原位地应力测量与实时监测在强构造活动区深埋地下工程中应用的思考

强构造活动区,因其原位地应力集中突出、变化复杂、各向异性显著,已成为亟待解决的重大工程地质安全问题和挑战。文章首先分析了原位地应力测量在强构造活动区深埋地下工程应用的经验和不足,然后研究了原位地应力实时监测在强构造活动区深埋地下工程中的应用方法、技术及作用,最后给出了原位地应力测量与实时监测在强构造活动区深埋地下工程中应用建议。研究表明在强构造活动区,不能仅仅依据有限深孔地应力测量结果确定深埋地下工程总体地应力设计参数,而应开展三维地应力场综合研究,揭示其三维地应力场空间分布特征,针对深埋地下工程不同位置采用不同的地应力设计参数,避免因地应力设计参数偏大或偏小造成工程建设浪费或工程病害;在强构造活动区,饼状岩芯密度与地应力测量大小成反比,在饼状岩芯发育深度范围之下未来会形成但仍未形成饼状岩芯的深度范围往往地应力最高、应力最为集中,深埋地下工程应避免该深度范围;原位地应力实时监测可以动态揭示某一构造部位地应力大小的相对变化趋势和演化过程,并可计算地应力实时监测期间不同时域地应力状态绝对值,当大地震或重大工程地质问题发生后,不用开展新的地应力绝对测量,就可以快速评价区域地壳稳定性、深埋地下工程地质安全风险等,为深埋地下工程损毁修复提供量化设计地应力参数及预防变形破坏应力应变预留阈值,评价断层活动危险性。研究成果可为强构造活动区重大工程规划建设和安全运维提供科学依据。

北京平原区夏垫断裂1679年三河—平谷8级地震地表破裂带特征

夏垫断裂是北京地区重要的活动断裂之一。1679年该断裂发生三河—平谷8级地震,是北京及邻区历史记录的最大地震,地表形成了至今仍清晰可见的地震地表破裂带。弄清楚该断裂古地震活动和地表破裂带特征是优化北京地区国土空间开发格局和防灾减灾体系建设的重要内容。通过探槽开挖、光释光(OSL)测年、断层陡坎形态及地层位错分析,揭示了夏垫断裂古地震活动性、古地震序列和地表破裂带特征。结果表明:(1)夏垫断裂大胡庄南探槽显示的地层错断、地震楔及崩积楔等揭示了夏垫断裂的两次古地震事件,分别约为(1.610±0.130)ka B.P.古地震及1679年三河—平谷8级地震,地层位错分别约为0.3、2.5 m;(2)夏垫断裂20 ka以来存在7个期次的古地震事件,大地震的平均复发周期约为2716年;(3)地震地表破裂带地层位错整体趋势与地形测量数据所得结果基本一致,但在大康庄段到齐心庄段,地层位错距离大于断层陡坎地面测量的高度,表明地表断层陡坎形态可能受人类活动的影响,探槽揭露的地层位错量有助于进一步理解夏垫断裂1679年三河—平谷8级地震地表破裂带特征。

青藏高原及邻区地应力对深埋隧道岩爆倾向性影响机制探讨

构造活跃区大量工程实例表明,地应力是影响深埋隧道稳定性的重要因素之一。应用三维应力场有限元数值模拟探讨了青藏高原及邻区最大水平主应力方向和隧道轴向夹角φ与侧压力系数K_(H)耦合变化对深埋隧道应变能分布及岩爆倾向的影响。对不同地应力条件下深埋隧道围岩应变能密度分布特征进行了分析,并通过数值分析初步厘定最大水平主应力方向和隧道轴向夹角、侧压力系数与隧道不同关键位置应变能密度的多元回归方程。研究结果表明:最大水平主应力方向和隧道轴向夹角φ=45°左右时,隧道夹角变化对岩爆倾向性影响最大;最大水平主水平应力方向和隧道轴向垂直时,K_(H)变化对围岩应变能密度影响最显著;当最大水平主应力方向和隧道轴向平行时,K_(H)变化对围岩应变能密度影响最小。所厘定的多元回归方程已通过多条青藏高原及邻区典型深埋隧道验证,可用于快速评估夹角和侧压力系数对隧道稳定性的影响,高效服务隧道规划设计。

北京顺义断裂活动对首都机场地裂缝影响定量研究

顺义断裂是北京平原区重要的晚更新世活动断层。首都国际机场位于顺义断裂中段,2010年以来,机场跑道地裂缝逐渐加剧,地裂缝两侧最大垂直位移差高达20 cm,已经严重影响机场安全运行。当前,顺义断裂活动对首都机场地裂缝的影响仍以定性描述为主。文章以顺义断裂几何结构、第四纪活动性以及首都机场地裂缝调查研究为基础,依据断层位错理论,定量分析了顺义断裂蠕滑活动对机场地裂缝形成的贡献,研究了1996年12月16日顺义M_(L)4.5级地震对机场地裂缝可能产生的影响,并讨论了顺义断裂未来发生潜在强震时机场地裂缝灾害风险增加的趋势。分析认为,在0.6 mm/a的垂直活动速率下,顺义断裂蠕滑活动46年,在机场地裂缝两侧产生的差异沉降量不超过2.5 cm,对机场地裂缝形成和发展的贡献量约占20%;顺义M_(L)4.5级地震对机场地裂缝的形成影响甚微,顺义断裂若未来发生7.0级地震,估算在断裂两盘产生的差异沉降量最大达104 cm,机场地裂缝灾害风险将增加5倍;顺义断裂上盘中、深层地下水抽采引起的地面差异沉降在机场地裂缝形成和扩展中的贡献量为70%,仍是导致机场地裂缝加剧的主要因素。研究结果可为首都国际机场地裂缝灾害精准防控提供重要科学参考。此外,为深入揭示顺义断裂沿线地裂缝、地面差异沉降等缓变型地质灾害成因机理和灾害效应,建议在其关键部位实施跨断层位移或形变动态监测工作。

日本M_W9.0级大地震前后华北和东北地区现今构造应力作用调整过程与研究意义探讨

为了探讨日本MW9.0级大地震前后华北和东北地区现今构造应力作用调整过程与研究意义,对华北和东北地区进行原位现今地应力绝对测量与实时监测、GPS测量,结果表明:日本大地震在山东半岛、华北北部地区和东北地区所诱发同震位移引起的张性效应调整周期分别约为6个月(即调整结束时间大约在2011年9月)、15个月(即调整结束时间大约在2012年6月)和26个月(即调整结束时间大约在2013年5月),张性效应调整周期与同震位移大小成正比。在这种调整过程中,往往表现出区域现今构造应力作用方式和构造应力场转换,并可能伴随重大地质事件(如地震等)的发生。2012年5月28日和29日、6月18日、8月26日及2013年1月11日在唐山及其周围地区分别发生的4.8级、3.2级、4.0级、3.3级和3.0级地震与华北北部地区构造应力作用方式和构造应力场转换有关,而2013年10月31日以来在吉林省松原市发生的地震群应与东北地区构造应力作用方式和构造应力场转换有关,而非一个大地震前的小震群。

地应力测量及其地下工程应用的思考

国内外地应力实测资料证实,地表附近构造应力受多种影响因素的干扰,经常叠加着非构造应力(如地形等引起的应力)。为此,本文讨论了地应力测量及其地下工程应用值得注意的问题。地应力测量前应充分考虑测量孔位的选定和地形地貌、岩性、断裂等的影响;地应力测量后应对测值的各种影响因素和可靠性进行分析、进行岩石力学性质校正和对比分析以及测值的代表性分析等;工程应用应考虑具体工程所处不同构造部位、不同岩性、不同岩体结构、不同深度等局部地应力状态的变化和差异,此外,工程本身不同的设计结构、尺寸等引起的局部地应力状态变化也需予以充分考虑。

构造应力面研究

所定义的构造应力面的概念为三维空间不同地点非构造应力影响消失的深度点构成的曲面。为此,对似 U形沟谷按不同沟谷宽度、山体坡度和山体高度建立三维模型,分别考虑重力、水平侧压力以及二者联合进行三维应力场有限元数值模拟,分析最大水平主压应力在空间的变化规律,并进行数学统计分析,给出构造应力面深度随上述因素变化的经验公式。研究结果表明水平侧压力和山体高度是影响构造应力面深度的主要因素,当水平侧压力随深度变化梯度与重力梯度之比等于 1 时,在沟谷谷底,构造应力面深度近似等于山体高度。

中国典型粘黄土区地质灾害风险评估危险性影响因素分析

地层岩性、岩土体结构及其工程地质特性为黄土区地质灾害提供了物质基础,黄土斜坡的坡型、坡度、坡高、阶地等地形地貌因素为地质灾害提供了边界条件,人类工程活动和降雨为黄土区地质灾害提供了触发条件。黄土地形地貌、地层岩性、岩土体结构类型及其工程地质特性、水文地质条件等为粘黄土区地质灾害形成的内在因素,降雨、人类工程活动等为其诱发因素。

“5.12”汶川M_S8.0大地震后关于我国区域地壳稳定性评价的思考

汶川大地震引起我们对区域地壳稳定性调查评价新的思考。本文简要介绍了我国区域地壳稳定性评价的理论基础(‘安全岛’理论、地质结构控制论、区域稳定工程地质学理论、‘场’论以及其他理论和观点)和初步形成的系统化、层次化、定量化、智能化区域地壳稳定性评价方法技术,指出区域地壳稳定性评价应向小区划和四维发展,为工程建设服务。最终编写、出版中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价规范,建立区域地壳稳定性评价体系;编制、发布、实施中华人民共和国国家标准-区域地壳稳定性评价区划图(1∶400万),形成区域地壳稳定性评价国家平台,作为国土规划和工程安全建设的法制性依据和标准。

探索首都圈地区深孔地应力测量与实时监测及其在地震地质研究中应用

为提高首都北京的地质安全,在探索首都圈地区深孔地应力测量与实时监测在地震地质研究中应用思路方法的基础上,制定首都圈地区深孔地应力测量与实时监测总体规划,通过不同关键构造部位深孔地应力测量、实时监测以及测量监测结果的对比分析,揭示首都圈地区地壳浅表层现今地应力环境,捕捉中强地震发生的地应力前兆异常。平谷地应力实时监测台站全程记录了2011年3月11日日本9.0级大地震及其前后地应力大小和地下水位相对变化,尤其是大地震发生的前兆应力变化,为地震地质研究积累了宝贵的数据。通过首都圈地区不同关键构造部位地应力测量与实时监测数据的对比分析及2012年和2013年唐山及其周围地区地震发震背景的综合研究,发现唐山—滦县—昌黎一带,尤其是昌黎地区,现今构造活动异常,需要重点关注其未来发展趋势。

雅砻江锦屏一级水电站坝址区实测地应力与重大工程地质问题分析

本文对雅砻江锦屏一级水电站坝址区Ⅱ1-Ⅱ1及其前后剖面实测地应力进行了系统整理分析。分析结果表明:在相同的水平和垂直埋深条件下左岸坡角应力大小较右岸坡角小,这主要是由边坡岩体结构确定的;左岸导流洞开挖过程中在应力大小较右岸低的情况下出现坍塌工程地质问题也与左岸边坡岩体结构有关,而非岩爆等诱发。另外对左岸岩体深部裂缝在已有研究成果的基础上从应力集中、能量积累角度初步提出了新的边坡变形破坏方式,并从岩体结构和地应力大小方面对锦屏一级水电站工程建设过程中左、右岸应注意的工程地质问题提出了初步建议。

中国大陆中东部M_s≥8.0级特大地震发震背景初步分析

从构造地貌、地质体特征及其物理力学性质、现今GPS位移场、活动断裂与现代构造应力场和能量场等方面探讨中国大陆中东部部分Ms≥8.0级特大地震发震背景。初步认为,地震是地壳局部或区域活动的表现,诱发地震的主因来自地球内部地应力、能量聚集和瞬间释放;发生地震的部位一般是地壳构造活动带或地壳结构的薄弱带,诸如活动断裂带等;活动断裂在发展演化过程中,当其穿过构造地貌、刚性结晶基底等特殊地质环境时,其活动受阻,引起地应力和能量集中。当地应力和能量积累超过岩体(石)强度,导致岩体(石)破裂,诱发地震;活动构造、地质体特征及其物理力学性质是地震发生的必要条件,地应力和能量集中是地震发生的充分条件。最后,提出中国大陆中东部中长期需重点关注的区带及工作建议。

宝鸡地区典型黄土剖面钻孔岩芯工程地质特性研究

在野外详细调查的基础上,对宝鸡市陈仓区贾村塬典型黄土剖面进行了原状全程取芯钻探工程,并开展了室内系统物理力学参数和物质组成测试分析,以探讨滑坡形成机制。系统的测试分析表明:密度和孔隙比之间成负相关关系;液限和塑限之间呈正相关关系,两者曲线波动的规律基本一致;压缩模量和压缩系数成负相关关系;内聚力和内摩擦角呈负相关的关系,但数据波动较大。典型黄土剖面黄土与古土壤颗粒组成、碳酸盐含量及主要黏土矿物分析表明:0.075～0.010mm粗粉土粒含量和碳酸盐含量呈正相关关系,二者与内聚力呈负相关关系,而与内摩擦角呈正相关关系;<0.002mm胶粒成分主要为伊利石蒙脱石混层矿物,其次为伊利石和高岭石,并与内聚力呈正相关关系,而与内摩擦角呈负相关关系。

深切峡谷地区地壳浅表层地应力状态变化分析

本文以三峡水库引水工程秦岭特长隧洞水压致裂地应力测量为例,在野外地质调查、室内超前预测分析、现场和室内测试等的基础上,对深切峡谷地区地壳浅表层地应力状态进行了系统分析,结果表明深切峡谷地区地壳浅表层分为应力降低区、应力增高区和原始应力区,原始应力区(即构造应力面)的深度大致等于地应力测点周围山体和沟谷之间的相对高差.

含油气盆地三维构造应力场数值模拟方法

含油气盆地数值模拟系统是近１０年发展起来的新技术，也是实现石油地质研究定量化的途径之一。该系统包括盆地地史、热史、生烃史、排烃史和油气运移聚集史数值模拟，而含油气盆地三维构造应力场数值模拟是排烃史和油气运移聚集史研究中的一部分重要内容，并且刚刚起步。本文运用ＳｕｐｅｒＳＡＰ有限元程序，通过辽河油田张强凹陷现今三维构造应力场数值模拟，对含油气盆地三维构造应力场数值模拟方法进行了探索。该项研究对排烃史和油气运移聚集史定量化研究，油田合理注采开发，避免或解决油井套损。

地应力测量值得注意的若干问题

国内外实测资料证实地表附近构造应力受多种影响因素的干扰,经常叠加着非构造应力(如地形等引起的应力)。本文讨论了地应力测量前后值得注意的若干问题:地应力测量前应充分考虑测量孔位的选定和地形地貌、岩性、断裂等的影响;地应力测量后应对测值的各种影响因素和可靠性进行分析,进行岩石力学性质校正和对比分析以及测值的代表性分析等。

原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中的作用和意义

当2013年4月20日四川芦山Ms7.0级大地震发生时,中国科学家已不再像2008年汶川Ms8.0大地震发生时那样茫然和不知所措。其根本原因在于,2008年汶川大地震发生后,龙门山地区开展了大量的科学研究工作,已超前初步认知龙门山断裂带西南端具有潜在地震危险性,特别是原位地应力测量和实时监测已发现绝对地应力大小高值异常和相对地应力大小临震异常变化。论文简要介绍了地震预报国际主流观点与认识,梳理了地应力在地震预报研究中的作用和认识,探讨了2004Parkfield earthquake钻孔应变监测结果给予的启示,详细介绍了原位地应力测量与实时监测在地震预报研究中应用的实践与探索。实践证明:地震预报是值得探索和研究的,原位地应力测量与实时监测是地震预报的有效方法之一。

重庆开县天然气井喷事故与现今地应力环境变化的思考

位于重庆市开县高桥镇罗家16H天然气井和罗家2天然气井分别于2003年12月23日和2006年3月25日发生特大天然气井喷和渗漏事故。2次事故除与人为因素有关外,是否有地质原因,值得深思。讨论了三峡水库蓄水可能引起的局部现今水动力学环境和地应力环境变化,提出了预防天然气井喷事故再次发生的建议。

三维构造应力场数值模拟在含油气盆地构造裂缝分析中应用初探

在三维构造应力场数值模拟的基础上,依据岩石破裂准则、岩石内各点单位体积的形变比能分别进行目标层构造裂缝发育程度与岩石破裂系数、应变能之间定量关系研究,探索三维构造应力场数值模拟在含油气盆地裂缝分析中应用的思路方法。

深圳断裂带现今构造活动性及其对深圳市输水隧洞工程地壳稳定性影响

从微震活动、断层位移监测、现今地应力测量等方面进行深圳断裂带现今构造活动性分析 ,配合构造应力场三维数值模拟 ,定量计算了深圳断裂带与输水隧洞交汇部位的现今活动量级范围以及输水隧洞不同地段轴向与最大水平主压应力夹角 ,推算出深埋输水隧洞地段现今构造应力状态 ,并结合地震活动性及其危险性、岩土体稳定性等研究成果 ,运用模糊数学方法 ,评价输水隧洞工程地壳稳定性 ,为工程设计和施工提供依据 .