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图5-2-4 地应力随深度变化
（一）文13西块地应力分析
1.裂缝发育区
文13西块构造复杂，主要表现为断裂密集，断裂期次、规模及方位都很复杂。区内断层可分为三种类型：一类是北东向延伸、规模较大的断层，这类断层落差大，延伸长，是油藏区块的分界断层；二类是近南北向延伸的中等规模断层；三类是北西南东向和北东南西向的小断层.这些断层对区内古地应力有较明显的影响。此外，工区东北部皱褶变形也很明显，同样对古地应力产生影响。
研究结果表明，区内古地应力复杂，分布不均。根据古地应力特征、地质构造特征，将该区目的层裂缝发育分布划分成4个区域。
（1）西南部Ⅱ级裂缝发育区
该区位于文13西中段以南的西侧，文13断裂的东南盘，面积约1.4km2。区内断裂多，除西北边界文13断层外，内部断层虽然数量多，方向比较乱，但断距并不大。因此，本区古应力值并不特别大，一般为10MPa.应力方向比较复杂，除多数为北西－南东（NW-SE）向外，其余还有东西（E-W）向，大多数应力方位属有规律逐渐偏转，为较明显的应力扰乱区。
综合预测该区为Ⅱ级裂缝发育区，相对文294井区，裂缝发育程度稍弱，总体裂缝比较发育。裂缝方位以北东－南西（NE-SW）向为主，具体方位大约50°±10°，其次为近南北向，即10°±10°左右。另外，还有少量的北西南东（NW-SE）向裂缝发育，主要分布在南部地区。三组裂缝相互交错、切割，形成网状裂缝系统。
（2）文13-294井Ⅰ级裂缝发育区
该区位于文13西块南部的东南侧，面积约0.6km2，主要受西北和东南边界两条北东－南西（NE-SW）向断层以及内部其他相同方位断层影响，其他方位构造对它影响不明显。区内应力较大，且分布比较有规律性，是地应力值最大的一个区块，最大43MPa，最小12MPa，一般20～35MPa。应力方向以北东－南西（NE-SW）为主，南部方位稍有变化，但在西南边界上，由于受边界的影响，应力近东西（E-W）向和南北（S-N）向分布。
综合预测该区裂缝发育，为Ⅰ级裂缝发育区，裂缝方向为北东－南西（NE-SW）向，具体为50°±10°，在西南边界局部发育有北西－南东向和近南北向的细小裂缝。
（3）文13-153井Ⅲ级裂缝发育区
位于区块南部东南侧，文13断层南段的内侧，面积0.25km2，应力为10～15MPa，方位以北西南东（NW-SE）向为主，南北两端应力稍有变化。
综合预测本区裂缝发育程度一般，为Ⅲ级裂缝发育区，裂缝方向以北东－南西（NE-SW）向为主，即50°±10°。
（4）东北部Ⅱ级裂缝发育区
该区位于文13西块东北角，文13断层的北西侧，面积约0.75km2。除边界文13断层外，内部断层较少，但褶皱变形比较明显。因而，应力基本可由褶皱变形反演而得。总的来说，该区应力分布比较均匀，也比较有规律。应力大小一般为15～20MPa，最大为22MPa，最小为10MPa，方向基本为北西－南东（NW-SE）向，为张应力集中区。
综合预测该区裂缝发育程度较好，在本区相对为Ⅱ级裂缝发育区，裂缝方位基本上是北西－南东（NW-SE）向，大约50°±10°。
2.现代地应力分析
（1）纵向应力分布
文13西块现代地应力场分析，其纵向应力分布如表5-2-6所示。
表5-2-6 文13西块13-83井纵向地应力分布状况
（2）平面应力分布
在文13西块，利用空间力学原理计算沙三中的水平最大、最小地应力，初步得出文13西沙三中7的地应力分布（图5-2-5）。然后用有限元法调整构造边界约束条件，模拟计算构造应力场，直到区块内产生的地应力和原三口井计算的地应力大小和方向基本吻合为止。便获得了文13西块沙三中各点的地应力分布。
现代地应力场研究表明，研究区最大主应力方向为NE向，个别井区为NW向。文13西块西南部二级裂缝发育区、13-153井三级裂缝发育区、东北部二级裂缝发育区为应力危险区。此三个地区裂缝较为发育，也是注水开发政策调整时比较难于解决的地区。
（二）文13东块地应力分析
1.裂缝发育区
文13东块构造复杂，西北部为近东西走向的弧形断层——文13断层，东南部以文13-l17断层与文203块分界，内部还有文13-115断层，所有边界断层和内部断裂都有一致的走向，因而区块地应力集中且分布较有规律。
根据计算结果，结合区块地质特征和岩石力学性质，将区块划分为2个Ⅰ级裂缝区，1个Ⅱ级裂缝区，其余均为Ⅲ级裂缝发育区。
（1）文13-125井Ⅰ级裂缝发育区
位于区块中部偏南，西部边界断层——文13断层中段的弯曲处，面积0.85km2，由于受文13,13-117,13-299和13-115等4条断层的影响，与周围邻区相比地应力值较大，最大应力为40MPa，最小应力为20MPa，应力方位差异也较大，西部靠近断层处以东西方向为主或东西偏南方向，约280°±10°；东部靠近文13-299和文13-117断层附近应力值较小，但方位变化大，主要为北东向，为张应力集中区。
综合预测该区块裂缝为Ⅰ级裂缝发育区，裂缝方位西部以北北东向为主，大致为5°～25°；东部以北东向为主，大致为50°±10°，两组裂缝方位虽然方向有差异，但属于同期裂缝在不同地点方位上的偏差，不会形成相互切割的网状裂缝系统。
（2）文13-115井Ⅱ级裂缝发育区
位于区块中部，文13-125井裂缝发育区北，面积0.85km2，应力比南北相邻两个区块小，最大应力为30MPa，最小应力为20MPa，分布较为均匀。应力方向西部较稳定，以东西向为主；东部略偏向北东，为应力集中区。
综合预测该区裂缝较发育，为Ⅱ级裂缝，裂缝方位西部以北北东向为主，大致为45°±10°；另外一组裂缝延伸方向为近南北向，NNW10°～SSE10°，发育程度不好。
（3）文13-110井Ⅰ级裂缝发育区
位于区块北部，文13-110井附近及以北偏西地区，面积0.9km2，受文13-299,13-115断层及其尾端的几条断层影响，地应力值较大，且局部方位变化，最大应力30MPa，最小应力20MPa。应力方位大部分地区为北西南东向，大致320°±10°，东部边缘应力方位变化大，主要为东西向，为张应力集中区。
综合预测该区块裂缝为Ⅰ级裂缝发育区，裂缝方位西部以北东和北北东向为主，大多为北东50°，少数为北东30°。
（4）其余区
除上述几个区外，在南端和东北端有两个小区块，应力相对较小，裂缝发育程度较弱。为亚Ⅱ级裂缝区或Ⅲ级裂缝发育区。
图5-2-5 文13西沙三中7地应力分布
2.现代地应力分析
（1）纵向应力
纵向应力计算结果见表5-2-7。
表5-2-7 文13东块13-83井纵向地应力分布状况
（2）平面应力分布
在文13东块，利用空间力学原理计算水平最大和最小地应力，初步得出文13东的地应力分布（图5-2-6，图5-2-7）。
图5-2-6 文13东块最大主应力等值图
图5-2-7 文13东块最小主应力等值图
（三）文203块
文203块构造简单，主要是北东方向断层由南西向北东方向呈发散状分布，各主要断层（200-6,13-117）呈弧状弯曲，弯曲方向不一致。模拟结果表明，该区地应力值不大，分布较有规律，最大应力45MPa，方位以北西－南东向为主。
1.裂缝发育区
通过研究，将区块划分为以下几个裂缝发育区：
（1）文203-12井Ⅰ级裂缝发育区
位于区块东北部，文13-117断层东南盘，面积0.75km2，最大应力30MPa，最小20MPa，受边界影响，应力大小、方位变化较大。综合预测该区块裂缝为Ⅰ级裂缝发育区，裂缝方位以北东向为主，约45°±10°；靠近南部部分转向南北向，约1°～15°，没有形成相互切割的网状裂缝系统。
（2）东部Ⅲ级裂缝发育区
位于区块东部200-6断层东南盘北段，面积0.45km2，应力为张应力，较小（10MPa），且分布有规律。裂缝发育程度一般，为Ⅲ级裂缝发育区，裂缝方位为北东方向，约45°±10°。
（3）文203-40井Ⅰ级裂缝发育区
位于区块西南部，文203井及文203-10井一带，面积＜0.1km2，受文200-6断层及东南边界断层影响及中间－南北向斜向断层作用，地应力值较大，最大应力45MPa。综合预测该区块裂缝为Ⅰ级裂缝发育区，裂缝方位以北东向为主，多为北东45°～60°，另外一组方位约北东20°。
（4）西部Ⅱ级裂缝发育区
位于区块西南段西侧，面积约1.0km2，应力大小及方位有规律变化，以北西－南东向为主，区块裂缝发育程度较好，为Ⅱ级裂缝发育区，裂缝方位以北东向为主，大多为北东30°～50°。
2.纵向应力
纵向应力计算见表5-2-8。
表5-2-8 文203块203-45井纵向地应力分布状况
3.平面应力分布
在文203块，利用空间力学原理计算水平最大和最小地应力，初步得出文203块的地应力分布（图5-2-8～图5-2-11）。
图5-2-8 文203沙三盐层现代地应力剪应力等值线图
图5-2-9 文203沙三盐层现代地应力最大主应力等值线图
图5-2-10 文203现代地应力最小主应力等值线图
图5-2-11 文203现代地应力最大主应力等值线图
地质体赋存环境条件改造
地壳运动中，地应力不是拉张，就是挤压，而剪切则是挤压所派生的。板块学说认为，由于地幔物质的热对流，因而牵动浮在它上面的地壳随之发生水平运动，于是形成裂谷、洋中脊这些拉张应力作用的构造；而板块之间则因挤压而发生俯冲、碰撞、褶皱，最终出现造山带这类构造。
李四光则认为，由于地球自转速度的变化，变快时挤压应力产生，地壳发生褶皱，地应力方向除旋转切线方向（平行赤道）外，还由两极向赤道方向挤压，于是形成经向构造（平行于地球经线方向）和纬向构造（平行于地球纬线方向）。当速度变缓时应力方向则相反，形成地堑系统。其主应力方向仍旧为东西向和南北向两组。
汾渭裂谷在一亿多年前燕山造山运动时，表现为一系列北东方向的挤压褶皱和北西方向的张性断裂两组。沿着今天的裂谷两侧还可看到原来沉积时近水平层状岩层变得陡立起来，本来沉积在下部的地层翻卷到后来沉积的新地层之上（河津龙门口，黄河东侧陡崖可见），有的甚至平缓地倒扣上去，老的地层呈水平地冲到新地层之上，形成地质上被称作“飞来峰”的构造（如忻州东侧系舟山顶，介休东侧龙凤大沟北山坡上可见）。——这些地质现象都是在挤压应力作用下形成的。
到了距今2500万年，发生喜马拉雅造山运动时，那些早先挤压上冲的地层，或上冲盘地质体，反而顺早期断裂面滑落下来，形成如今的盆地。就像放慢了的弹性板体，应力挤压时板体被压得中间弓起而两端距离缩短，应力一松弛，弹性回跳，弓起的板体又回落成平板。
今天通过地形测量，我们知道各个盆地的面积大小；通过地震测量，知道各个盆地泥沙堆积层的厚度，也就是地壳下陷的深度。
大同盆地面积5700平方千米，盆地中堆积了新生代的松散沉积物，其下的基岩埋藏平均深1000～1100米，最深可达3500米；忻州盆地面积2050平方千米，基岩埋深500米；太原盆地面积5050平方千米，基岩平均埋深700～900米，最深处可达3800米；临汾盆地面积5200平方千米，基岩平均埋深400～600米，最大深度1800米；运城盆地面积3000平方千米，基岩平均埋深400～500米，最大深度6000米。
这些盆地大多为多边形，它们的长轴都沿着北东30°方向，排列，形式如同雁行，斜接多字形。宏观貌似规则的线形几何体，实际上内部还有次一级，不同方向断裂存在。而且破碎的各个块体的顶面，不是水平的，而是向不同方向倾斜，不少碎板甚至不是平面形，而是弯曲面，有的呈弧形弯曲，有的成穹隆状、盆凹状，形态相当复杂。可以用地形图表达方式，画出盆地地下基岩顶面的等高线图来。这种地下基岩面的等高线图，可以一目了然地揭示盆地下面基岩的起伏状况。我们在平原地区找石油，就要测出含油层顶板的等高线来，油的密度小，它必然向鼓起（称穹窿）处集中，那个隆起顶面，就是贮油构造。可以用人工地震方法，根据不同岩层地震波传动速度的差异，在不同接收点得到不同时间接收到的震动，从而画出含油层起伏形态。在含油有利构造的顶点打钻孔，就可能找到石油。
山西南北向通过山西五大盆地、汾渭裂谷地形、构造剖面图
地质环境改造主要指的是改造地质工程中的地应力和地下水条件。地下水条件改造主要指地面防渗和地下水疏干，这是地质工程中防治地质灾害的老问题，但近年来又有了发展，如为了提高岩体强度，大力降低地质体中含水量，而出现了负压抽水技术。这一技术在边坡加固和竖井施工中，愈来愈多地发挥作用。这方面的技术比较成熟，而经验也比较多，故在这里不再详谈了。下面主要谈谈地应力改造技术问题。
地应力改造的基本原理可以用图10-6说明。图中斜线是代表岩体强度，图中大莫尔圆是地质工程开挖后形成的应力状态σ1 及σ3。我们知道当莫尔圆位于地质体强度曲线下面时，则地质工程处于稳定状态，当莫尔圆超出地质体强度曲线时，地质工程就处于不稳定状态。为了保持地质工程稳定性，就是将地应力加以改造，使莫尔圆变小，使之位于地质体强度曲线下面，变不稳定地质体为稳定的地质体，提高地质工程稳定性。解决的办法有提高σ3 和降低σ1。图10-6中a为提高σ3 后得到的莫尔圆，它位于地质体强度曲线下面，在改造后的应力条件下，地质工程显然是处于稳定状态；图10-6中b为降低σ1 后形成新的应力状态的莫尔圆，它也位于地质体强度曲线下面，经过地应力改造后，地质工程也处于稳定状态，达到了地应力改造的目的。
图10-6 地应力改造原理
地应力改造也有强化和弱化两种。为了强化地质体而进行的地应力改造有三套方法。
图10-7 提高作用于地质体上围限应力的技术措施
第一套即增加σ3，应力转移及维持初始应力状态。提高σ3 是改善地质体强度、提高地质工程稳定性的常用方法之一。为了提高σ3，通常采用的技术有支护和锚固两种（图10-7）。从理论上来讲支护是可以提高σ3，但是很难做到支护结构与地质体构成紧密接触，故在实际工作中支护往往发挥不了提高σ3的作用。这里经常存在着假象，这种假象使地质工程中常常存在地质灾害的隐患，故这种方法提高σ3 不如用锚固的办法来得更可靠。为了改进这一缺点，可以采取对衬砌与地质体接触面间灌浆的办法进行补救。用锚固技术提高σ3 一种是砂浆锚杆，另一种是用预应力锚索。预埋锚杆是提高σ3的很好办法，近年来愈来愈受到重视。从概念上讲，预应力锚索是提高σ3的最好办法，它可以根据设计施加所需要的围限应力σ3，可以实现人工控制。
第二套办法为应力转移法。这个方法在地下工程建筑中可以发挥极大的作用。在高地应力地区地下工程破坏的主要方式为洞壁岩体切向应力过大引起洞壁破坏，我们可以采用减弱洞壁围岩刚度或增加洞壁围岩内部刚度的办法使洞壁处切应力向洞壁围岩内部转移，减少洞壁围岩表部的切向应力，也就是减少洞壁围岩表层内应力差，提高洞壁围岩稳定性。这两套技术愈来愈受到重视，现在已经形成了切缝和钻孔两种减弱洞壁围岩刚度的办法（图10-8），通过切缝或钻孔可以使洞壁围岩表部切向应力大大降低，而洞壁围岩表部降低的应力转移到围岩内部，围岩内部应力大大提高了。图10-9为切缝后应力变化的计算结果，计算结果表明，原型时洞壁切向应力集中系数为2.36～2.5，切缝后应力集中系数降低为0.25～0.35，效果十分明显。切缝技术仅适用于完整结构岩体，对碎裂结构岩体来说可能引起洞壁岩体连锁破坏，而钻孔技术则是对完整结构岩体和碎裂结构岩体都适用。钻孔改造应力技术的技术参数设计是一个很复杂的问题。
图10-8 洞壁切缝或钻孔使洞壁围岩内切向应力向围岩内部转移示意图
（a）洞壁切缝；（b）洞壁钻孔
图10-9 切缝后洞壁切向应力变化
图10-10 用硬包囊转移洞壁应力模型
关于提高围岩内部变形刚度使围岩内应力向里转移的办法，现在仅仅是从原理上提出了一个技术方案，就是向地质体内部注射浆液在地质体内部形成硬包囊，提高地质体内部的刚度，使应力向内转移（图10-10）。这在目前来说还没有实践经验，在技术上、经济上可行性如何还有待于探讨。
第三套办法实际上是维持初始应力状态的办法。如图10-11所示，这个办法实际上是在未开挖之前在开挖线里面预埋上锚杆，当预埋锚杆外面的地质体被开挖时，预埋锚杆限制地质体卸荷回弹，这就等于预埋锚杆对地质体施加一个围限应力σ3，实际上这是维持初始应力状态的一种办法。因为锚杆存在着弹性变形，所以预埋锚杆不能100%地维持初始应力状态，经过预埋锚杆处理后的地质体内部的应力状态要比初始状态略低一些。这个方法在地质体改造中有很多用处，它可以用于限制高地应力地区坝基清基岩体开裂（图10-12）、提高边坡陡度（图10-13）、限制地下洞室收敛变形等。
图10-11 预埋锚杆维持初始地应力原理
a—开挖前预埋锚杆；b—开挖后预埋锚杆作用原理
图10-12 用预应力锚杆限止高地应力地区坝基清基引起岩体开裂
图10-13 用预埋锚杆减少边坡开挖
a—原开挖方案；b—用预埋锚杆处理边坡方案
上面谈了地质体改造的一般原理和技术，在具体地质工程中究竟采用什么方法和技术，应根据具体情况而定。有时采取对岩体材料、岩体结构改造为宜，有时采取对环境应力条件改造为宜，究竟采用哪一种办法，将取决于技术可能性和经济合理性。下面以地下工程为例再作些进一步的说明。
地下工程的破坏有的受岩体材料控制，有的是受岩体结构控制，有的是受环境应力控制。随此，防治地下工程破坏的技术措施有时采用岩体材料改造，有时采用岩体结构改造，有时采用环境应力改造技术。当地下洞室组成岩体为块裂结构岩体和板裂结构岩体时，为了保证地下洞室稳定性，首先应采取岩体结构改造技术对岩体结构进行改造。对块裂结构岩体和板裂结构岩体的岩体结构的改造技术前面已经说过了，在此不再重复。如果岩体属于完整结构和碎裂结构岩体时，首先应考虑采用地应力改造技术，局部地方可以考虑进行岩体结构改造。可用于地下洞室地质改造技术方案，一般来说，有如下一些。
（1）支护：支护作用是提高σ3，它系借助于限制洞壁围岩开挖回弹变形形成σ3，对洞壁围岩施加σ3。
（2）喷射混凝土：它的作用是愈合洞壁表层围岩岩体裂缝，增加洞壁围岩表层抗拉强度，它属于一种柔性结构，允许洞壁围岩产生一定量变形。
（3）锚固支撑环：它是由短锚杆构成的加固环，锚杆本身可以对洞壁围岩施加σ3，而锚固体形成的支撑环对其里面的地质体又施加有附加的σ3，这种技术对完整结构岩体和碎裂结构岩体都比较适用。
（4）预应力锚索：这种技术一方面具有对围岩施加人工可控制的σ3的作用，特别是对分割岩体的结构面施加σ3 最为有效，也对分离块体具有牵引作用，它常用于块裂结构岩体的加固处理。
（5）预埋锚杆维持初始应力技术：它可用于掌子面前方超前加固，因为施工比较麻烦，故不常用，而在边坡工程中采用维持初始地应力状态，提高边坡角时会用到。
（6）卸载环：这是近年来兴起的改变地下洞室稳定性的一项技术。可用切缝法和钻孔法降低洞壁围岩刚度，使洞壁处最大切向力向岩体内部转移，减少洞壁围岩表层主应力表差，即减小（σ1-σ3），提高洞壁稳定性。
这些技术究竟选用哪一种，在设计时应进行技术经济论证。
高地应力地区地质工程问题除地下工程外，还有许多问题，如坝基问题、边坡问题等。高地应力地区坝基承载力一般问题不大，而在坝基开挖清基的时候常常遇到一个麻烦。如1978年河南省正在施工的金刚台坝址，坝基由花岗岩组成，清基时清掉一层就又开裂一层，自动剥皮。这是高地应力作用的结果，当时没有更好的解决办法，只是建议他们不要再挖了，立即回浇混凝土，把它压住，然后在坝基内进行固结灌浆处理。以现在的技术处理的话，看来采用预埋锚杆的办法来防止它的开裂是比较好的。又如二滩电站坝基的地应力很高，将来坝基开挖过程中很可能也出现金刚台现象。我们建议用预埋锚杆办法解决。如图10-12所示，在坝基开挖前，在开挖深度线以下预埋上砂浆锚杆，在开挖后岩体产生回弹，使锚杆内产生拉应力，这样就可以防止剥裂发生。锚杆设计要求必须保证锚杆的抗拉能力大于岩体的回弹力，这就要求合理地给出锚杆的直径、间距、长度。我们国家许多地区都是高地应力地区，西南地区高山峡谷中修建电站肯定要出现这个问题。剥裂的深度与坝基尺寸有关。坝基越宽剥裂的深度越大，预埋锚杆的深度必须超过剥裂带的厚度。
在高地应力地区开挖边坡时也会遇到一些特殊问题，如金川露天矿曾产生巨大的倾倒变形，主要是开挖卸荷使板裂岩体内部产生松弛变形引起的。过去只把倾倒变形的原因归结于岩体结构，这是对的，但这不是全部。产生倾倒变形还有一个原因，这就是开挖卸荷，卸掉水平向支撑的地应力，板裂岩体很容易产生向外错动变形，反倾向边坡就表现为倾倒变形。可以利用预埋锚杆进行防治。预埋锚杆的办法实际上是维持开挖前的地应力状态的一种办法，利用这种办法我们可以防止由于开挖引起地应力的变化而导致岩体破坏，保持岩体稳定。利用这个原理我们曾对漫湾电站溢洪道边坡提出过这种建议，该边坡原设计选定为40°边坡角，边坡开挖高度达120m，我们到现场看了以后，建议用预埋锚杆的办法处理，将边坡角放陡到80°，因为有一组倾向边坡外的节理的倾角为80°，这样边坡高度就变为如图10-13所示的30m左右了。这样，作第一大大地减少了挖方量；第二减少了对环境的破坏；第三也减少了后期的维护工作，事实证明这是很经济的一个办法。
地质改造是正在兴起的一项技术，地质工程建筑愈来愈离不开这项技术，我们可以借助这项技术，实现在复杂的地质条件下的地质工程建筑，这是十分值得倡导和推广的一项技术。
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