回龍山隧道區(qū)址地質(zhì)構(gòu)造特征評述及地應(yīng)力場方向確定

以現(xiàn)場實測地應(yīng)力資料為依據(jù),結(jié)合震源機制解方法,對某水電站右岸實測地應(yīng)力場進(jìn)行了分析,擬合了地應(yīng)力場的數(shù)學(xué)表達(dá)式,并推演研究了工程區(qū)域地應(yīng)力場的分布特征,結(jié)果表明:某水電站工程區(qū)域位于高山峽谷地帶,經(jīng)歷了多次構(gòu)造運動,地應(yīng)力場主要受區(qū)域構(gòu)造運動的影響,這種影響對水平方向的構(gòu)造應(yīng)力尤為劇烈;工程區(qū)域地應(yīng)力場總體表現(xiàn)為豎直應(yīng)力略小于自重應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主,其值約為20mpa。

通過反復(fù)、不斷深入的地面地質(zhì)調(diào)繪,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造背景分析及物探、鉆探揭示信息的綜合分析,研究了大相嶺隧道區(qū)域構(gòu)造特征、近隧址區(qū)構(gòu)造特征以及隧址區(qū)主體構(gòu)造特征,根據(jù)構(gòu)造損傷程度將隧址區(qū)劃分為強構(gòu)造損傷區(qū)、次強構(gòu)造損傷區(qū)以及弱構(gòu)造損傷區(qū),并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)面分級研究,研究分析了各構(gòu)造損傷區(qū)巖體結(jié)構(gòu)特征,為隧道圍巖級別劃分、圍巖穩(wěn)定性分析及其它地質(zhì)評價奠定了基礎(chǔ)。

用西南地區(qū)三個有代表性的工程實例分析了巖溶地質(zhì)災(zāi)害的構(gòu)造成因、類型以及性質(zhì)、規(guī)模和空間展布,為治理巖溶地質(zhì)災(zāi)害提供定性的理論依據(jù),也為定量探測打下基礎(chǔ)。

錦凌水庫位于遼寧省錦州市境內(nèi)的小凌河下游,庫區(qū)地層以義縣組火山巖為主,工作區(qū)內(nèi)沒有深大斷裂通過,庫區(qū)內(nèi)共確認(rèn)斷層44條,延伸長度長達(dá)10～40km的斷層計13條。其中9條與庫區(qū)關(guān)系較大的斷層都有實測點控制;7條斷層的確認(rèn)參考了邱皮溝煤礦、錦凌煤礦地質(zhì)資料;總計33條斷層有實測地質(zhì)點控制。大馬口子一帶,出現(xiàn)一個較小規(guī)模的小馬口子—王胡臺向斜和沙河堡背斜。測區(qū)內(nèi)節(jié)理可分為6組,其產(chǎn)狀與區(qū)域應(yīng)力場吻合。庫區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造條件對建庫較有利。

地應(yīng)力場是一個受多種因素相互作用與影響的復(fù)雜系統(tǒng).這個系統(tǒng)包含相互聯(lián)系的不同組成部分,如自重,構(gòu)造運動作用,地形、地勢等地貌情況,斷層、裂隙等地質(zhì)構(gòu)造,地質(zhì)力學(xué)參數(shù)等.地應(yīng)力作為引起變形和破壞的基本作用力,不僅是引起巖體變形和破壞的力源之一,也是影響巖體力學(xué)行為的主要控制因素,是進(jìn)行巖體工程問題分析、設(shè)計計算和穩(wěn)定性預(yù)測評價的初始條件之一,因而在高地應(yīng)力地區(qū)進(jìn)行初始地應(yīng)力場的特征分析是非常必要的.盡管可以通過現(xiàn)場實測地應(yīng)力來直接準(zhǔn)確地為地應(yīng)力場提供數(shù)據(jù),但由于現(xiàn)場實測地應(yīng)力的測試費用昂貴、測試所需時間長和現(xiàn)場試驗條件艱苦等原因,不可能進(jìn)行大量的測量,因而利用有限的數(shù)據(jù)和科學(xué)的方法對研究區(qū)進(jìn)行地應(yīng)力場的反演分析十分重要,為實際工程活動提供可靠依據(jù).

本文根據(jù)盆地區(qū)域地層分布特征,以及地質(zhì)構(gòu)造特征,分析盆地形成時代,研究盆地構(gòu)造演化歷史,總結(jié)認(rèn)為雷鳴盆地的形成受構(gòu)造、古地理作用控制,發(fā)育不同時期的沉積建造,變質(zhì)建造和構(gòu)造相,具有多旋回的地質(zhì)演化發(fā)展特征。

從目前地質(zhì)測量的具體應(yīng)用來看,地質(zhì)測量是對地質(zhì)構(gòu)造特征深入了解的重要手段,是提高地質(zhì)研究的主要方式。對于安徽巢湖鳳凰山來講,由于其所處位置特殊,地質(zhì)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,利用現(xiàn)有的地址測量手段積極對該地層進(jìn)行全面測量分析是十分必要的。通過對安徽巢湖鳳凰山地址構(gòu)造特征進(jìn)行分析,能夠達(dá)到正確了解鳳凰山地質(zhì)結(jié)構(gòu),弄清鳳凰山地質(zhì)構(gòu)造特點,更全面的了解鳳凰山的地質(zhì)發(fā)展歷史,對了解安徽巢湖地區(qū)的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和礦產(chǎn)資源分布情況具有重要的現(xiàn)實意義。為此,我們應(yīng)對安徽巢湖鳳凰山的地質(zhì)構(gòu)造特征進(jìn)行深入分析。

基于對南水北調(diào)西線一期工程場區(qū)現(xiàn)場水壓致裂地應(yīng)力測試工作,得出如下初步結(jié)論:(1)各線路孔中最大水平主應(yīng)力值最高約為25mpa,最大水平主應(yīng)力方向均為nne或nee;(2)各壩址孔中最大水平主應(yīng)力值最高約為17mpa,最大水平主應(yīng)力方向受局部地形地勢影響變化較大,但大多數(shù)孔方向仍為nne或nee;(3)在試驗深度范圍內(nèi),線路孔側(cè)壓系數(shù)隨著鉆孔深度的增加逐漸減小;當(dāng)測試深度在200m以下時,側(cè)壓系數(shù)值基本維持在2左右;(4)各測孔側(cè)壓系數(shù)均大于1,表明工程場區(qū)地應(yīng)力以構(gòu)造應(yīng)力為主導(dǎo);(5)在測試深度范圍內(nèi),各測孔的最大、最小水平主應(yīng)力隨巖層深度的增加均有增大趨勢;(6)回歸分析結(jié)果表明線路孔的最大水平主應(yīng)力值隨深度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系;(7)由于隧洞洞室埋深較深,且穿越高應(yīng)力區(qū),存在中等強度巖爆或流變的可能性。

大巴山及其前緣區(qū)位于川東北,在區(qū)域構(gòu)造上位于揚子地臺北緣,其北、西及東南方向分別與秦嶺造山帶、龍門山逆沖帶及華南褶皺系毗鄰,而揚子含油氣地塊的形成和發(fā)展均受到這些構(gòu)造的影響。本文在分析大巴山及其前緣區(qū)與揚子地臺、川東北盆地之間的山盆耦合關(guān)系的基礎(chǔ)上,根據(jù)大巴山及其前緣區(qū)1:20萬重力及航磁異常圖,對該區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造提出了新的認(rèn)識。認(rèn)為城口斷裂并非本區(qū)深大斷裂,而是切割不深、產(chǎn)狀平緩,但推覆距離較大的逆掩大斷層;城口弧形斷裂前緣的局部重力低可能是推覆作用下老地層掩蓋了密度相對較低且厚度較大的新地層所致。文中還采用二代小波多尺度分解對本區(qū)的重力異常進(jìn)行了位場分離,并反演出前寒武褶皺基底面,chk-shp-wf一帶是前寒武基底凹陷的中心區(qū)。

內(nèi)蒙古新建甘泉鐵路龍山隧道以曲線形式穿越烏蘭呼洞背斜和向斜,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,節(jié)理裂隙發(fā)育,地層巖性多變,風(fēng)化差異較大?？辈爝^程中采用衛(wèi)星圖片、地質(zhì)調(diào)繪、綜合物探和鉆探等多種勘探手段,相互補充,基本查明了隧道工程地質(zhì)特征,分析了風(fēng)險因素,為設(shè)計提供了地質(zhì)參數(shù)與工程措施建議。施工過程中應(yīng)避免盲目大意,重視地質(zhì)條件的復(fù)雜多變,加強地質(zhì)素描和超前地質(zhì)鉆探等預(yù)報工作,及時掌握地質(zhì)條件的變化情況,合理調(diào)整圍巖級別與施工措施,確保隧道安全施工。

在野外地質(zhì)調(diào)查的基礎(chǔ)上，運用自然歷史分析法和統(tǒng)計學(xué)對隧址區(qū)的地質(zhì)構(gòu)造和巖溶發(fā)育特征進(jìn)行了研究。研究表明地質(zhì)構(gòu)造對隧址區(qū)巖溶發(fā)育的影響主要表現(xiàn)為：①推覆構(gòu)造演化過程中，地層經(jīng)歷的抬升和穩(wěn)定使得區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育呈現(xiàn)多期性，垂直、水平溶蝕形態(tài)交替分布；②區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造通過控制巖溶水的循環(huán)通道，從而控制區(qū)內(nèi)巖溶發(fā)育的方向和規(guī)模；③區(qū)內(nèi)大型巖溶形態(tài)發(fā)育的向深性和方向性受斷層控制，同時發(fā)育規(guī)模也由節(jié)理裂隙密度決定；④褶皺核部及轉(zhuǎn)折部位多形成張拉裂隙，巖溶發(fā)育強烈，翼部徑流作用有利于巖溶發(fā)育。

為了解大伙房水庫輸水隧洞地應(yīng)力場分布對洞室圍巖穩(wěn)定性的影響,采用地質(zhì)力學(xué)方法研究了該區(qū)構(gòu)造形跡特征,闡明了地應(yīng)力場演化特征,首次將應(yīng)力場演化劃分為4個期次,并結(jié)合實測地應(yīng)力數(shù)據(jù)建立了工程區(qū)地應(yīng)力場分布模型。結(jié)果表明該區(qū)是以水平殘余構(gòu)造應(yīng)力為主的中應(yīng)力區(qū),最大水平主應(yīng)力方向為近ew,與洞軸線夾角為39°~46°,對圍巖穩(wěn)定性影響較大。

通過對大量實測地應(yīng)力資料的深入分析和對云南麗江地區(qū)、川西北氓江上游地區(qū)的現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查，結(jié)合系統(tǒng)的數(shù)值模擬分析，進(jìn)行了斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場的影響及其工程意義的研究：（１）系統(tǒng)研究了地應(yīng)力的形成因素和影響因素，闡明了斷裂在地應(yīng)力場形成中的作用；（２）分別研究了活動斷裂和非活動斷裂對地應(yīng)力場的影響：（３）研究了云南麗江地區(qū)和川西北岷江上游地區(qū)的斷裂構(gòu)造格架、主要斷裂的現(xiàn)今活動性及其對應(yīng)力場的影響；（４）應(yīng)用離散元法研究了斷裂引起附近應(yīng)力場變化的規(guī)律及其機理：（５）通過實例研究闡明了斷裂構(gòu)造對地應(yīng)力場影響的工程意義．通過上述研究，本文取得了如下進(jìn)展和新認(rèn)識：（ⅰ）重力作用和地質(zhì)構(gòu)造運動是形成地應(yīng)力的兩個最基本的因素，地質(zhì)構(gòu)造、地形、巖性等則是影響地應(yīng)力的重要因素，而斷裂構(gòu)造是造成地殼巖體中應(yīng)力發(fā)生復(fù)雜變化的主要因素之一．（２）不論是單一活動斷裂還是復(fù)合活動斷裂，均對巖體中的應(yīng)力場有明顯的影響。活動斷裂附近的主應(yīng)力方位和量值均不同程度地發(fā)生變化，而這種變化主要限于斷裂附近一定距離內(nèi)。同一條斷裂不同段具有不同的應(yīng)力狀態(tài)，活動斷裂附近的應(yīng)力是隨時間而變化的，特別是在地震活動區(qū)。復(fù)合活動斷裂能造成在斷裂復(fù)合部位的局部應(yīng)力集?

采用小孔徑水壓致裂地應(yīng)力測量裝置在伊泰礦區(qū)3個煤礦完成了10個測點的原巖應(yīng)力測量。實測數(shù)據(jù)表明:礦區(qū)應(yīng)力場屬于低地應(yīng)力值區(qū)域,構(gòu)造應(yīng)力占絕對優(yōu)勢,最大水平主應(yīng)力方向以北東方向為主;由于受埋藏深度、地質(zhì)構(gòu)造和地形地貌影響,各礦地應(yīng)力值差別較大,最大水平主應(yīng)力方向亦有所偏差。基于實測數(shù)據(jù),得出最大與最小水平主應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力和垂直應(yīng)力的差值普遍較大,導(dǎo)致巖體內(nèi)剪應(yīng)力較大;分析了地應(yīng)力隨埋藏深度的變化規(guī)律,并得出水平主應(yīng)力與埋深之間的關(guān)系。

在闡述皮里青礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上,重點分析皮里青礦區(qū)煤層受構(gòu)造的影響產(chǎn)生結(jié)構(gòu)和厚度變化,總結(jié)得出侏羅系中統(tǒng)西山窯組中段主要含煤層段的地層特征,查明了礦區(qū)可采煤層的層數(shù)和厚度等.在總結(jié)該礦區(qū)構(gòu)造特征和變化規(guī)律后,可以預(yù)測該礦區(qū)煤層厚度和結(jié)構(gòu)變化的規(guī)律,有效地組織生產(chǎn),提高采掘效率.

在系統(tǒng)分析宿縣、臨渙礦區(qū)地質(zhì)構(gòu)造特征的基礎(chǔ)上,根據(jù)不同區(qū)域的構(gòu)造復(fù)雜性和差異性,將宿臨礦區(qū)劃分了三個構(gòu)造區(qū):構(gòu)造強烈區(qū)、構(gòu)造疊加區(qū)和構(gòu)造中常區(qū),詳細(xì)闡述了各構(gòu)造區(qū)內(nèi)煤層瓦斯賦存及煤與瓦斯突出特征,揭示了地質(zhì)構(gòu)造對瓦斯災(zāi)害具有重要的控制作用,研究成果對煤礦瓦斯災(zāi)害防治有積極的指導(dǎo)意義。

引細(xì)入蘭輸水工程主洞線穿越的巖性是太古界混合巖、混合花崗巖、下元古界遼河群浪子山組二云片巖、變粒巖及白云石大理巖,巖性較簡單,但構(gòu)造較復(fù)雜。穿越洞線斷層總計有14條。這些較大的斷層對洞線均有不同程度的切割和破壞作用。對隧洞施工影響較大的是f4和f18兩條斷層。發(fā)育六組節(jié)理,對工程將產(chǎn)生不利影響。

基于小灣水電站壩址區(qū)工程地質(zhì)地形條件,研究分析了影響工程考察域初始地應(yīng)力場的基本因素及其空間分布,建立了壩址區(qū)三維有限元計算模型和初始地應(yīng)力場參數(shù)空間分布模型;利用大型通用有限元軟件msc.marc和地應(yīng)力實測資料,借助最小二乘法原理,以回歸精度為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化了構(gòu)造擠壓荷載的模擬和作用組合,實現(xiàn)了初始應(yīng)力場空間分布模型的參數(shù)估計。計算結(jié)果表明,改進(jìn)后的方法較傳統(tǒng)方法回歸精度有了較大提高,能較為合理地模擬小灣壩址區(qū)三維初始地應(yīng)力場。

巖體初始應(yīng)力場是影響巖體變形與穩(wěn)定的主要力源,也是巖土工程設(shè)計和施工中考慮的主要因素之一,尤其在高地應(yīng)力地區(qū)顯得尤為重要。根據(jù)官地水電站廠區(qū)的地質(zhì)條件及地應(yīng)力實測資料,運用有限元數(shù)值分析方法,對壩址區(qū)初始應(yīng)力場進(jìn)行回歸反演分析,計算結(jié)果表明:廠區(qū)存在較大的水平向地質(zhì)構(gòu)造作用,巖體的地應(yīng)力由自重和構(gòu)造應(yīng)力疊加而成;通過多方案分析論證,實測點的計算應(yīng)力值與實測值在量值上和方向上均較為接近,表明反演得到的壩址區(qū)三維地應(yīng)力場是合理的,符合近壩區(qū)地質(zhì)構(gòu)造歷史背景,其成果可供工程采用。

結(jié)合某水電站壩區(qū)地形地質(zhì)條件,利用21個測點的實測資料對壩區(qū)的地應(yīng)力場進(jìn)行三維有限元回歸分析,揭示了該地區(qū)域內(nèi)巖體初始地應(yīng)力場的基本特征和分布規(guī)律,并研究了地質(zhì)構(gòu)造和左右岸各類結(jié)構(gòu)面對壩址區(qū)初始地應(yīng)力場的影響.

位于西北地區(qū)某市附近的水庫壩址工程在建期間,筆者曾對該區(qū)段地應(yīng)力狀態(tài)做過詳細(xì)的現(xiàn)場勘察與研究工作。文中系統(tǒng)回顧和總結(jié)了當(dāng)前國內(nèi)、外對地應(yīng)力狀態(tài)的劃分方法,然后,在研究過程中結(jié)合本研究區(qū)的實際情況,采用了定量判別與定性劃分兩種方案對該水庫大壩壩址工程區(qū)的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了系統(tǒng)評價與劃分研究。研究結(jié)果表明:研究區(qū)水庫壩址工程區(qū)為低地應(yīng)力狀態(tài)。

初始地應(yīng)力的方向、量值和分布形式是影響巖石地下工程圍巖應(yīng)力、變形和破壞模式的重要因素,在工程區(qū)域難以開展大量實測工作,且實測結(jié)果具有相當(dāng)?shù)碾x散性,引入數(shù)值分析方法和數(shù)學(xué)理論對地應(yīng)力場綜合分析是有效的解決手段之一。結(jié)合滇中引水香爐山隧洞穿越龍蟠-喬后斷裂段(楚波–白漢場斷裂南段)工程,針對實測結(jié)果中方向結(jié)果離散性較大的問題,基于中國現(xiàn)代構(gòu)造地應(yīng)力場特征,對麗江地區(qū)復(fù)合斷裂對區(qū)域地應(yīng)力場影響的理論分析與數(shù)值模擬,獲取了地應(yīng)力場方向的定性認(rèn)識?；阢@孔測試成果,通過基于多元線性回歸的三維地應(yīng)力場反演獲取了地應(yīng)力場方向與量值的定量認(rèn)識。獲得的初步結(jié)果表明,龍蟠–喬后斷裂f10運動形式以正斷錯動為主；左旋走滑為輔的滑動,受其影響隧洞工程在穿越f10斷裂部位的主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn),偏轉(zhuǎn)后最大主應(yīng)力方向近似平行或小夾角相交于f10斷裂走向；反演獲得的香爐山隧洞趨近f10-1、f10-2段最大主應(yīng)力量值范圍為13~19mpa,中間主應(yīng)力為11~16mpa,最小主應(yīng)力為9~13mpa,應(yīng)力量值較高,并呈現(xiàn)δ_h>δ_z>δ_h(h、h分別為最大、最小水平主應(yīng)力)的特征；f10斷裂f10-1、f10-2主斷帶成為地應(yīng)力場的控制性邊界,其間應(yīng)力量值明顯小于上下兩盤巖體,f10-1、f10-2主斷帶間巖體最大主應(yīng)力量值范圍在9~10mpa,最小主應(yīng)力量值范圍在7~10mpa,地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向與隧洞縱軸線以約60°夾角相交,相交角度較大,對隧洞穩(wěn)定性影響較大。