yīng)的差異，西段晚期逆斷裂性質(zhì)是印度板塊持續(xù)向北推擠的結(jié)果，而東段顯示的北西盤下滑則可能與南迦巴瓦地區(qū)的基底快速隆升有關(guān)[6]。

F2斷裂距離擬建電站距離較遠(yuǎn)，位于上游河段約30 km，為區(qū)域二級(jí)斷裂，全新世以來具有活動(dòng)性。斷裂近南北向延伸，由北向南斷裂走向呈略顯彎曲狀，在南部則轉(zhuǎn)向南東，呈一向南西突出的弧形，長達(dá)100 km以上。其影像顯連續(xù)線狀色調(diào)異常和束狀、帶狀色塊異常。斷裂北部延入工布江達(dá)斷隆帶，并發(fā)育100～200 m破碎蝕變帶，碎裂巖、碎粒巖呈帶狀分布，碳酸鹽化、絹云母化、綠泥石化、硅化、綠簾石化強(qiáng)烈。斷裂面北段傾向西，傾角70°以上，南端傾向南西，傾角變緩呈±∠45°，為一西盤下降東盤上升的正斷層[6]。

1.2 現(xiàn)今構(gòu)造運(yùn)動(dòng)特征

電站區(qū)域內(nèi)自中新—漸新世急劇造山，隨印度陸塊在喜馬拉雅南麓—西瓦里克發(fā)生陸內(nèi)俯沖，使青藏高原急劇隆升，在本區(qū)表現(xiàn)為上新世末以來多次抬升所形成的各級(jí)夷平面和活動(dòng)斷裂、地震、水熱的活動(dòng)，以及冰川、河流階地的形成。

其中區(qū)內(nèi)活動(dòng)斷裂有第四紀(jì)以來的新生斷裂，又有繼承性活動(dòng)的老斷裂。具有多期性、繼承性和新生性的特點(diǎn)。第四紀(jì)新生斷裂在工布江達(dá)縣伍樓崗、林芝縣達(dá)則、米林縣黨紐窩等地的第四系中均有發(fā)現(xiàn)，斷裂均具正斷層性質(zhì)，傾角60°～70°，發(fā)育牽引褶曲，沉積層錯(cuò)距20～50 cm。東西向F1斷裂和巴拉劣果—列木切斷裂、珞巴村—來果橋斷裂具有較為明顯的活動(dòng)斷裂特征，表現(xiàn)為沿雅魯藏布江河谷持續(xù)的斷陷作用，形成了更新世以來的4級(jí)階地，最高階地高出河面100～150 m，形成于更新世，最低階地高出河面3～20 m，形成于全新世。在雅魯藏布江河谷及南北向斷裂帶的工字弄、納伊普曲中常發(fā)生山體滑坡、泥石流等地質(zhì)災(zāi)害。在吉普見有沿?cái)嗔褞Х植嫉臏厝?，地震是現(xiàn)代地殼活動(dòng)的直接證據(jù)和主要表現(xiàn)形式。據(jù)歷史資料記載，本區(qū)及波及本區(qū)的6級(jí)以上的大地震有9次。林芝曾發(fā)生過6.25級(jí)大地震，1950年米林又發(fā)生過2次6級(jí)以上地震，特別是1950年8月15日發(fā)生的8.6級(jí)察隅—墨脫地震，是我國記錄到的第一特大地震。綜上所述，新構(gòu)造動(dòng)動(dòng)在測區(qū)表現(xiàn)強(qiáng)烈，其特點(diǎn)是以斷裂復(fù)活，大面積整體間歇性掀斜抬升、垂直差異升降運(yùn)動(dòng)及水平運(yùn)動(dòng)、地震、水熱活動(dòng)為標(biāo)志，具有繼承性、新生性和節(jié)奏性。區(qū)內(nèi)眾多的冰川地貌、夷平面、河流階地、近東西向及南北向的深切河谷、溫泉、地震等都是新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物[6]。

2 區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造發(fā)展史

在深入研究區(qū)內(nèi)各時(shí)代各期次沉積作用、火山活動(dòng)、巖漿侵入、變質(zhì)作用、構(gòu)造變動(dòng)以及地球物理資料的基礎(chǔ)上，結(jié)合鄰區(qū)資料分析，在區(qū)內(nèi)劃分出5個(gè)變形期:泛非造殼期、克拉通化期、板內(nèi)調(diào)整擴(kuò)張期、洋殼消減閉合期和伸展隆升期。

根據(jù)上述變形期次的劃分和發(fā)育的其他地質(zhì)事件，按照板塊構(gòu)造理論將調(diào)查區(qū)地質(zhì)構(gòu)造演化劃分為6個(gè)階段:克拉通化階段、克拉通階段、雅魯藏布江洋盆擴(kuò)張階段、俯沖消減階段、閉合-碰撞階段和伸展隆升階段[6]。

3 地應(yīng)力測試方法及測試結(jié)果特征

工程中常用巖體應(yīng)力測量方法有孔徑變形法、孔壁應(yīng)變法、孔底應(yīng)變法、水壓致裂法等，各種測量方法適用性有所不同并各有利弊[2-3]。本次測試采用了孔徑變形法，孔徑變形法是采用三孔交匯，即在測試的巖體中，鉆取3個(gè)不同方向相交的鉆孔，在鉆孔中套鉆應(yīng)力解除時(shí)量測孔徑變形，根據(jù)孔徑變形與應(yīng)力之間的理論關(guān)系式，最后求出測點(diǎn)處的巖體三維應(yīng)力狀態(tài)。

現(xiàn)場地應(yīng)力的測試過程也就是應(yīng)力解除過程，一般判定某測試段成功與否，是看其應(yīng)力解除過程中是否滿足或接近解除深度與釋放應(yīng)變典型曲線形式，典型曲線可劃分為4個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 測試成果典型解除曲線

Ⅰ區(qū):為無應(yīng)力影響區(qū)，應(yīng)力解除深度尚影響不到測量元件的變化。

Ⅱ區(qū):為應(yīng)力集中區(qū)，由套鉆解除引起的應(yīng)力集中。

Ⅲ區(qū):為應(yīng)力釋放區(qū)，隨著應(yīng)力解除深度的增加，在第Ⅱ階段應(yīng)力集中所產(chǎn)生的附加應(yīng)變自行消失，解除應(yīng)變逐漸增大。附加應(yīng)變對(duì)取值并無影響，初始值仍按原坐標(biāo)零點(diǎn)計(jì)算。

有前車之鑒，陳副部長能不謹(jǐn)慎。公、檢、法這些部門復(fù)雜，宣傳部敢弄個(gè)作家去那里？又不是一個(gè)系統(tǒng)，別人不罵娘？要遲恒考慮一下其他部門，遲恒就勢提出去報(bào)社，陳副部長趕緊點(diǎn)頭。

Ⅳ區(qū):應(yīng)變穩(wěn)定區(qū)。隨著解除深度的增加，測點(diǎn)應(yīng)力達(dá)到完全解除，解除應(yīng)變趨于穩(wěn)定。

在擬建電站一平硐內(nèi)不同埋深處共進(jìn)行了4組試驗(yàn)，其巖體空間應(yīng)力測試成果見表1，測點(diǎn)處水平面上平面主應(yīng)力成果見表2。

表1 巖體空間應(yīng)力測試結(jié)果

表2 測點(diǎn)處水平面上平面主應(yīng)力及鉛直應(yīng)力分量計(jì)算結(jié)果

1號(hào)測點(diǎn)水平埋深約530 m，巖體完整，巖性為超基性巖，具備良好的蓄能條件。應(yīng)力測試成果:

σ1=21.7 MPa，方位角為145.2°，傾角為41.3°；

σ2=12.2 MPa，方位角為244.1°，傾角為9.9°；

σ3=10.2 MPa，方位角為344.9°，傾角為47.0°；

2號(hào)測點(diǎn)水平埋深約450 m，鉆孔巖芯較完整，巖性為超基性巖。應(yīng)力測試成果:

σ1=19.9 MPa，方位角為175.3°，傾角為36.4°。

σ3=5.2 MPa，方位角為71.4°，傾角為18.1°。

3號(hào)測點(diǎn)水平埋深約355 m，鉆孔巖芯較完整，巖性為超基性巖。應(yīng)力測試成果:

σ1=10.0 MPa，方位角為164.1°，傾角為38.5°。

σ2=7.3 MPa，方位角為302.0°，傾角為43.0°。

σ3=3.1 MPa，方位角為54.8°，傾角為22.6°。

4號(hào)測點(diǎn)水平埋深約200 m，機(jī)窩處巖體較破碎，裂隙較發(fā)育，鉆孔巖芯較破碎，取芯較困難，巖性為超基性巖。應(yīng)力測試成果:

σ1=6.9 MPa，方位角為129.2°，傾角為48.9°。

σ2=3.2 MPa，方位角為320.7°，傾角為40.5°。

σ3=1.2 MPa，方位角為45.8°，傾角為-5.7°。

根據(jù)地應(yīng)力測試結(jié)果分析，1號(hào)測點(diǎn)巖體十分完整，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其余3組受巖芯較短等因素影響數(shù)據(jù)有一定離散度，但總體測試成果可靠。1號(hào)測點(diǎn)處σ1量值最大為21.7MPa，此位置附近巖石的飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為80～110 MPa，巖石強(qiáng)度應(yīng)力比介于3.7～5之間，屬中等偏高應(yīng)力。隨埋深變淺，σ1量值降低，水平埋深400 m以外量值降低較快，4號(hào)測點(diǎn)處(水平埋深為319.5 m)巖體較破碎，主應(yīng)力值較小，σ1為6.90 MPa。4組測試成果統(tǒng)計(jì)σ1:σ2:σ3=1:0.43～0.73:0.17～0.47。

根據(jù)測點(diǎn)處水平面上平面主應(yīng)力及鉛直應(yīng)力分量結(jié)果表明：埋深淺時(shí)，鉛直應(yīng)力分量與其水平面上的平面最大主應(yīng)力的比值大于1，說明埋深淺時(shí)自重應(yīng)力在地應(yīng)力中占主要作用；隨著埋深加大，鉛直應(yīng)力分量與其水平面上的平面最大主應(yīng)力的比值總體趨勢在降低，說明隨埋深加大，自重應(yīng)力在地應(yīng)力中的作用在減弱而構(gòu)造應(yīng)力作用在增強(qiáng)。

4 地應(yīng)力測試結(jié)果與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系

本次共進(jìn)行了4組試驗(yàn)，從測試成果來看，1號(hào)測點(diǎn)巖體十分完整，數(shù)據(jù)穩(wěn)定，其余3組受巖芯較短等因素影響數(shù)據(jù)有一定離散度，但總體測試成果可靠。4組測試成果中最大主應(yīng)力σ1方向?yàn)镹14.7°～50.8°W。傾角為36.4°～ 48.9°，均大于30°。

地應(yīng)力測試區(qū)域附近存在的兩組區(qū)域性斷裂F1及F2，其中F1為區(qū)域一級(jí)斷裂，距離地應(yīng)力測點(diǎn)約7 km，距離較近，主體走向NE，傾向NW；F2為區(qū)域二級(jí)斷裂，距離地應(yīng)力測點(diǎn)約30 km，距離稍遠(yuǎn)，主體走向NNW，傾向SW。

從測試結(jié)果看，4組測點(diǎn)最大主應(yīng)力方向同距離較近的區(qū)域一級(jí)斷裂F1的傾向相近，測點(diǎn)處應(yīng)力受F1斷裂影響更大些。

5 結(jié) 論

依托某擬建電站采用孔徑變形法于一處勘探平洞內(nèi)進(jìn)行了地應(yīng)力測試，分析了地應(yīng)力測試結(jié)果及其與電站區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，得到了以下結(jié)論:

(1)地下硐室埋深較淺時(shí)，自重應(yīng)力在地應(yīng)力中起主要作用，隨著地下硐室埋深增加，鉛垂應(yīng)力與最大水平應(yīng)力的比值總體呈現(xiàn)降低趨勢，自重應(yīng)力在地應(yīng)力中的作用在減弱，而構(gòu)造應(yīng)力作用在增強(qiáng)。

(2)該電站附近應(yīng)力場受距離電站較近、斷裂規(guī)模較大的F1斷裂影響較大，最大主應(yīng)力方向同主要斷裂的傾向方向大致相同。

(3)地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向同區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造之間存在聯(lián)系，主要受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響。

(4)工程建設(shè)工作在研究地應(yīng)力問題時(shí)，需要重視對(duì)區(qū)域地質(zhì)，特別是區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的研究。