灌溉輸水洞地應(yīng)力與巖爆特征分析

陳 庚，楊瑞剛，席海軍

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

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灌溉輸水洞地應(yīng)力與巖爆特征分析

陳 庚，楊瑞剛，席海軍

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林長(zhǎng)春130021）

［摘 要］論述了旁多灌溉輸水洞的地質(zhì)特征。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料，采用多種方法對(duì)灌溉輸水洞區(qū)產(chǎn)生巖爆的條件進(jìn)行分析，并對(duì)發(fā)生巖爆的可能性進(jìn)行判定及預(yù)測(cè)。

［關(guān)鍵詞］巖爆；地應(yīng)力；深埋隧洞；巖爆特征

1　工程概況

旁多水利樞紐工程位于西藏自治區(qū)林周縣旁多鄉(xiāng)拉薩河干流上，是一座以灌溉、發(fā)電為主，兼顧防洪和供水等綜合利用的大型水利樞紐。

工程規(guī)模為大（1）型，工程等別為Ⅰ等，水庫(kù)正常蓄水位4 095.0 m，水庫(kù)總庫(kù)容12.30×108m3，電站裝機(jī)容量160 MW。

2　灌溉輸水洞區(qū)地質(zhì)特征

2.1地形地貌

灌溉輸水洞區(qū)屬高山地形，洞身穿越的恰拉山，山頂高程約5 400 m。灌溉輸水洞總長(zhǎng)16.88 km，其中深埋洞段約6 550 m（樁號(hào)4+250～10+800 m），最大埋深約1 300 m。

2.2地層巖性

輸水洞區(qū)出露的地層主要為白堊系上統(tǒng)林子宗火山巖組、上三迭系～侏羅系麥隆崗群（砂巖、灰?guī)r）、石炭系旁多群（Cpn）變質(zhì)巖、燕山晚期花崗巖及第四系松散堆積層。其中埋深大于500 m的洞段圍巖主要為新鮮花崗巖。

2.3地質(zhì)構(gòu)造

輸水洞區(qū)在大地構(gòu)造上位于青藏滇緬印尼歹字型構(gòu)造頭部第二中旋帶的雅魯藏布北旋層與雅魯藏布北東西向構(gòu)造相復(fù)合的部位。工程場(chǎng)地附近地塊結(jié)構(gòu)比較完整，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定。

輸水洞通過的大部分地段，尤其是深埋地段的巖體受地質(zhì)構(gòu)造影響小，無斷層及褶皺構(gòu)造，無或地下水很少，巖體完整，性脆，巖質(zhì)堅(jiān)硬。

3　鉆孔地應(yīng)力測(cè)試情況

測(cè)試鉆孔編號(hào)ZK317，位于輸水洞軸線1+742 m樁號(hào)處，鉆孔孔口高程為4 548.25 m，鉆孔深度為500.10 m，穿過洞身進(jìn)入底板約12 m。根據(jù)巖芯的完整性，在鉆孔不同深度進(jìn)行水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試，在該鉆孔中，成功進(jìn)行了8個(gè)深度段水壓致裂測(cè)試和3個(gè)測(cè)段的印模定向測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 ZK-317孔水壓致裂原地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果

4　鉆孔地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果分析

在鉆孔的地應(yīng)力測(cè)試過程中，壓力記錄曲線較標(biāo)準(zhǔn)，破裂壓力峰值確切、明顯，各個(gè)循環(huán)重復(fù)測(cè)量的規(guī)律性很強(qiáng)，各個(gè)循環(huán)測(cè)得的壓裂參數(shù)具有良好的一致性。

由表1可見，最大水平主應(yīng)力值為9.15～20.25 MPa，最小水平主應(yīng)力值為5.49～13.09 MPa。這一結(jié)果反映的是鉆孔周邊的現(xiàn)今應(yīng)力狀態(tài)。

從應(yīng)力與深度的關(guān)系看，應(yīng)力有隨深度增加而增大的趨勢(shì)。根據(jù)8個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)值進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如下：

SH=3.67+0.033HSh=2.05+0.022H

垂直主應(yīng)力可以按其上覆巖層的重力進(jìn)行估算。則本孔測(cè)試深度域內(nèi)，最大水平主應(yīng)力稍大于垂直應(yīng)力和最小水平主應(yīng)力，三向主應(yīng)力關(guān)系為SH＞Sh≥SV，這表明測(cè)區(qū)以水平主應(yīng)力作用為主。

該孔在3個(gè)壓裂段內(nèi)進(jìn)行了印模定向。水壓破裂面的方向，即最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹NE（見表1）。

5　巖爆預(yù)測(cè)分析

5.1鉆孔測(cè)試結(jié)果分析

根據(jù)（GB/T50218-2014）《工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》，地應(yīng)力分級(jí)見表2。

表2工程巖體強(qiáng)度應(yīng)力比分級(jí)

根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)，ZK317孔8個(gè)測(cè)點(diǎn)的巖體強(qiáng)度應(yīng)力比評(píng)估見表3。

表3 ZK317孔巖體強(qiáng)度應(yīng)力比

5.2巖爆應(yīng)力判據(jù)

5.2.1切向應(yīng)力準(zhǔn)則

灌溉輸水洞在ZK317孔位置的軸線方向?yàn)镹E21.37°，洞身部位實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E26°。最大水平主應(yīng)力方向與隧道橫截面內(nèi)隧道側(cè)幫上的正應(yīng)力σn方向的夾角為α=4.63°。根據(jù)彈性力學(xué)的公式，作用在隧道側(cè)幫上的正應(yīng)力為：

取 488.22～489.02 m測(cè)段的數(shù)據(jù) SH=20.25 MPa，Sh=13.09 MPa，可以得到：

σn=20.20MPaSV=12.74 MPa

輸水洞此處斷面形狀為圓形，根據(jù)圓孔周邊應(yīng)力集中的計(jì)算公式：

得到對(duì)應(yīng)測(cè)段深度的最大切向應(yīng)力：σθ=47.86 MPa。

根據(jù)切向應(yīng)力準(zhǔn)則，將圍巖的切向應(yīng)力（σθ）與巖石的抗壓強(qiáng)度（RC）之比，作為判斷有無巖爆發(fā)生及巖爆烈度的劃分原則：

σθ/RC<0.3無巖爆

σθ/RC介于0.3～0.5間輕微巖爆

σθ/RC介于0.5～0.7間中等巖爆

σθ/RC/>0.7強(qiáng)烈?guī)r爆

切向應(yīng)力準(zhǔn)則計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表4。

表4切向應(yīng)力準(zhǔn)則計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

5.2.2最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)

巖石儲(chǔ)存的最大彈性應(yīng)變能 Es可由巖石單軸抗壓強(qiáng)度Rc與巖石的彈性模量E計(jì)算，公式為：Es=Rc

2/（2E）

最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)Es判別巖爆烈度的標(biāo)準(zhǔn)如下：

Es<0.20 MJ/m3無巖爆

0.20≤Es<0.50 MJ/m3輕微巖爆

0.50≤Es＜0.75 MJ/m3中等巖爆

Es≥0.75 MJ/m3強(qiáng)烈?guī)r爆

最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表5。

表5最大儲(chǔ)存彈性應(yīng)變能指標(biāo)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

5.2.3強(qiáng)度脆性系數(shù)

巖石的單軸抗壓強(qiáng)度Rc與抗拉強(qiáng)度Rt之比稱為強(qiáng)度脆性系數(shù)B，它反映了巖石的脆性程度。計(jì)算公式為：B=Rc/Rt

國(guó)內(nèi)外已有研究表明：

B≥40.0無巖爆

26.7≤B＜40.0輕微巖爆

14.5≤B＜26.7中等巖爆

B＜14.5強(qiáng)烈?guī)r爆

強(qiáng)度脆性系數(shù)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表6。

表6強(qiáng)度脆性系數(shù)計(jì)算參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

結(jié)合以上所述的巖爆烈度劃分準(zhǔn)則，在單純的地應(yīng)力條件下，當(dāng)輸水隧洞在通過ZK317孔附近時(shí)，會(huì)有輕微巖爆發(fā)生或無巖爆發(fā)生。

5.3深埋洞段巖爆預(yù)測(cè)

根據(jù)8個(gè)測(cè)點(diǎn)主應(yīng)力測(cè)值進(jìn)行線性回歸，結(jié)果如下：

但上述公式是僅根據(jù)埋深150～490 m深度域的測(cè)試數(shù)據(jù)得出的，如果超出這個(gè)深度域太多，得出的結(jié)論與實(shí)際情況可能會(huì)存在較大的誤差。在沒有埋深1 300 m實(shí)測(cè)資料的情況下，根據(jù)上述公式可以得到：

由此得到此深度的最大切向應(yīng)力：σθ=106.55 MPa。

此處巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度RC取鉆孔ZK317第4～8段的平均值：RC=153.87 MPa，得σθ/ RC=0.692。如果深埋洞段（8+465-9+982）圍巖完整，巖性無變化，根據(jù)切向應(yīng)力準(zhǔn)則，此處在開挖過程中可能發(fā)生中等巖爆。

作為對(duì)比，根據(jù)（GB 50287-2006）《水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》發(fā)生巖爆的臨界埋深公式為：Hcr=0.318RC（1-μ）/（3-4μ）γ

其中，Hcr：臨界埋深，即發(fā)生巖爆的最小埋深，m；RC：巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；μ：泊松比；γ：巖石的重力密度，10 kN/m3。

當(dāng)埋深H≥H時(shí)，巖爆分級(jí)見表7。

表7巖爆分級(jí)表

取1 300 m的計(jì)算數(shù)據(jù)為：RC=153.87 MPa，μ=0.27，γ=2.66 10 kN/cm3，得到Hcr=699 m。由于1 300 m大于Hcr，所以會(huì)有巖爆的發(fā)生。

RC/SH=153.87/46.57=3.30，巖爆烈度為中等巖爆。

5.4隧洞內(nèi)巖爆的范圍及強(qiáng)度

根據(jù)上述判據(jù)，結(jié)合圍巖巖性、巖質(zhì)類型及完整性情況，初步判定隧洞內(nèi)圍巖巖爆情況見表8。

表8隧洞巖爆的預(yù)測(cè)情況表

5.5實(shí)際施工情況對(duì)照

旁多水利樞紐工程灌溉輸水洞樁號(hào)2+332～12+290 m采用TBM全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)施工，自出口向進(jìn)口方向掘進(jìn)。截止2015年11月20日，灌溉輸水洞施工至樁號(hào)7+856 m，其中樁號(hào)8+078 m～10+816 m，出現(xiàn)中等巖爆，造成頂拱及兩側(cè)巖壁多處大面積崩塌，最厚達(dá)2.0 m。實(shí)際開挖過程中的巖爆情況與前期預(yù)測(cè)基本一致。

6　結(jié)論

1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)孔內(nèi)水壓致裂試驗(yàn)，洞軸線附近三向主應(yīng)力的關(guān)系為：SH＞Sh≥SV，以水平主應(yīng)力作用為主。

2）洞身附近的最大水平主應(yīng)力為17～20 MPa（埋深490 m），巖石原地抗拉強(qiáng)度多為4～5 MPa。

3）巖爆作為深埋隧洞的主要工程地質(zhì)問題之一，目前雖然基于巖爆理論和破壞機(jī)制的研究提出了許多理論預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法，但由于影響巖爆發(fā)生的因素很多，國(guó)內(nèi)外還沒有一套成熟的巖爆預(yù)

4）施工過程隧洞的實(shí)際巖爆特征與預(yù)測(cè)結(jié)果基本一致，由于提前采取了一系列措施，有效保證了施工的安全。同時(shí)對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了巖爆作為一種復(fù)雜的地質(zhì)現(xiàn)象，除了受地應(yīng)力及巖石強(qiáng)度影響外，還跟巖體特征、地質(zhì)構(gòu)造、地下水等各種因素有關(guān)。

［中圖分類號(hào)］TV542

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1002－0624（2016）05－0049－03

[收稿日期]2016-01-10測(cè)理論和方法。各個(gè)應(yīng)力判據(jù)中，相互存在不能統(tǒng)一的地方，在預(yù)報(bào)時(shí)應(yīng)采取多種方法，結(jié)合工程地質(zhì)條件，綜合考慮影響巖爆的因素合理進(jìn)行巖爆預(yù)測(cè)。 2015-11-10

[基金項(xiàng)目]遼寧西部節(jié)水增糧高效灌溉技術(shù)集成研究；農(nóng)業(yè)攻關(guān)計(jì)劃（2013212001）：節(jié)水滴灌關(guān)鍵技術(shù)研究與示范