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某抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征與應(yīng)力場分析

文檔作者：王帥董維俊劉雪瑩		更新日期： 2026年07月21日	點(diǎn) 擊數(shù)：
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生態(tài)與實(shí)踐ECOLOGY &amp;amp; PRACTICE
-98-
某抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面發(fā)育
特征與應(yīng)力場分析
○王帥　董維俊　劉雪瑩
摘要：本文在某抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)區(qū)域地質(zhì)特征和地質(zhì)條件研究基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)所研究工程區(qū)圍巖斷層的
空間展布特征和發(fā)育特征進(jìn)行了分析。通過現(xiàn)代地應(yīng)力測量，獲得了輸水發(fā)電系統(tǒng)區(qū)現(xiàn)代地應(yīng)力場特征，根據(jù)計(jì)算確定
了現(xiàn)代構(gòu)造應(yīng)力場的性質(zhì)。通過對(duì)斷層和節(jié)理結(jié)構(gòu)面空間展布和發(fā)育特征的研究，并結(jié)合該工程區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造的整體特
點(diǎn)，恢復(fù)了該區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場，并將該區(qū)古構(gòu)造應(yīng)力場與現(xiàn)代地應(yīng)力場進(jìn)行了對(duì)比分析。
關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)面；發(fā)育特征；應(yīng)力場
一、引言
巖體中結(jié)構(gòu)面會(huì)對(duì)工程施工和
運(yùn)行安全產(chǎn)生不利影響，結(jié)構(gòu)面存
在會(huì)破壞巖體的完整性，影響巖體
的質(zhì)量，大大降低巖體的強(qiáng)度和工
程性能， 從而對(duì)巖體的穩(wěn)定性產(chǎn)
生消極影響。結(jié)構(gòu)面存在還會(huì)降低
巖體分類等級(jí)以及邊坡巖體力學(xué)性
質(zhì)，對(duì)邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。
因此，對(duì)工程區(qū)周圍及工程區(qū)內(nèi)結(jié)
構(gòu)面分布特征和發(fā)育特征分析研究
有著極其重要的意義。
長期以來，眾多國內(nèi)外專家學(xué)
者對(duì)此進(jìn)行了深入探討。易鑫等[1]
以易滑巖組中泥巖與砂巖間的異形
結(jié)構(gòu)面為研究對(duì)象，開展了干濕循
環(huán)作用下異性結(jié)構(gòu)面剪切數(shù)值試
驗(yàn)，揭示出粗糙度對(duì)異性結(jié)構(gòu)面剪
切強(qiáng)度劣化的影響機(jī)制；吳備創(chuàng)等
[2] 研究了粗糙度和充填物對(duì)節(jié)理剪
切力學(xué)行為的影響；袁偉等[3] 針對(duì)
非充填巖石節(jié)理的動(dòng)態(tài)剪切力學(xué)特
性室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究，首先系統(tǒng)闡述了
相關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)的特點(diǎn)及其發(fā)展，然
后總結(jié)了巖石節(jié)理動(dòng)態(tài)剪切強(qiáng)度和
變形特征的研究成果；戴盈磊等[4]
模擬在遼寧地區(qū)構(gòu)造應(yīng)力體系下各
種產(chǎn)狀的斷層面上可產(chǎn)生的相對(duì)剪
應(yīng)力和相對(duì)正應(yīng)力分布情況，分析
認(rèn)為蓋州青石嶺震群是一處地質(zhì)薄
弱帶，背景構(gòu)造應(yīng)力場在其最近一
期的活動(dòng)中未起主導(dǎo)作用；馬軍等[5]
引入地質(zhì)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，利用已知裂
隙幾何參數(shù)的空間相關(guān)性預(yù)測盲區(qū)
內(nèi)的裂隙。本研究針對(duì)某抽水蓄能電
站輸水發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行分析，探
討了結(jié)構(gòu)面與應(yīng)力場之間的聯(lián)系，為
結(jié)構(gòu)面研究提供了新的思路。
二、工程地質(zhì)條件
（一）地形地貌
工程區(qū)屬流水侵蝕、風(fēng)化剝蝕
作用形成的中、低山及丘陵地貌，
地面高程在260 ～ 1300m 之間。
（二）地質(zhì)構(gòu)造
工程區(qū)內(nèi)無區(qū)域性斷層通過，
主要構(gòu)造以規(guī)模不大的斷層和節(jié)理
( 裂隙) 為主。
（三）水文條件
工程區(qū)地下水主要來源于大氣
降雨、降雪補(bǔ)給，水量受季節(jié)性控
制，根據(jù)地下水賦存條件，可分為
基巖裂隙水和孔隙潛水。
（四）地層巖性
工程區(qū)出露地層主要為元古界
震旦系下統(tǒng)休寧組、雷公塢組和上
統(tǒng)藍(lán)田組沉積巖以及燕山晚期的花
崗巖類侵入巖，第四系覆蓋層零星
發(fā)育，以沖洪積、殘坡積和崩坡積
為主，主要分布于沖溝、坡面、坡
腳和地勢(shì)低洼一帶。
三、結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征研究
（一）斷層發(fā)育特征
研究區(qū)域主要為碎屑沉積巖
地層， 地質(zhì)構(gòu)造上屬復(fù)背斜南東
翼， 工程區(qū)內(nèi)呈單斜構(gòu)造， 地
層總體產(chǎn)狀為N65 ～ 85 ° W，
NE ∠ 55 ～ 85°。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資
料，該區(qū)域共揭示斷層為53 條（見
表1），根據(jù)斷層走向數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)
出了斷層走向玫瑰花圖（見圖1），
其中斷層走向NNW 最多， 為17
條，約占總體統(tǒng)計(jì)斷層的32％，其
他的走向大致平均分布在NNE、
NE、NEE、NW、NWW 這幾個(gè)方
向，均為6~8 條，占總體統(tǒng)計(jì)斷層
的11％到35％。
表1 斷層走向分布統(tǒng)計(jì)表
走向分布平均走向條數(shù)
10~20° 15° 3
20~30° 25° 4
30~40° 32° 2
40~50° 45° 3
50~60° 51° 2
60~70° 62° 2
70~80° 75° 4
350~360° 355° 8
340~350° 345° 8
330~340° 335° 2
320~330° 325° 5
310~320° 314° 1
300~310° 305° 1
290~300° 295° 3
280~290° 285° 5
ECOLOGY &amp;amp; PRACTICE 生態(tài)與實(shí)踐
-99-
圖1 斷層走向玫瑰花圖
（二）節(jié)理發(fā)育特征
該輸水發(fā)電系統(tǒng)圍巖主要為粉
砂巖和花崗巖， 沿線除巖層層面
及不同級(jí)別斷層外， 還發(fā)育大量
NNW 向、NNE 向中～陡傾角優(yōu)勢(shì)
節(jié)理組，這些節(jié)理為小型地質(zhì)結(jié)構(gòu)
面，在結(jié)構(gòu)面分級(jí)中屬于Ⅴ級(jí)結(jié)構(gòu)
面。盡管該類結(jié)構(gòu)面規(guī)模小，但因
數(shù)量眾多，對(duì)巖體質(zhì)量可能存在明
顯的不利影響。在粉砂巖段，測量
統(tǒng)計(jì)節(jié)理?xiàng)l數(shù)共2086 條，節(jié)理走
向分布見統(tǒng)計(jì)表2，對(duì)應(yīng)節(jié)理走向
玫瑰花圖見圖2。
圖2 粉砂巖段節(jié)理走向玫瑰花圖
通過統(tǒng)計(jì)分析可知粉砂巖
段的節(jié)理有三組優(yōu)勢(shì)面， 分別
為N70 ～ 85 ° W， 層面節(jié)理，
面平直， 延伸長， 鐵錳質(zhì)渲染；
N5 ～ 30° W，面平、光滑，延伸
長，鐵錳質(zhì)渲染，間距5 ～ 20cm；
N5 ～ 30 ° E， 面平直， 斷續(xù)延
伸，鐵錳質(zhì)渲染。間距30 ～ 40cm
總共統(tǒng)計(jì)的節(jié)理的數(shù)目為2086
條， 其中節(jié)理分布的走向?yàn)?
N70 ～ 85° W，節(jié)理數(shù)最多為380
條，占總節(jié)理數(shù)的19％，而走向?yàn)?
N5 ～ 30° W 和N5 ～ 30° E 的節(jié)
理數(shù)相近，均約為250 條，占統(tǒng)計(jì)
節(jié)理總數(shù)12 ％。從統(tǒng)計(jì)的結(jié)果不
難發(fā)現(xiàn)，該區(qū)節(jié)理具有明顯的優(yōu)勢(shì)
方向。
在花崗巖段，測量統(tǒng)計(jì)節(jié)理?xiàng)l
數(shù)共671 條，通過統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn)花
崗巖節(jié)理面有5 組優(yōu)勢(shì)節(jié)理走向，
分別為N10 ～ 20 ° W， 延伸較
長，面平，多附鈣質(zhì)、鐵錳質(zhì)，間
距15 ～ 40cm；N30 ～ 40 ° W，
延伸較長， 面平， 多附鈣質(zhì)，
見泥質(zhì)， 間距10 ～ 20cm；
N30 ～ 50 ° W， 延伸較長， 面
平， 多附鈣質(zhì)、綠泥石等， 間距
20 ～ 50cm；N20 ～ 30 ° E， 斷
續(xù)延伸， 面平， 多附鈣質(zhì)， 間距
10 ～ 30cm；N70 ～ 80 ° E， 斷
續(xù)延伸， 平行平直發(fā)育， 多附鈣
質(zhì)，間距20 ～ 45cm。統(tǒng)計(jì)的節(jié)理
面的總數(shù)為671 條， 其中分布在
N10 ～ 40° W 方向的節(jié)理為235 條，
占35％，即節(jié)理的走向在NNW 方
向占優(yōu)勢(shì)，這里與前面統(tǒng)計(jì)斷層發(fā)
育狀況得到的結(jié)果相吻合。
四、地應(yīng)力場分析
（一）現(xiàn)代地應(yīng)力場
工程區(qū)自第四紀(jì)以來，新構(gòu)造
運(yùn)動(dòng)以間歇性上升運(yùn)動(dòng)為主要特
征，同時(shí)在大面積上升背景下有微
弱斷塊差異升降運(yùn)動(dòng)，其活動(dòng)性主
要表現(xiàn)出如下幾個(gè)特征：
(1) 本區(qū)經(jīng)過印支運(yùn)動(dòng)，地殼
大面積隆起成陸，海水全部退出，
結(jié)束海侵歷史，轉(zhuǎn)化為陸相沉積。
自侏羅紀(jì)開始，大陸連成一片，早、
中侏羅紀(jì)均為內(nèi)陸斷陷盆地的粗碎
屑巖建造，并在晚侏羅紀(jì)有強(qiáng)烈的
巖漿活動(dòng)。白堊紀(jì)成為內(nèi)陸盆地，
沉積一套粗碎屑巖建造，并有強(qiáng)烈
的火山活動(dòng)，沉積一套火山噴發(fā)巖，
但分布范圍不及晚侏羅世廣泛。區(qū)
域范圍最主要的地殼運(yùn)動(dòng)是差異升
降運(yùn)動(dòng)，這種新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)是晚白堊
世～早第三紀(jì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的延續(xù)；新
構(gòu)造期的斷裂活動(dòng)絕大部分是前期
斷裂的再活動(dòng)。
(2) 差異性突出表現(xiàn)在新構(gòu)造
期尤其是第四紀(jì)總體隆起背景上的
相對(duì)差異運(yùn)動(dòng)。部分地區(qū)抬升、部
分地區(qū)陷落，這種差異性升降控制
著區(qū)域范圍的地貌分區(qū)。
(3) 新構(gòu)造期地殼運(yùn)動(dòng)具明顯
的間歇性。晚第三紀(jì)末地殼強(qiáng)烈上
升，處于剝蝕時(shí)期。第四紀(jì)早更新
世地層與下伏地層之間一般都為沉
積間斷接觸。中更新統(tǒng)與晚更新統(tǒng)
之間常發(fā)育一層皮殼狀褐鐵礦層的
風(fēng)化殼，表明本區(qū)目前處于上升剝
蝕時(shí)期。
（二）古地應(yīng)力場分析
古構(gòu)造應(yīng)力場的分析應(yīng)該根據(jù)
工程區(qū)的大中型構(gòu)造作為主要依
據(jù)，其次參考小型的構(gòu)造發(fā)育。在
大中型構(gòu)造中，褶皺是最為可靠的
構(gòu)造應(yīng)力場的判斷依據(jù)，一般根據(jù)
褶皺的褶軸方向即可判斷地層形成
褶軸時(shí)的受力擠壓方向。從而判斷
出最大主應(yīng)力方向，此外褶軸作為
可靠依據(jù)的原因是褶軸一旦形成，
表2 節(jié)理走向統(tǒng)計(jì)表
走向分布平均走向條數(shù)
0~10° 5 198
10~20° 15° 248
20~30° 25° 218
30~40° 35° 149
40~50° 45° 149
50~60° 55° 208
60~70° 65° 104
70~80° 75° 183
80~90° 85° 139
350~360° 355° 228
340~350° 345° 267
320~330° 325° 139
310~320° 317° 71
280~290° 285° 366
270~280° 275° 139
生態(tài)與實(shí)踐ECOLOGY &amp;amp; PRACTICE
-100-
其方向不會(huì)輕易發(fā)生改變，即使后
期發(fā)生再次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，原始
褶皺的褶軸也會(huì)保存下來，為判斷
古構(gòu)造應(yīng)力場提供可靠的依據(jù)。在
大中型構(gòu)造中，斷層也可以作為回
復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場的一個(gè)依據(jù)，一般
情況下，先判斷出斷層的性質(zhì)，即
為正斷層還是逆斷層，確定好斷層
的性質(zhì)后， 然后根據(jù)斷層的走向
以及內(nèi)摩擦角確定最大的主應(yīng)力
方向。
根據(jù)調(diào)查研究可知，工程區(qū)經(jīng)
過多次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)期，該工程
區(qū)最早經(jīng)受的是褶皺運(yùn)動(dòng)的影響，
褶皺運(yùn)動(dòng)的時(shí)期應(yīng)為雪峰、加里東、
印支時(shí)期，在這些時(shí)期，地質(zhì)構(gòu)造
運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈，形成褶皺的褶軸走向多
為北東向，根據(jù)這些褶皺走向可以
初步判斷該工程區(qū)在雪峰到印支
期受到的應(yīng)力方向可能為：σ1 方
向?yàn)楸蔽飨蚺c南東向擠壓，σ2 方
向?yàn)楸睎|向，即為褶皺的走向，而
σ3 的方向應(yīng)該為同時(shí)垂直σ1 和
σ2 的方向向下。
燕山期的運(yùn)動(dòng)主要為塊體的斷
裂為主，故該工程區(qū)的斷層多為燕
山期形成的。由調(diào)查研究可知，工
程區(qū)內(nèi)發(fā)育的斷裂走向多為北東，
北北東方向。根據(jù)前面分析可知，
當(dāng)斷層的走向?yàn)楸睎|向時(shí)，一段內(nèi)
摩擦角為30°，斷層的σ1 方向應(yīng)
垂直斷層面的走向并且與斷層面的
夾角為30°，即：σ1 的方向?yàn)楸?
西向，而σ2 的方向?yàn)閿鄬拥淖呦?
北東向，這結(jié)論與前面討論褶皺時(shí)
得到的應(yīng)力場相吻合，故兩段時(shí)期
的構(gòu)造應(yīng)力場有聯(lián)系。
（三）構(gòu)造發(fā)展史
研究區(qū)域巖性為碎屑沉積巖
地層， 根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展時(shí)
期， 該部分屬于雪峰和印支時(shí)期
的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)， 地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的形
式表現(xiàn)為褶皺運(yùn)動(dòng)， 即以水平擠
壓運(yùn)動(dòng)為主， 故形成了復(fù)背斜。
而工程區(qū)位于背斜的SE 翼，因此
在地層上表現(xiàn)為單斜的地層， 地
層總體產(chǎn)狀為N65 ～ 85 ° W，
NE ∠ 55 ～ 85°，實(shí)則在另一翼有
與之相對(duì)應(yīng)的地層。而在輸水下半
段巖性表現(xiàn)為侵入巖，一般情況下，
侵入巖會(huì)沿著斷裂構(gòu)造侵入，而燕
山運(yùn)動(dòng)的表現(xiàn)形式以塊體的斷裂運(yùn)
動(dòng)為主，因此在燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，形
成了許多斷裂構(gòu)造，而巖漿沿著斷
裂構(gòu)造侵入到地層中，從而形成了
侵入的巖體。
古新世早期，上升漸漸變?nèi)酰?
中、晚期有過兩次幅度較大的緩慢
沉降，古新世末地殼再次上升，坳
陷進(jìn)一步收縮。進(jìn)入始新世早期，
上升的速度加快，幅度明顯增大，
坳陷再次收縮。始新世末，各坳陷
基本上被填平，并上升遭受剝蝕。
晚第三紀(jì)時(shí)期，區(qū)域古地理面貌與現(xiàn)
代地貌特征基本相似，只在長江沿岸
等地相對(duì)凹陷，接受河、湖相沉積。
五、結(jié)論
本文通過對(duì)某抽水蓄能電站的
輸水發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)面展開研究分
析，結(jié)合具體實(shí)地的地質(zhì)資料，分
析工程區(qū)的工程地質(zhì)條件，特別是
通過對(duì)研究工程區(qū)域的斷層與節(jié)理
的特征以及發(fā)育狀況的分析，最后
通過恢復(fù)古構(gòu)造應(yīng)力場和研究現(xiàn)代
應(yīng)力場與古應(yīng)力場的聯(lián)系，可以得
到如下結(jié)論。
（１）該地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造受區(qū)域
板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制影響，受太平
洋板塊與亞歐板塊運(yùn)動(dòng)的擠壓影響
作用比亞歐板塊與印度洋板塊運(yùn)動(dòng)
的擠壓作用強(qiáng)烈，構(gòu)造的走向?yàn)楸?
東向，古構(gòu)造應(yīng)力場最大主應(yīng)力方
向?yàn)镹30 ～ 50 ° W。（ ２） 該工
程區(qū)域的結(jié)構(gòu)面發(fā)育特征不僅受歷
史構(gòu)造應(yīng)力的影響，而且還受現(xiàn)代
應(yīng)力場的影響，現(xiàn)代地應(yīng)力場最大
主應(yīng)力方向?yàn)镹60 ～ 80 ° E， 主
要為構(gòu)造地應(yīng)力。因此，結(jié)構(gòu)面的
發(fā)育特征并不是全部與大中型構(gòu)造
反推出來古地應(yīng)力的應(yīng)力場一致。
（３）研究工程區(qū)發(fā)育大量的節(jié)理，
節(jié)理在N10 ～ 40° W 最發(fā)育。（４）
研究工程區(qū)根據(jù)地質(zhì)構(gòu)造的發(fā)展時(shí)
期，首先經(jīng)過雪峰和印支時(shí)期的構(gòu)
造運(yùn)動(dòng)，地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的形式表現(xiàn)
為褶皺運(yùn)動(dòng)。在燕山運(yùn)動(dòng)時(shí)期，經(jīng)
歷主要以斷裂運(yùn)動(dòng)為主的構(gòu)造運(yùn)
動(dòng)，形成了許多斷裂構(gòu)造。古新
世早期，上升漸漸變?nèi)酰判率?
末地殼再次上升，坳陷進(jìn)一步收
縮。始新世末，各坳陷基本上被
填平。
參考文獻(xiàn)
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作者單位：山東省交通規(guī)劃設(shè)
計(jì)院集團(tuán)有限公司
作者簡介：王帥，生于1993 年
4 月，男，漢族，山東臨沂人，碩士
研究生，工程師，研究方向?yàn)楣こ?
地質(zhì)勘察。

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