二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量及圍巖抗劈裂穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

甘東科，樊菊平，唐建昌，郭啟良

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085）

二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量及圍巖抗劈裂穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

甘東科1，樊菊平1，唐建昌1，郭啟良2

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所，北京100085）

對(duì)二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行了兩組水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)方向分布較均衡，最大主應(yīng)力9.36～10.89 MPa，最小主應(yīng)力6.66～7.56 MPa，最大主應(yīng)力方位336°～340°，傾角10°～17°，主要受到水平方向壓性構(gòu)造應(yīng)力的作用?？古逊€(wěn)定性評(píng)價(jià)表明：測(cè)區(qū)最小主應(yīng)力是氣墊式調(diào)壓室室內(nèi)最大氣壓力的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩(wěn)定最小主應(yīng)力要求。測(cè)試結(jié)果可為氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)。

二瓦槽水電站；氣墊式調(diào)壓室；抗劈裂；水壓致裂技術(shù)；地應(yīng)力

0 前 言

氣墊式調(diào)壓室是利用氣室（充滿水和壓縮空氣的封閉式腔體）內(nèi)的壓縮空氣（即“氣墊”）抑制室內(nèi)水位高度和水位波動(dòng)幅值的一種新型調(diào)壓室。由于可省去大部分至引水隧洞及調(diào)壓室的上山公路和施工支洞，故在保護(hù)引水發(fā)電系統(tǒng)周邊生態(tài)環(huán)境和直接經(jīng)濟(jì)效益方面較常規(guī)調(diào)壓室有較大優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)水電工程建設(shè)中具有十分廣闊的推廣應(yīng)用前景［1-10］。

氣墊式調(diào)壓室的工作氣壓一般都很高，圍巖自身應(yīng)有足夠的強(qiáng)度以承受高內(nèi)水壓力及氣壓力。根據(jù)上覆巖體厚度的埋深條件為經(jīng)驗(yàn)法則，該法則僅考慮巖石重力，許多情況下還存在相當(dāng)大的構(gòu)造應(yīng)力和殘余應(yīng)力。因此，為了彌補(bǔ)這種不足，引入了最小主應(yīng)力準(zhǔn)則，即巖體中的最小主應(yīng)力均應(yīng)大于調(diào)壓室內(nèi)產(chǎn)生的最大氣壓，并有一定的安全系數(shù)［1-10］。

二瓦槽水電站系大渡河支流革什扎河的第二級(jí)電站，引水隧洞長(zhǎng)約11.3 km，引用流量33 m3／s，利用水頭309 m，裝機(jī)容量90 MW，為典型的“高水頭、小流量、長(zhǎng)引水”的引水式電站，擬推薦采用氣墊式調(diào)壓室，氣室內(nèi)最大氣體壓力3.73 MPa。為了解場(chǎng)址區(qū)原始地應(yīng)力狀況，評(píng)價(jià)圍巖抗劈裂穩(wěn)定性，為設(shè)計(jì)和建設(shè)提供依據(jù)，對(duì)本氣墊式調(diào)壓室開(kāi)展了水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量工作。

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量技術(shù)是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)試驗(yàn)方法委員會(huì)頒布的確定巖石應(yīng)力所推薦的方法之一。該方法無(wú)需知道巖石力學(xué)參數(shù)就可直接測(cè)得地層中應(yīng)力狀態(tài)，并具有操作簡(jiǎn)便、可在任意深度進(jìn)行連續(xù)或重復(fù)測(cè)試、測(cè)量速度快、測(cè)值穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)試結(jié)果廣泛應(yīng)用于礦山、水工、隧道、地下硐室等工程設(shè)計(jì)［11-14］。

1 工程區(qū)地質(zhì)概況

電站位于川西高原南緣山原地帶，區(qū)內(nèi)地貌以高山峽谷為主。大地構(gòu)造部位上屬于甘孜～松潘地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽的東南部，小金弧形構(gòu)造的西翼。工程區(qū)處于由鮮水河斷裂帶和龍門(mén)山斷裂帶圍限的川青塊體內(nèi)部，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以大面積的整體間歇性隆升為主，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較好。工程近場(chǎng)區(qū)主要發(fā)育北西向和北東向兩組斷裂，北西向有玉科斷裂、東谷斷裂、水子斷裂，北東向有磨子溝斷裂、青杠林?jǐn)嗔选⒀喔C溝斷裂，均不具活動(dòng)性。場(chǎng)址區(qū)無(wú)斷裂發(fā)育。

初擬氣墊式調(diào)壓室布置在革什扎河左岸雄厚山體內(nèi)，豎向埋深約400～490 m，側(cè)向埋深約450 m。左岸山坡高約2 000 m，坡度約45°～75°。圍巖為泥盆系危關(guān)群一組厚層塊狀石英巖，巖石堅(jiān)硬，結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，巖體較完整，以塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)為主，圍巖類(lèi)別以Ⅲ類(lèi)為主，Ⅱ類(lèi)次之。

2 現(xiàn)場(chǎng)地應(yīng)力測(cè)量

2.1 測(cè)量設(shè)備

水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)如圖1所示。井上部分由水泵、流量計(jì)、壓力表、X-Y記錄儀、計(jì)算機(jī)數(shù)字采集系統(tǒng)組成；井下部分由鉆桿、高壓膠管、上下栓塞組成。本測(cè)試系統(tǒng)采用雙回路系統(tǒng)，即用兩個(gè)獨(dú)立的加壓系統(tǒng)分別向封隔器和試驗(yàn)段加壓，其特點(diǎn)是在測(cè)量過(guò)程中，可同時(shí)觀察封隔器和試驗(yàn)段內(nèi)的壓力變化，一旦發(fā)現(xiàn)封隔器座封壓力不夠或封隔器密封不好時(shí)可隨時(shí)進(jìn)行補(bǔ)壓，為測(cè)量數(shù)據(jù)的可靠性提供了保證。

圖1 水壓致裂應(yīng)力測(cè)量系統(tǒng)

壓裂測(cè)量之后進(jìn)行裂縫方位的測(cè)定，以便確定平面主壓應(yīng)力的方向。常用的方法是定向印模法，它可直接把孔壁上的裂縫痕跡印下來(lái)。測(cè)試裝置由自動(dòng)定向儀和印模器組成（見(jiàn)圖2）。從外觀上看印模器與普通分割器大致相同，所不同的是表層覆蓋著一層半硫化橡膠。當(dāng)施加足夠的高壓（10 MPa左右），促使孔壁上由壓裂產(chǎn)生的裂縫重新張開(kāi)以便印模器上的半硫化橡膠擠入。

圖2 裂縫方位測(cè)定裝置

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

對(duì)氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行了兩組水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量。測(cè)點(diǎn)布置于氣墊式調(diào)壓室勘探平洞500～600 m內(nèi)，兩側(cè)點(diǎn)相距約100 m（見(jiàn)圖3）。各測(cè)點(diǎn)通過(guò)布置在不同方向的3個(gè)鉆孔分別進(jìn)行三維應(yīng)力測(cè)量。鉆孔布置為：洞底一個(gè)豎直孔，洞壁兩個(gè)水平孔，孔深28.6～30.7 m（見(jiàn)表1）。

圖3 測(cè)點(diǎn)布置

表1 測(cè)點(diǎn)鉆孔布置

3 測(cè)量結(jié)果

測(cè)點(diǎn)各鉆孔8～24.6 m深度內(nèi)各進(jìn)行了5個(gè)測(cè)段的水壓致裂地應(yīng)力測(cè)量，平面應(yīng)力測(cè)試結(jié)果列于表2。為使對(duì)測(cè)試成果可靠性有一個(gè)概括的了解，將鉆孔ZK01內(nèi)各測(cè)段壓裂過(guò)程中的壓力—時(shí)間記錄曲線示于圖4。破裂壓力（Pb）、重張壓力（Pr）、瞬時(shí)閉合壓力（PS）在各循環(huán)清晰可見(jiàn)，重復(fù)性較好。尤其是確定測(cè)量成果準(zhǔn)確與否的水壓破裂面的瞬時(shí)閉合壓力值，壓力記錄曲線上不僅明顯、確切，而且在各測(cè)段的4次重復(fù)測(cè)量中均吻合一致。因此該測(cè)量成果準(zhǔn)確可靠。

根據(jù)水壓致裂法三維應(yīng)力測(cè)量原理與方法可知，利用同一測(cè)點(diǎn)三個(gè)不同方向鉆孔的方位參數(shù)和平面應(yīng)力值的大小、方向即可以計(jì)算出該測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力狀態(tài)。參與計(jì)算的各鉆孔平面應(yīng)力隨孔深變化不大，取其平均值；平面應(yīng)力方向取其優(yōu)勢(shì)方向數(shù)值。參與三維應(yīng)力計(jì)算的各鉆孔水平應(yīng)力、方向的參數(shù)取值見(jiàn)表3。由此計(jì)算的各測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力大小、方位、傾角以及各應(yīng)力分量見(jiàn)表4。

表2 各測(cè)點(diǎn)鉆孔水壓致裂法平面應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

表3 三維應(yīng)力計(jì)算參數(shù)取值

表4 三維應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖4 ZK01鉆孔內(nèi)地應(yīng)力測(cè)試曲線

4 地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果分析

測(cè)點(diǎn)附近最大主應(yīng)力9.36～10.89 MPa，最小主應(yīng)力6.66～7.56 MPa。最大主應(yīng)力值相差約1.5 MPa左右，最小主應(yīng)力差1 MPa左右。差異原因可能與兩測(cè)點(diǎn)所在位置的構(gòu)造環(huán)境、巖性、巖芯完整程度以及上覆巖層厚度等不同有關(guān)。兩測(cè)點(diǎn)的三維應(yīng)力量值雖然存在一定差距，由于測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果是對(duì)測(cè)點(diǎn)位置真實(shí)地應(yīng)力覆存狀況的客觀反映，因而兩測(cè)點(diǎn)結(jié)果都是準(zhǔn)確有效的。

第一組測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方位分別為160°、271°、58°，傾角分別為17°、50°、35°；下游第二組測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力、中間主應(yīng)力和最小主應(yīng)力的方位分別為336°、245°、66°，傾角分別為10°、45°、45°。表明兩測(cè)點(diǎn)的各主應(yīng)力的方位、傾角大致相似，應(yīng)力分量的空間指向基本一致，這說(shuō)明應(yīng)力場(chǎng)在兩測(cè)點(diǎn)附近的方向矢量變化不大，應(yīng)力場(chǎng)方向分布較為均衡。兩組測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力傾角較緩（10°～17°），方位在N～W附近（336°～340°），中間主應(yīng)力傾角較陡（45°～50°），方位近N向，說(shuō)明測(cè)區(qū)主要受到水平方向壓性構(gòu)造應(yīng)力的作用。兩測(cè)點(diǎn)最小主應(yīng)力方位在NE附近（216°～263°），分析表明，其主要為構(gòu)造應(yīng)力與垂直應(yīng)力的聯(lián)合作用。

5 氣墊式調(diào)壓室圍巖抗劈裂穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

氣墊式調(diào)壓室?guī)r體不能因隧洞的內(nèi)水壓力、內(nèi)氣壓力過(guò)高致使圍巖產(chǎn)生水力劈裂或氣壓劈裂破壞。根據(jù)中國(guó)水電工程顧問(wèn)集團(tuán)公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)規(guī)范》（Q／HYDROCHINA007 -2010）［15］，氣墊式調(diào)壓室?guī)r體最小主應(yīng)力σ3應(yīng)滿足如下經(jīng)驗(yàn)公式：

式中σ3——為巖體最小主應(yīng)力，N／m2；

γw——為水的重度，N／m3；

Pmax——為氣室內(nèi)最大氣體壓力，以水頭表示，m。

通過(guò)水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)點(diǎn)附近最小主應(yīng)力為6.66～7.56MPa。最小主應(yīng)力是室內(nèi)最大氣體壓力3.73MPa的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩(wěn)定最小主應(yīng)力要求。

6 結(jié) 論

（1）對(duì)二瓦槽水電站氣墊式調(diào)壓室進(jìn)行了兩組水壓致裂法三維地應(yīng)力測(cè)量，測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

（2）測(cè)量結(jié)果表明：測(cè)區(qū)應(yīng)力場(chǎng)方向分布較均衡，最大主應(yīng)力9.36～10.89 MPa，最小主應(yīng)力6.66～7.56 MPa。最大主應(yīng)力傾角較緩（10°～17°），方位在N～W附近（336°～340°），主要受到水平方向壓性構(gòu)造應(yīng)力的作用。

（3）測(cè)區(qū)最小主應(yīng)力是氣墊式調(diào)壓室室內(nèi)最大氣壓力的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩(wěn)定最小主應(yīng)力要求。

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TV732.56，TV221.1

B

1003-9805（2015）04-0080-04

2015-06-29

甘東科（1978-），男，湖南湘陰人，碩士，高級(jí)工程師，從事水電工程地質(zhì)勘察工作。