浪江抽水蓄能電站地下廠房地應力及硐室圍巖巖爆分析

呂城騰

(廣東省水利電力勘測設計研究院，廣東 廣州 510635)

抽水蓄能電站地下廠房區地應力的大小和方位，直接影響廠房布置以及硐室圍巖穩定性。為查明浪江抽水蓄能電站地下廠房區的地應力情況，開展水壓致裂法[1-2]二維、三維地應力測試[3]分析，進而對硐室開挖過程中的巖爆[4-6]可能性進行分析。

浪江抽水蓄能電站站址位于肇慶市廣寧縣五和鎮，上水庫位于廣寧縣五和鎮與木格鎮交界處的黃蓮山山脈附近，下水庫位于五和鎮高嶺村，場區屬中低山丘陵地貌，地勢總體呈北西高南東低。電站初擬總裝機容量為1 200 MW(4×300 MW)。電站樞紐工程主要包括上、下水庫、輸水發電系統、地下廠房洞室群、地面開關站及場內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，廠房軸線方位為N47°W。ZK1001布置于廠房軸線附近，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。

根據深孔ZK1001揭露，廠房深度范圍內，巖性為弱—微風化狀花崗巖，巖芯多呈柱狀、長柱狀，局部呈碎裂狀，發育裂隙較少，且多以陡傾角裂隙為主，裂面處見鈣質、綠泥石充填，局部見石英脈，熔融膠結，與圍巖膠結較好。花崗巖巖體較完整—完整，巖質堅硬。廠房安裝高程處，巖性為微風化狀花崗巖，巖芯呈長柱狀，未見裂隙發育，巖質堅硬，巖體完整。

1 二維地應力分析

在廠房深孔中進行了水壓致裂法二維地應力測試，共選取了10個測段開展測量工作，在10個測段中，每個測段均進行了4次重復測量，壓力記錄曲線形態規范，各回次曲線重復性較好。

為準確獲取地應力參數，通過壓裂前與壓裂后的超聲波成像測井對比，選取了壓裂縫為豎直縫的測試段進行水平主應力計算，參與計算結果見表1。垂向應力是根據測段上覆巖層埋深由公式Sv=ρgh計算獲得，計算時巖石平均容重取26.5 kN/m3。

表1 水壓致裂二維地應力參與計算測量結果

通過壓裂前后超聲波成像測井圖像對比，確定水平最大主應力方向為NNW向(代表性對比結果見圖1所示)；實測主應力量值隨深度增加而增加(主應力隨孔深變化見圖2所示)。根據二維地應力實測結果，廠房深孔地應力分布規律特征如下：① 在測量深度范圍內，水平最大主應力值在5.68～26.64 MPa之間，水平最小主應力值在4.22～15.69 MPa之間，表明工程區地應力屬中等應力區；② 該孔水平最大主應力為NNW向；③ 水平主應力隨深度增加而增大，其線性變化關系分別為SH=0.065 4H-2.816 1，R2=0.693 9；Sh=0.036 0H-0.544 1，R2=0.716 3。

圖1 成像測井確定壓裂縫方向示意(水平最大主應力方向)

圖2 應力隨孔深分布示意

2 三維地應力分析

在廠房深度范圍附近，選取具有代表性的測段，進行2組三維地應力計算(每組1個常規水壓致裂數據和1個裂隙重張數據，深度差一般不大于50 m)，第1組相關參數見表2所示。

表2 第1組參與三維地應力計算的主要參數

根據表2的實測數據，計算該點的三維應力張量、3個主應力的量值大小及其空間方位，所得三維地應力測試成果見表3，主應力方位赤平投影見圖3。

表3 第1組三維地應力計算結果

圖3 第1組三維主應力方位赤平投影示意

第2組的相關參數見表4。根據表4的實測數據，計算該點的三維應力張量、3個主應力的量值大小及其空間方位，所得三維地應力測試成果見表5，主應力方位赤平投影見圖4。

圖4 第2組三維主應力方位赤平投影示意

表4 第2組參與三維地應力計算的主要參數

表5 第2組三維地應力計算結果

三維地應力求解結果如下：近廠房頂拱位置最大主應力為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組求解結果可知：地下廠房深度范圍內，主應力空間方位存在一定的偏轉，而量值變化較大，表明研究范圍附近的應力梯度[7]偏高。垂向應力(即上覆巖層重力)表現為最小主應力，水平構造應力作用占據主導地位，屬于逆斷型應力結構。最大主應力方位與廠房軸線(N47°W)成小角度相交，理論上有利于場區穩定。

3 硐室圍巖巖爆分析

根據《水利水電工程地質勘察規范》(GB 50487—2008)[8]附錄Q中的巖爆分級及判別表，以實測地應力和巖石力學參數為基礎，以圍巖強度應力比Rb/σm探討洞室發生巖爆的可能性。

對廠房深度范圍內測點的Rb與σm進行了比較，其中Rb為巖石飽和單軸抗壓強度，取80～100 MPa，σm為實測最大主應力，對于本工程，根據地應力測量結果，以水平應力為主，因此，σm=SH，計算結果見表6。

表6 水壓致裂二維水平最大主應力與Rb的比較結果

同時選取廠房深度范圍內的2個測點進行三維地應力測試，利用巖石飽和抗壓強度與對應的最大主應力進行了比較，其中Rb為巖石飽和單軸抗壓強度，取80～100 MPa，σm為實測最大主應力，根據三維地應力計算結果，確定σm=σ1，計算結果見表7。

表7 水壓致裂三維最大主應力與Rb的比較結果

4 結語

1) 水壓致裂二維地應力測試結果表明，水平最大主應力、水平最小主應力和垂向應力隨深度增加而增大，且具有較好的線性關系。

2) 根據水平最大主應力、水平最小主應力和垂向應力之間的關系，基于實測數據和主應力隨深度擬合曲線，表明在測試深度范圍內3個主應力之間的關系關系為SH>Sh>Sv，以水平向應力作用為主導，為逆斷層應力環境。

3) 根據水壓致裂地應力測試前后超聲波成像測井結果對比，確定深孔所在位置的最大水平主應力優勢方向近NNW。

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

5) 根據巖石飽和抗壓強度與最大主應力之間的關系分析，確定浪江抽水蓄能電站90～260 m深度范圍無巖爆發生，地下廠房深度范圍(290～350 m)內，在堅硬花崗巖巖體內存在發生輕微～中等巖爆的可能性。另外，最大主應力方位與廠房軸線成小角度相交，理論上有利于場區穩定。