我国大陆地下水封洞库库址区地应力场分布规律统计分析

王章琼，晏鄂川，鲁功达，高连通，张颀明，唐睿旋

(中国地质大学(武汉)工程学院，武汉 430074)

1 引 言

地下水封洞库是油气资源储备的重要方式之一，目前我国地下水封洞库的建设方兴未艾，预计未来还将建设更多的地下水封洞库[1]。地应力不仅影响地下洞室围岩稳定性，也对洞室群轴线的布置方向、洞室断面选择及洞室埋深、间距等起制约作用[2]，因此，开展地下水封洞库库址区地应力测量及分析地应力场分布特征，对地下水封洞库围岩稳定性控制具有重要的现实意义。

对于地应力测量及地应力场分布规律，国内外学者做了大量研究，并取得了诸多有价值的成果。Brown 等[3]通过统计世界不同地区地应力测量结果，总结了垂直应力、水平平均主应力与垂直应力之比随埋深的分布规律，该成果在全球范围内得到广泛应用。赵德安等[4]通过查阅中国现有地应力实测资料，统计分析了中国地应力场分布规律，并将地应力随深度分布曲线与霍克-布朗曲线进行了比较。景锋等[5]通过收集中国大陆地区大量地应力实测资料，分析了我国浅层地应力随深度变化规律，建立了岩浆岩、沉积岩和变质岩中地应力随埋深分布散点图，并总结了不同地质成因的岩石地应力随埋深分布规律[6]。李新平等[7]根据地应力实测资料，研究了我国大陆深部地应力随埋深分布规律，并进行了回归分析。文献[8-13]研究了我国局部地区地应力分布规律，并探讨了地质构造和地应力的关系。

有关地下水封洞库地应力方面的研究较少，王成虎等[14]探讨和分析了锦州地下水封油库地应力分布规律及其对洞库稳定性的影响。杨峰[15]统计分析了惠州地下水封洞库库址区地应力随埋深变化的基本特征。

由于实测资料匮乏，对地下水封洞库库址区地应力场的研究较少，且不够系统，难以得到较全面反映地下水封洞库库址区应力场分布特征的结论。本文通过笔者实际参与的烟台、黄岛、湛江及搜集到的惠州、锦州、大连等在建和已建成的国内地下水封洞库库址区地应力实测资料，系统分析和总结我国地下水封洞库库址区地应力场特征及规律。

2 库址区岩性及构造条件分析

2.1 建库围岩岩组

景峰等[6]认为，不同地质成因(岩浆岩、沉积岩、变质岩)的岩石中地应力分布规律存在一定差异。康红普等[16]认为，地应力实测数据的一致性与岩体的完整性、坚硬程度有关，岩体完整性越好、越坚硬，则地应力实测数据一致性越好。

笔者对烟台、黄岛、湛江、惠州、锦州、大连等地下洞库围岩岩性统计后发现，目前我国地下水封洞库围岩主要为花岗岩和浅变质花岗岩，见表1。这一类岩组属硬质岩，且岩体完整性较好，岩体质量普遍较好，90%以上的岩体质量评价结果为II 级及以上，岩性及岩体完整性对地应力测量结果的影响较小。

表1 我国地下水封洞库围岩主要岩性[2]Table 1 Main lithology of surrounding rock of underground water-sealed storage cavern in China[2]

2.2 地质构造

已有的研究表明，地应力场与地质构造关系密切[9,13,17]，大断层会引起地应力大小的变化及最大水平主应力方向的扭转[16]。实际上，根据水封油库工程地质勘察技术规定[18]，在地下水封洞库规划选址时会避开地质构造较为发育的地区。因此，大规模地质构造对地下水封洞库地应力实测数据的影响较小。

综上，统计分析中的烟台、黄岛、湛江、惠州、锦州及大连等地的地下水封洞库库址区地应力赋存的地质环境相似度较高，地应力具有统计意义。

3 地应力资料

3.1 地应力量测方法

地应力的量测方法有多种，如水压致裂法、应力解除法、应力恢复法、Kaiser 效应法和钻孔崩落法[5]等，其中，水压致裂法因操作简单、测值稳定、可同时获得最大和最小水平主应力以及方位等优点，得到广泛应用[17]。本文统计的烟台、黄岛、湛江、惠州、锦州、大连等地下洞库库址区地应力资料，均由水压致裂法获得。

3.2 地应力资料的搜集和筛选

地应力资料主要来自于本课题组参与的山东烟台、黄岛及广东湛江地下水封洞库项目勘察报告，惠州、锦州、大连地下水封洞库的地应力资料来源于已公开发表的文献[14-15,19]。

尽量保证选取的地应力数据具有广泛代表性，当某一洞库库址区地应力实测数据较多时，选取部分有代表性的点；当库址区地形地貌或局部地质条件复杂时，选取埋深较大点的数据，本次最后选取了76个点的数据作为统计样本。

4 实测地应力统计分析

国内地下水封洞库设计埋深一般不超过300 m，勘察时地应力测试深度也较小，多在300 m 之内，最大深度为399.2 m，属浅部地应力。

4.1 垂直应力随埋深分布规律

垂直主应力随埋深分布情况如图1 所示。由图可见，垂直主应力 vσ 整体上与埋深H 呈线性关系，少数点离散性大。处于同一埋深的地应力值变化范围较小，不超过1.5 MPa，反映出地形地貌、局部地质构造等差别。埋深不超过140 m时，散点图较离散；当埋深大于140 m时，线性关系十分明显。

图1 垂直主应力随埋深分布Fig.1 Distribution of σvwith depth

根据前人的研究成果，可对垂直主应力数据与埋深进行线性回归，其结果可表示为

由式（1）可知，垂直地应力与埋深的线性关系明显，回归相关性较好。线性回归式中存在量值较小的常数项，主要原因是局部断层及地形的影响。

Brown 和Hoek 统计的全球实测地应力随埋深分布规律关系式[3]为

由式（1）、（2）可知，我国地下水封洞库库址区浅部垂直地应力和埋深分布规律与全球实测地应力随埋深分布规律较为接近，但式（1）中含有一个正的常数项，且应力变化梯度（即力与埋深回归分析式中的乘积项系数，表征应力大小随埋深变化的大小程度略小于式（2））。从数值上看，垂直应力略大于上覆岩体自重，随着深度增加，差别越来越小，表明浅部垂直应力主要由上覆岩体自重引起，同时还受到浅部地质构造、地表剥蚀、岩体各向异性等因素的影响。

4.2 水平应力随埋深分布规律

我国地下水封洞库库址区浅部水平主应力随埋深分布规律如图2 所示。由图可见，我国地下水封洞库库址区浅部最大水平主应力 Hσ、最小水平主应力 hσ 总体上随深度的增大而增大，散点主要分布在一个平行的倾斜带内。对比图2 和图3 可以看出，同一深度H 处，最大水平主应力 Hσ 与最小水平主应力 hσ 的差值较大，表明水平主应力具有较强的方向性。同一深度下，Hσ 的变化范围明显大于 hσ 的变化范围，前者基本保持在3.4 MPa 左右，后者基本保持在1.2 MPa 左右。在230 m 深度范围之内，水平主应力的离散性较强；H＞230 m时，水平主应力的分布相对集中，可能与230 m 深度以下的统计样本较少有关。

Fig.2 最大和最小水平主应力随埋深分布Fig.2 Distribution of σHand σhwith depths

分别对图2 和图3 中散点图进行线性回归，得到水平主应力大小与埋深的线性表达式：

σh及σh的线性回归式中均存在一定量值的常数项，表明我国地下水封洞库库址区地壳浅部存在较大的水平应力，导致这一结果的主要原因可能是水平构造应力和地形。

朱焕春等[20]、景锋等[6]分别对世界范围及我国全国范围内不同地质成因的岩石中水平地应力随埋深分布规律进行回归分析，其中岩浆岩类线性回归公式，朱焕春公式为式（5），景锋公式为式（6）

对比我国地下水封洞库库址区水平主应力统计结果和世界范围及我国全国范围统计结果可以发现，三者的变化规律基本一致，即最大水平主应力公式的应力变化梯度和常数项均大于最小水平应力公式，但三者的回归结果中，应力变化梯度和常数项差别较大，其中，我国地下水封洞库库址区最大水平主应力变化梯度与后二者相对差分别为28.5%、31.4%，最小水平主应力变化梯度与后两者相对差分别为21.1%、19.3%。

4.3 侧压比随埋深分布规律

侧压比k 是平均水平主应力与垂直主应力的比值，常用于描述点的应力状态。Brown 等曾用最大水平主应力和最小水平主应力均值与垂直主应力的比值来研究水平地应力分布规律，即k=(σH+σh)/2σv。

我国地下水封洞库库址区侧压比k 随埋深分 布情况如图4 所示。k 值分布范围为1.23～4.33，200 m以上的深度范围内，k 值分布较为分散，主要分布在1.71～4.33 之间；200 m 以下的深度范围内，k 值分布较为集中，主要分布在1.23～1.87 之间，且随着深度的增大，有逐渐收敛的趋势。

本文采用与Brown等类似的公式形式进行回归分析，公式为

式中：a、b 均为回归系数。

经回归分析，得到侧压比系数随埋深变化的关系曲线：

我国地下水封洞库库址区地应力侧压比整体在式（9）之间。

图3 侧压比随埋深分布Fig.3 Variations of the lateral pressure ratio k with depth

对比式（2）中第1 式和式（9）可知，我国地下水封洞库库址区地应力侧压比分布范围在Brown和Hoek 统计得到的全球地应力侧压比系数随埋深分布包络线之间，与全球侧压比分布规律较接近。

5 结 论

（1）我国大陆地区地下水封洞库库址区浅部地应力总体上随埋深增大而增大，σv与H 线性关系良好。与Hoek-Brown 统计的世界范围内地应力分布规律相比，σv的线性关系式中含有一大于0 的常数项，且应力变化梯度略小于Hoek-Brown 关系式中的0.027。

（2）σH及σh整体上随深度增大而线性增大，散点主要分布在一个倾斜的平行带内。同一深度处，最大、最小水平主应力的变化范围分别基本保持在3.4 MPa 和1.2 MPa 左右。水平主应力回归式中含有常数项，说明水平应力较为显著。

（3）侧压比分布范围主要集中在1.23～4.33 之间。200 m 以上的深度范围内，k 值分布较为分散；200 m 以下较为集中。随着深度的增大，k 值分布有逐渐收敛的趋势。侧压比分布包络线位于Hoek-Brown 包络线之内，与全球分布规律较为接近。

由于目前我国地下水封洞库建设规模较小，获取的地应力数据有限，本文所统计的结果不可避免地受到地形条件、局部地质构造的影响。通过对多个不同地区具有类似建库地质条件的岩体地应力数据的统计分析，得出较为系统的认识，可为我国地下水封洞库的建设提供参考。

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