二瓦槽水電站氣墊式調壓室水壓致裂法地應力測量及圍巖抗劈裂穩定性評價

甘東科，樊菊平，唐建昌，郭啟良

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國地震局地殼應力研究所，北京100085）

二瓦槽水電站氣墊式調壓室水壓致裂法地應力測量及圍巖抗劈裂穩定性評價

甘東科1，樊菊平1，唐建昌1，郭啟良2

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川成都 610072；2.中國地震局地殼應力研究所，北京100085）

對二瓦槽水電站氣墊式調壓室進行了兩組水壓致裂法三維地應力測量。測量結果表明：測區應力場方向分布較均衡，最大主應力9.36～10.89 MPa，最小主應力6.66～7.56 MPa，最大主應力方位336°～340°，傾角10°～17°，主要受到水平方向壓性構造應力的作用。抗劈裂穩定性評價表明：測區最小主應力是氣墊式調壓室室內最大氣壓力的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩定最小主應力要求。測試結果可為氣墊式調壓室設計和建設提供依據。

二瓦槽水電站；氣墊式調壓室；抗劈裂；水壓致裂技術；地應力

0 前 言

氣墊式調壓室是利用氣室（充滿水和壓縮空氣的封閉式腔體）內的壓縮空氣（即“氣墊”）抑制室內水位高度和水位波動幅值的一種新型調壓室。由于可省去大部分至引水隧洞及調壓室的上山公路和施工支洞，故在保護引水發電系統周邊生態環境和直接經濟效益方面較常規調壓室有較大優勢，在我國水電工程建設中具有十分廣闊的推廣應用前景［1-10］。

氣墊式調壓室的工作氣壓一般都很高，圍巖自身應有足夠的強度以承受高內水壓力及氣壓力。根據上覆巖體厚度的埋深條件為經驗法則，該法則僅考慮巖石重力，許多情況下還存在相當大的構造應力和殘余應力。因此，為了彌補這種不足，引入了最小主應力準則，即巖體中的最小主應力均應大于調壓室內產生的最大氣壓，并有一定的安全系數［1-10］。

二瓦槽水電站系大渡河支流革什扎河的第二級電站，引水隧洞長約11.3 km，引用流量33 m3／s，利用水頭309 m，裝機容量90 MW，為典型的“高水頭、小流量、長引水”的引水式電站，擬推薦采用氣墊式調壓室，氣室內最大氣體壓力3.73 MPa。為了解場址區原始地應力狀況，評價圍巖抗劈裂穩定性，為設計和建設提供依據，對本氣墊式調壓室開展了水壓致裂法三維地應力測量工作。

水壓致裂法地應力測量技術是國際巖石力學學會試驗方法委員會頒布的確定巖石應力所推薦的方法之一。該方法無需知道巖石力學參數就可直接測得地層中應力狀態，并具有操作簡便、可在任意深度進行連續或重復測試、測量速度快、測值穩定可靠等優點，測試結果廣泛應用于礦山、水工、隧道、地下硐室等工程設計［11-14］。

1 工程區地質概況

電站位于川西高原南緣山原地帶，區內地貌以高山峽谷為主。大地構造部位上屬于甘孜～松潘地槽褶皺系巴顏喀拉冒地槽的東南部，小金弧形構造的西翼。工程區處于由鮮水河斷裂帶和龍門山斷裂帶圍限的川青塊體內部，新構造運動以大面積的整體間歇性隆升為主，區域構造穩定性較好。工程近場區主要發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、青杠林斷裂、燕窩溝斷裂，均不具活動性。場址區無斷裂發育。

初擬氣墊式調壓室布置在革什扎河左岸雄厚山體內，豎向埋深約400～490 m，側向埋深約450 m。左岸山坡高約2 000 m，坡度約45°～75°。圍巖為泥盆系危關群一組厚層塊狀石英巖，巖石堅硬，結構面不發育，巖體較完整，以塊狀～次塊狀結構為主，圍巖類別以Ⅲ類為主，Ⅱ類次之。

2 現場地應力測量

2.1 測量設備

水壓致裂法地應力測試系統如圖1所示。井上部分由水泵、流量計、壓力表、X-Y記錄儀、計算機數字采集系統組成；井下部分由鉆桿、高壓膠管、上下栓塞組成。本測試系統采用雙回路系統，即用兩個獨立的加壓系統分別向封隔器和試驗段加壓，其特點是在測量過程中，可同時觀察封隔器和試驗段內的壓力變化，一旦發現封隔器座封壓力不夠或封隔器密封不好時可隨時進行補壓，為測量數據的可靠性提供了保證。

圖1 水壓致裂應力測量系統

壓裂測量之后進行裂縫方位的測定，以便確定平面主壓應力的方向。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。測試裝置由自動定向儀和印模器組成（見圖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。當施加足夠的高壓（10 MPa左右），促使孔壁上由壓裂產生的裂縫重新張開以便印模器上的半硫化橡膠擠入。

圖2 裂縫方位測定裝置

2.2 測點布置

對氣墊式調壓室進行了兩組水壓致裂法三維地應力測量。測點布置于氣墊式調壓室勘探平洞500～600 m內，兩側點相距約100 m（見圖3）。各測點通過布置在不同方向的3個鉆孔分別進行三維應力測量。鉆孔布置為：洞底一個豎直孔，洞壁兩個水平孔，孔深28.6～30.7 m（見表1）。

圖3 測點布置

表1 測點鉆孔布置

3 測量結果

測點各鉆孔8～24.6 m深度內各進行了5個測段的水壓致裂地應力測量，平面應力測試結果列于表2。為使對測試成果可靠性有一個概括的了解，將鉆孔ZK01內各測段壓裂過程中的壓力—時間記錄曲線示于圖4。破裂壓力（Pb）、重張壓力（Pr）、瞬時閉合壓力（PS）在各循環清晰可見，重復性較好。尤其是確定測量成果準確與否的水壓破裂面的瞬時閉合壓力值，壓力記錄曲線上不僅明顯、確切，而且在各測段的4次重復測量中均吻合一致。因此該測量成果準確可靠。

根據水壓致裂法三維應力測量原理與方法可知，利用同一測點三個不同方向鉆孔的方位參數和平面應力值的大小、方向即可以計算出該測點的三維應力狀態。參與計算的各鉆孔平面應力隨孔深變化不大，取其平均值；平面應力方向取其優勢方向數值。參與三維應力計算的各鉆孔水平應力、方向的參數取值見表3。由此計算的各測點的三維應力大小、方位、傾角以及各應力分量見表4。

表2 各測點鉆孔水壓致裂法平面應力測量結果

表3 三維應力計算參數取值

表4 三維應力計算結果

圖4 ZK01鉆孔內地應力測試曲線

4 地應力測量結果分析

測點附近最大主應力9.36～10.89 MPa，最小主應力6.66～7.56 MPa。最大主應力值相差約1.5 MPa左右，最小主應力差1 MPa左右。差異原因可能與兩測點所在位置的構造環境、巖性、巖芯完整程度以及上覆巖層厚度等不同有關。兩測點的三維應力量值雖然存在一定差距，由于測試數據與結果是對測點位置真實地應力覆存狀況的客觀反映，因而兩測點結果都是準確有效的。

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

5 氣墊式調壓室圍巖抗劈裂穩定性評價

氣墊式調壓室巖體不能因隧洞的內水壓力、內氣壓力過高致使圍巖產生水力劈裂或氣壓劈裂破壞。根據中國水電工程顧問集團公司企業標準《水電站氣墊式調壓室設計規范》（Q／HYDROCHINA007 -2010）［15］，氣墊式調壓室巖體最小主應力σ3應滿足如下經驗公式：

式中σ3——為巖體最小主應力，N／m2；

γw——為水的重度，N／m3；

Pmax——為氣室內最大氣體壓力，以水頭表示，m。

通過水壓致裂法三維地應力測量，測點附近最小主應力為6.66～7.56MPa。最小主應力是室內最大氣體壓力3.73MPa的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩定最小主應力要求。

6 結 論

（1）對二瓦槽水電站氣墊式調壓室進行了兩組水壓致裂法三維地應力測量，測量結果準確可靠。

（2）測量結果表明：測區應力場方向分布較均衡，最大主應力9.36～10.89 MPa，最小主應力6.66～7.56 MPa。最大主應力傾角較緩（10°～17°），方位在N～W附近（336°～340°），主要受到水平方向壓性構造應力的作用。

（3）測區最小主應力是氣墊式調壓室室內最大氣壓力的1.8～2.0倍，滿足巖體抗劈裂穩定最小主應力要求。

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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，高級工程師，從事水電工程地質勘察工作。