浪江抽水蓄能電站地下廠房地應(yīng)力及硐室圍巖巖爆分析

呂城騰

(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，廣東 廣州 510635)

抽水蓄能電站地下廠房區(qū)地應(yīng)力的大小和方位，直接影響廠房布置以及硐室圍巖穩(wěn)定性。為查明浪江抽水蓄能電站地下廠房區(qū)的地應(yīng)力情況，開(kāi)展水壓致裂法[1-2]二維、三維地應(yīng)力測(cè)試[3]分析，進(jìn)而對(duì)硐室開(kāi)挖過(guò)程中的巖爆[4-6]可能性進(jìn)行分析。

浪江抽水蓄能電站站址位于肇慶市廣寧縣五和鎮(zhèn)，上水庫(kù)位于廣寧縣五和鎮(zhèn)與木格鎮(zhèn)交界處的黃蓮山山脈附近，下水庫(kù)位于五和鎮(zhèn)高嶺村，場(chǎng)區(qū)屬中低山丘陵地貌，地勢(shì)總體呈北西高南東低。電站初擬總裝機(jī)容量為1 200 MW(4×300 MW)。電站樞紐工程主要包括上、下水庫(kù)、輸水發(fā)電系統(tǒng)、地下廠房洞室群、地面開(kāi)關(guān)站及場(chǎng)內(nèi)永久交通道路等部分。電站屬一等大(1)型工程。廠房頂拱高程為139.5 m，底板高程為84.5 m，安裝高程為100.0 m，廠房軸線(xiàn)方位為N47°W。ZK1001布置于廠房軸線(xiàn)附近，孔口高程為434.4 m，孔深為376.0 m，廠房置于孔深294.9～349.9 m處，廠房安裝高程置于孔深334.4 m處。

根據(jù)深孔ZK1001揭露，廠房深度范圍內(nèi)，巖性為弱—微風(fēng)化狀花崗巖，巖芯多呈柱狀、長(zhǎng)柱狀，局部呈碎裂狀，發(fā)育裂隙較少，且多以陡傾角裂隙為主，裂面處見(jiàn)鈣質(zhì)、綠泥石充填，局部見(jiàn)石英脈，熔融膠結(jié)，與圍巖膠結(jié)較好?；◢弾r巖體較完整—完整，巖質(zhì)堅(jiān)硬。廠房安裝高程處，巖性為微風(fēng)化狀花崗巖，巖芯呈長(zhǎng)柱狀，未見(jiàn)裂隙發(fā)育，巖質(zhì)堅(jiān)硬，巖體完整。

1 二維地應(yīng)力分析

在廠房深孔中進(jìn)行了水壓致裂法二維地應(yīng)力測(cè)試，共選取了10個(gè)測(cè)段開(kāi)展測(cè)量工作，在10個(gè)測(cè)段中，每個(gè)測(cè)段均進(jìn)行了4次重復(fù)測(cè)量，壓力記錄曲線(xiàn)形態(tài)規(guī)范，各回次曲線(xiàn)重復(fù)性較好。

為準(zhǔn)確獲取地應(yīng)力參數(shù)，通過(guò)壓裂前與壓裂后的超聲波成像測(cè)井對(duì)比，選取了壓裂縫為豎直縫的測(cè)試段進(jìn)行水平主應(yīng)力計(jì)算，參與計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。垂向應(yīng)力是根據(jù)測(cè)段上覆巖層埋深由公式Sv=ρgh計(jì)算獲得，計(jì)算時(shí)巖石平均容重取26.5 kN/m3。

表1 水壓致裂二維地應(yīng)力參與計(jì)算測(cè)量結(jié)果

通過(guò)壓裂前后超聲波成像測(cè)井圖像對(duì)比，確定水平最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向(代表性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖1所示)；實(shí)測(cè)主應(yīng)力量值隨深度增加而增加(主應(yīng)力隨孔深變化見(jiàn)圖2所示)。根據(jù)二維地應(yīng)力實(shí)測(cè)結(jié)果，廠房深孔地應(yīng)力分布規(guī)律特征如下：① 在測(cè)量深度范圍內(nèi)，水平最大主應(yīng)力值在5.68～26.64 MPa之間，水平最小主應(yīng)力值在4.22～15.69 MPa之間，表明工程區(qū)地應(yīng)力屬中等應(yīng)力區(qū)；② 該孔水平最大主應(yīng)力為NNW向；③ 水平主應(yīng)力隨深度增加而增大，其線(xiàn)性變化關(guān)系分別為SH=0.065 4H-2.816 1，R2=0.693 9；Sh=0.036 0H-0.544 1，R2=0.716 3。

圖1 成像測(cè)井確定壓裂縫方向示意(水平最大主應(yīng)力方向)

圖2 應(yīng)力隨孔深分布示意

2 三維地應(yīng)力分析

在廠房深度范圍附近，選取具有代表性的測(cè)段，進(jìn)行2組三維地應(yīng)力計(jì)算(每組1個(gè)常規(guī)水壓致裂數(shù)據(jù)和1個(gè)裂隙重張數(shù)據(jù)，深度差一般不大于50 m)，第1組相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2所示。

表2 第1組參與三維地應(yīng)力計(jì)算的主要參數(shù)

根據(jù)表2的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算該點(diǎn)的三維應(yīng)力張量、3個(gè)主應(yīng)力的量值大小及其空間方位，所得三維地應(yīng)力測(cè)試成果見(jiàn)表3，主應(yīng)力方位赤平投影見(jiàn)圖3。

表3 第1組三維地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

圖3 第1組三維主應(yīng)力方位赤平投影示意

第2組的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表4。根據(jù)表4的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，計(jì)算該點(diǎn)的三維應(yīng)力張量、3個(gè)主應(yīng)力的量值大小及其空間方位，所得三維地應(yīng)力測(cè)試成果見(jiàn)表5，主應(yīng)力方位赤平投影見(jiàn)圖4。

圖4 第2組三維主應(yīng)力方位赤平投影示意

表4 第2組參與三維地應(yīng)力計(jì)算的主要參數(shù)

表5 第2組三維地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果

三維地應(yīng)力求解結(jié)果如下：近廠房頂拱位置最大主應(yīng)力為17.55 MPa，其方位角約為330.29°，傾向NNW，傾角為6.06°，近水平；中間主應(yīng)力為10.40 MPa，其方位角為62.66°，傾向NEE，傾角為21.30°，近水平；最小主應(yīng)力為9.41 MPa，其方位角為225.23°，傾向NE，傾角為67.78°，近垂直。近廠房安裝高程位置最大主應(yīng)力為26.75 MPa，其方位角約為156.44°，傾向NNW，傾角為4.77°，近水平；中間主應(yīng)力為15.99 MPa，其方位角為65.34°，傾向NEE，傾角為12.99°，近水平；最小主應(yīng)力為10.13 MPa，其方位角為266.20°，傾向EW，傾角為76.13°，近垂直。

綜合分析2組求解結(jié)果可知：地下廠房深度范圍內(nèi)，主應(yīng)力空間方位存在一定的偏轉(zhuǎn)，而量值變化較大，表明研究范圍附近的應(yīng)力梯度[7]偏高。垂向應(yīng)力(即上覆巖層重力)表現(xiàn)為最小主應(yīng)力，水平構(gòu)造應(yīng)力作用占據(jù)主導(dǎo)地位，屬于逆斷型應(yīng)力結(jié)構(gòu)。最大主應(yīng)力方位與廠房軸線(xiàn)(N47°W)成小角度相交，理論上有利于場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定。

3 硐室圍巖巖爆分析

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(GB 50487—2008)[8]附錄Q中的巖爆分級(jí)及判別表，以實(shí)測(cè)地應(yīng)力和巖石力學(xué)參數(shù)為基礎(chǔ)，以圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σm探討洞室發(fā)生巖爆的可能性。

對(duì)廠房深度范圍內(nèi)測(cè)點(diǎn)的Rb與σm進(jìn)行了比較，其中Rb為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，取80～100 MPa，σm為實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力，對(duì)于本工程，根據(jù)地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果，以水平應(yīng)力為主，因此，σm=SH，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 水壓致裂二維水平最大主應(yīng)力與Rb的比較結(jié)果

同時(shí)選取廠房深度范圍內(nèi)的2個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維地應(yīng)力測(cè)試，利用巖石飽和抗壓強(qiáng)度與對(duì)應(yīng)的最大主應(yīng)力進(jìn)行了比較，其中Rb為巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，取80～100 MPa，σm為實(shí)測(cè)最大主應(yīng)力，根據(jù)三維地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果，確定σm=σ1，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表7。

表7 水壓致裂三維最大主應(yīng)力與Rb的比較結(jié)果

4 結(jié)語(yǔ)

1) 水壓致裂二維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和垂向應(yīng)力隨深度增加而增大，且具有較好的線(xiàn)性關(guān)系。

2) 根據(jù)水平最大主應(yīng)力、水平最小主應(yīng)力和垂向應(yīng)力之間的關(guān)系，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和主應(yīng)力隨深度擬合曲線(xiàn)，表明在測(cè)試深度范圍內(nèi)3個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系關(guān)系為SH>Sh>Sv，以水平向應(yīng)力作用為主導(dǎo)，為逆斷層應(yīng)力環(huán)境。

3) 根據(jù)水壓致裂地應(yīng)力測(cè)試前后超聲波成像測(cè)井結(jié)果對(duì)比，確定深孔所在位置的最大水平主應(yīng)力優(yōu)勢(shì)方向近NNW。

4) 水壓致裂三維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果表明，近廠房頂拱高程和廠房安裝高程2個(gè)深度段的最大主應(yīng)力σ1和中間主應(yīng)力σ2近水平，最小主應(yīng)力σ3近垂直，最大主應(yīng)力σ1為NNW方向，與水平最大主應(yīng)力方向基本一致。

5) 根據(jù)巖石飽和抗壓強(qiáng)度與最大主應(yīng)力之間的關(guān)系分析，確定浪江抽水蓄能電站90～260 m深度范圍無(wú)巖爆發(fā)生，地下廠房深度范圍(290～350 m)內(nèi)，在堅(jiān)硬花崗巖巖體內(nèi)存在發(fā)生輕微～中等巖爆的可能性。另外，最大主應(yīng)力方位與廠房軸線(xiàn)成小角度相交，理論上有利于場(chǎng)區(qū)穩(wěn)定。