新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究

'第32卷第10期岩土工程学报Vol.32No.102010年.10月ChineseJournalofGeotechnicalEngineeringOct.2010新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究1，22312杨树新，王成虎，周俊，许兆义，姚瑞(1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085；3.中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，陕西西安710065)摘要：在中国西南某新型引水式水电站工程中使用水压致裂技术开展了原地应力及相关岩体力学参数测试。结果表明，工程区现今应力场状态以NNW向挤压为主，最大主应力值为7.35～8.16MPa，方向约为N33～52°W，倾角约26～39°。气垫调压室三维原地应力状态的最大主应力值为10.63MPa，最小主应力为4.98MPa；围岩岩体抗劈裂强度高值区在5.50MPa以上，低值区为3.00～3.50MPa。根据围岩应力分布非均匀性遵循的一般性规律，结合原地应力测量与裂隙围岩原地承载能力测试结果的各自特点，提出了利用地应力测量数据、原地承载力测试结果、弹性模量数据综合评估承压洞室围岩最小主应力的方法，给出气垫式调压室部位最小主应力综合评估值2.86MPa。并分析了地应力状态对地下厂房、引水隧洞、气垫调压室稳定性的影响。关键词：高压洞室；水压致裂；原地应力；水力阶撑中图分类号：TU431文献标识码：A文章编号：1000–4548(2010)10–1519–05作者简介：杨树新(1963–)，男，硕士，副研究员，主要从事地应力与形变测量技术、方法和理论研究。E-mail:ysx62935279@263.net。Applicationofhydraulicfracturetechnologytoestimatingin-situstressofanewtypediversionhydroelectricproject12312YANGShu-xin，WANGCheng-hu，ZHOUJun，XUZhao-yi，YAORui(1.SchoolofCivilEngineering,BeijingJiaotongUniversity,Beijing100044,China;2.InstituteofCrustalDynamics,CEA,Beijing100085,China;3.NorthwestInvestigation,DesignandResearchInstitute,Xi"an710043,China)Abstract:Thehydraulicfracturetechnologyisemployedtoestimatethein-situstressesandotherrelevantmechanicalparametersofrockmassatanew-typediversionhydroelectricprojectinChina.ThemeasuredresultsshowthattheengineeringareaisunderthestresseswiththeorientationofNNW,andthemaximumprincipalstressisfrom7.35to8.16MPainmagnitude,withthedirectionofN33°～52°Wandtheinclinationof26°to29°.Themaximumprincipalstressaroundtheair-cushionpressureadjustmentcavernis10.63MPa,andtheminimumprincipalstressis4.98MPa;thehighvaluesofanti-crackingstrengthofwallrockmassareabove5.50MPa,andthelowvaluesarebetween3.00and3.50MPa.Accordingtothegenerallawofstressnonhomogeneityinthewallrockmass,andconsideringtherespectivecharacteristicsofmeasuredin-situstressesandanti-crackingstrengthsoffissuresinwallrockmass,anewmethodisputforwardtoestimatetheminimumprincipalstressinthewallrockmass,whichincorporatesthein-situstressmeasurements,in-situbearingcapacitymeasurements,andelasticmodulusdata.Byuseofthenewmethod,theestimatedminimumprincipalstressis2.86MPafortheareaaroundtheair-cushionpressureadjustmentcavern.Finally,theimpactsofin-situstressesontheundergroundfactorycaverns,watertunnelsandair-cushionpressureadjustmentcavernarediscussed.Keywords:high-pressurecavern;hydraulicfracture;in-situstress;hydraulicjacking0引言国内外学者与工程技术人员开展了大量的研究与实践[1-6]岩体中的地应力状态是影响工程稳定性的重要因。素，进行原地应力测量，研究岩体应力状态，正确认新型引水式水电站具有节省投资、缩短工期、有识岩石的力学性能，合理地利用岩体中应力状态的有───────基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（40704018）；国土资源部利方面，克服其不利方面，对于工程设计、施工、生深部探测技术与试验研究专项项目（SinoProbe-06）产具有十分重要的科学意义与实用价值，在这一领域收稿日期：2009–10–30 1520岩土工程学报2010年利环保等优点。其特征是一坡到底、深埋；采用气垫测量（图1）。式调压室；充分利用围岩的承载能力，不衬砌、少配[7]筋。核心理念是利用地应力作用，让引水发电系统建筑物围岩直接承担各种工况下的内外荷载，是科学[8-12]技术指导工程实际的创新与发展。谷兆祺等于[8]1985年就开始介绍挪威新型水电工程经验。胡建永等(2007)对气垫式调压室的工程地质、气体动态特性、模型试验、安全水深和运行控制等方面的研究成果进[9]行总结，指出了需进一步研究的方向和应用前景。方光达(2005)根据自一里、小天都、木座等12座气垫式调压室布置设计资料，对影响气垫式调压室位置选[10]择的地应力等控制条件进行总结和讨论。吴晓玲等（2007）针对岗曲河二级水电站，比较了常规调压井方案与气垫式词压室方案，认为气垫式调压室方案具[11]有明显的优越性。郭啟良等（2007）在川西某水电工程开展了气垫调压室原地应力及相关岩体特性参数的测量，并据测试成果对工程设计方案提出了建议图1地应力测点与水平最大主应力方位图[12]。尹健民等（2008）在清远抽水蓄能电站进行了地Fig.1Layoutofstressmeasurementpointsandorientationof应力测试分析，依据最小主应力准则，认为高压引水maximumhorizontalstress隧洞围岩满足抗水力劈裂要求，并讨论了衬砌设计方[13]案。2洞室围岩原地应力与力学参数测量对于新型引水式水电站，依据最小主应力准则设2.1原地应力状态测量计的承压洞室是决定工程成败的关键，上述研究虽然为了解地下厂房、引水隧洞及气垫式调压室等关从不同侧面对地应力影响进行了有益的探讨，但在如键工程建设部位原地应力状态，采用水压致裂技术，何利用实测资料合理选取最小主应力值方面没有涉开展了5个测点进行水压致裂三维原地应力测量（表及。本文介绍了中国西南某新型引水式水电站原地应1）。力及相关岩体力学参数的测量结果，分析了围岩应力###由表1可以看出，1、2、3三个测点的数据比状态的特征，给出了根据各种实测资料估计最小主应较接近，吻合较好。各测点垂直孔获得的水平主应力力的方法，并分析了地应力状态对气垫调压室、地下中，sH相对较离散，sh比较接近，这种现象与各测孔厂房、引水隧洞稳定性的影响。附近的岩体条件差异较大有关，一般情况下，在同一个地区，坚硬完整岩体中的应力值偏高，松散破碎岩1地应力环境与工程布置体中的应力值偏低。水电站工程所处的川滇地区是欧亚和印度两大板###4和5测点的三维主应力状态相对较为接近，4块会聚、消减、相互作用的边缘地带。由于其特殊的##测点的埋深大于5测点，而4测点附近的岩体质量要构造部位和强烈的地壳运动，多年来它一直吸引着一#好于5测点。两测点垂直孔获得的水平主应力数据都批学者就其构造演化、动力模型、地壳应力状态、地比较接近，说明两个测点所揭露的岩体条件都较为接震活动等有关问题展开了广泛的讨论，研究结果表明，近。区域及邻区第四纪构造应力场和现代构造应力场具有三维原地应力测量得到最大主应力方向N33°～很强的继承性，其应力场方向的基本格局是一致的，52°W；最大水平主应力的方向为N30°～37°W，优[14-16]即区域主压应力场方向为NNW～SSE向。势方位为N33.5°W。这一结果符合本区震源机制解得电站引水系统位于左岸完整基岩中，为保证地下出的挤压应力场方向，与中国大陆地壳应力图所反映厂房、引水隧洞的稳定，保证高压洞室围岩在工程运的区域构造应力场方向亦相吻合。行状态的高压作用下不发生劈裂，山体亦不会发生抬2.2含裂隙围岩原地承载能力测试动变形，科学设计建设方案，在重点工程部位上采用高水头电站，其坝址、调压井及输水隧洞的围岩水压致裂方法进行了原地应力及相关岩体力学参数的长期承受高水压力作用，裂隙岩体在高水压力作用下 第10期杨树新，等.新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究1521表1地应力测量结果Table1Resultsofstressmeasurements水平主应力三维主应力应力分量测点名称量值/MPasH方位/°名称量值/MPa方位/°倾角/°正应力/MPa剪应力/MPas18.1632726sx6.48txy1.53#sH8.051323s26.129852sy5.79tyz0.08sh4.94s34.2022424sz6.20txz-1.20#sH6.762330————————sh4.70s17.3530839sx5.54txy1.30#sH6.183324s26.1514849sy5.57tyz-0.71sh4.92s34.174610sz6.57txz-0.14s110.6332058sx5.97txy0.05#sH4.454314s26.62616sy6.80tyz-1.54sh2.69s34.9815531sz8.93txz-2.26s17.1332763sx4.18txy-0.88#sH4.805318s25.462360.8sy4.85tyz-0.97sh3.00s32.7014526sz6.26txz-1.47注：表中坐标系为，x轴向东；y轴向北；z轴向上；方位角从北顺时针为正；倾角向上为正。表2含裂隙围岩原地承载力的测量结果Table2Measuredresultsofin-situbearingcapabilityoflightly-jointedrockmass钻孔试段深度/m承载力/MPa钻孔试段深度/m承载力/MPa钻孔试段深度/m承载力/MPa3.00~4.258.53.00~4.253.05.00~6.255.55.00~6.25透水水平孔a水平孔b垂直孔3.00～4.253.514.00~15.256.09.00~10.25透水24.0~25.25透水是否张开，其渗透特性如何，直接关系到围岩的稳定即使该洞室不再衬砌补强，洞壁围岩也不会产生劈裂#性。为确定高压洞室围岩的抗劈裂强度，在该电站4破坏的危险，因此能够保证工程的安全和稳定。上述测点的3个钻孔中选择了具有代表性的8个裂隙结构层准则在理论上是正确的，但在实际工程中确定围岩最段，采用梯级增压测试方法进行了高压压水测试（表小主应力时还应考虑下述情况：2），以此确定裂隙原始性状发生改变的临界压力，即情况一：原地应力测量选择在岩石较完好的段位，[17]测定岩层裂隙被张裂的极限压力。而裂隙围岩原地承载能力测试选择在有裂隙的段位，#4测点附近围岩裂隙岩体原地承载力分高值区、按岩石力学的一般规律，硐室围岩相对完好部位的地低值区、漏水区3种情况（表2）：一是高值区，承载应力值相对较高，裂隙发育部位的地应力值较低。因力约8.5MPa，分布在水平孔a的3.0～4.25m、5.00～此，原地应力测量反映的是洞室围岩高值区的应力状6.25m和14.00～15.25m三个测试段，测试段岩芯以态，要保证“承压洞室围岩任一点的最小主应力都不柱状和长柱状为主，裂隙微小，胶结好，挤压紧密；小于其承受的最大内压力”，就应给出低值区的应力二是低值区，承载力3.0～3.5MPa，分布在水平孔b值。按应力分布的一般规律(胡克定律)：的3.00～4.25m和垂直孔的3.00～4.25m测试段，该se=E，(1)类岩体普遍胶结相对较好；三是透水区，水压力<1式中，s，E，e分别为应力、弹性模量、应变。MPa时就严重漏水，分布在水平孔a的24.00～25.25m在统一的应变场中，σ与E成正比关系，因此可测试段和水平孔b的5.00～6.25m、9.00～10.25m测以通过工程区不同部位E值的比较，给出低值区应力试段，测试段裂隙相对较发育、裂隙充填物胶结性能的估计值：E较差。ss=d，(2)dgEg2.3承压洞室围岩最小主应力值的确定式中，s，E，E，s，分别为低值区应力、低值气垫调压室设计方案可行的关键是在实际高压力ddgg区弹性模量、高值区弹性模量、高值区应力值.作用下，围岩不会被张裂破坏，山体亦不会抬动变形。情况二：裂隙围岩原地承载能力测试得到的是裂在工程实践经验总结基础上，国外学者提出了高压洞[7]隙由其闭合状态到逐渐被张裂的临界压力，也即裂隙室设计的最小主应力准则，即只要承压洞室围岩任面上的正应力，一般情况下大于最小主应力，只有当一点的最小主应力都不小于其承受的最大内压力，则 1522岩土工程学报2010年#裂隙面的产状与测段最大和中间主应力构成的空间平的岩体力学条件。但考虑到4测点附近的局部洞段岩面状态一致时，裂隙面上的正应力等于最小主应力。体较为破碎、裂隙发育，岩体透水性较强、自身的承因此，该项测试得到的最小值最靠近最小主应力值，载能力较弱的情况，需进行局部加固与防渗处理。但不能确定测得的最小值就是最小主应力值。综合考虑情况一与情况二，比较情况一的低值区4结论应力估计值与情况二的最小值，取较小者作为承压洞（1）新型引水式水电站的核心理念是利用山岩及室设计中的最小主应力值。由此得到的最小主应力值其地应力场的作用来维护洞室工程的稳定与安全，是更能符合最小主应力准则的要求。岩体力学在实际工程中的创新应用，必将面临许多新的课题和挑战，也必将积极推动岩石力学研究的发展3测试成果在工程建设中的应用与测试技术的进步与应用。3.1地应力状态对地下厂房的影响（2）气垫式调压室设计采用的最小主应力原则，在水平主应力大于垂直应力的情况下，最大水平关键是取得围岩中最低的最小主应力值。本文根据围主应力方向与洞室轴线方向夹角越小，越有利于洞室岩应力分布非均匀性遵循的一般性规律，结合原地应###稳定。综合分析厂房附近1、2、3测点应力（表1），力测量与裂隙围岩原地承载能力测试结果的各自特σ1倾角均小于45°，总体来看，σH略大于垂向正应力点，提出了利用地应力数据、原地承载力测试数据、σz，σh小于σH，σz。测量得到的水电站厂房区工程区弹性模量数据综合评估围岩最小主应力的方法，具有附近最大水平主应力方向（N34°W）与厂房长轴方向实际意义。（N8°W）夹角26°左右，有利于厂房稳定。（3）实测地应力结果与分析表明，拟采用的地下3.2地应力状态对引水隧洞的影响厂房与引水隧洞布置方案有利于工程稳定。当垂直应力大于水平应力时，洞室长轴选择在最（4）根据测试结果综合评估得到气垫式调压室部#小水平主应力方向时利于洞室稳定。位于引水隧洞的5位最小主应力为2.86MPa。按最小主应力原则，可作测点σ1倾角为63°，大于45°，垂向正应力σz大于水为气垫式调压室设计依据。平正应力σH，σh（表1）。引水隧洞（走向NE29°）与#参考文献：5测点σh（方位NE48°）夹角19°，小角度相交，有利于隧洞稳定。[1]HUBBERTA,MK,WILLISDG.Mechanicsofhydraylic3.3地应力状态对气垫调压室的影响fracturing[J].AIME,1957,210:153–166.情况一：由原地应力测量数据估计低值区的应力[2]CORNETFH,BURLETD.Stressfielddeterminationsin值。在本工程区，推荐使用的岩石力学参数（表3），Francebyhydraulictestsinboreholes[J].JGeophysRes,最高值Eg为20.4GPa，最低值Ed为11.7GPa，气垫1992,97(B8):11829–11849.#调压室4测点的最小主应力σg为4.98MPa，由（2）[3]HAIMSONBC,LEEM,CHANDLERN,etal.Estimatingthe式可得低值区应力的估计值为2.86MPa。stateofstressfromsub-horizontalhydraulicfracturesatthe表3岩石力学参数表undergroundresearchlaboratory,Manitoba[J].IntJrockTable3MechanicalparametersofwallrockmassMechMinSci,1993,30(7):959–964.角砾状结晶[4]李方全,陈群策.原地应力测量方法及原地应力测量的研岩性名称灰岩灰岩灰岩究领域[C]//中国大陆地壳应力环境研究.北京:地质出高值13.620.414.9版社,2003:155–163.(LIFang-quan,CHENGQun-ce.弹性模量/GPa低值11.718.017.0Methodsandapplicationfieldsofin-situstress情况二：由裂隙围岩原地承载能力测试结果（表measurement[C]//StudyofStressenvironmentonthe2），得到裂隙面上的最小正应力为3.0MPa。continentalcrustofChina.Beijing:GeologicPress,2003:综合考虑情况一与情况二，取较小者2.86MPa，155–163.(inChinese))作为气垫调压室设计中的最小主应力值。情况一与情[5]刘允芳.岩体地应力与工程建设[M].湖北科学技术出版社,况二的评价结果较为接近，也说明了测试结果的可靠2000:244–276.(LIUYun-fang.Geostressandengineering性与情况一所采用方法的合理性。construction[M].TheScienceandTechnologyPressofHubei根据最小主应力准则，气垫调压室承受的内压力Province,2000:244–76.(inChinese))不大于2.86MPa的情况下，具备压力洞室不衬砌设计[6]LIHong,ANQi-mei,GUOQi-liang.In-situstress 第10期杨树新，等.新型引水式电站中水压致裂地应力测量技术应用研究1523measurementsbyhydraulicfracturingandhydraulicjackingmechanicsparametersofsurroundingrockoftheair-cushionexperimentatnuozhaduhydropowerstationChina[J].Rocksurgetankatahydroelectricprojectinwestchina[J].ChineseStress,Sugawara,Obara,Sato,eds.AABalkemaPublishers,JournalofRockMechanicsandEngineering,2007,26(10):2003:127–132.230–235.(inChinese))[7]陈其伟,王西宏,谷兆祺,等.新型引水式水电站的理论与[13]尹健民,郭喜峰.清远抽水蓄能电站地应力测试分析与高实践[M].北京:中国水利水电出版社,2008.(CHEN压隧洞设计验证[J].长江科学院院报,2008,5:43–45.Qi-wei,WANGXi-hong,GUZhao-qi,etal.Theoryand(YINJian-min,GUOXi-feng,AIKai,LIYong-song.practiceofthenewpatternhydroelectricproject[M].Beijing:Analysisofin-situstressmeasurementandhighpressureChinaWaterPowerPress,2008.(inChinese))tunnel’sdesignverificationforqingyuanpumpedstorage[8]谷兆祺,李欣欣,郭军合.挪威水电工程经验介绍[M].特plant[J].JournalofYangtzeRiverScientificResearchInstitut,隆赫姆:泰比亚出版公司,1985.(GUZhao-qi,LIXin-xin,2008,5:43–45.(inChinese))GUOJun-he.ExperiencesinNorwegianhydropower[14]崔效锋,谢富仁,张红艳.川滇地区现代构造应力场分区engineering[M].Trondheim:Tapirpublishers,Trondheim,及动力学意义[J].地震学报,2006,28(5):451–461.(CUI1985.(inChinese))Xiao-feng,XIEFu-ren,ZHANGHong-yan.Recenttectonic[9]胡建永,张健,王辉清.水电站气垫式调压室应用研究stressfieldzoninginSichuan-Yunnanregionanditsdynamic综述[J].水电能源科学,2007,22(3):60–63.(HUinterest[J].ActaSeismologicaSinica,2006,28(5):451–461.Jian-yong,ZHANGJian,WANGHui-qing.Reviewof(inChinese))applicationresearchonaircushionsurgechamberin[15]王绍晋,龙晓帆,余庆坤.昆明地区现代构造应力场分析hydropowerplant[J].WaterResourcesandPower,2007,[J].地震研究,2005,28(2):178–184.(WANGShao-jin,23(3):60–63.(inChinese))LONGXiao-fan,YUQing-ku.Analysisonrecenttectonic[10]方光达.水电站气垫式调压室应用现状和主要设计问题stressfieldintheYunnanregion[J].JournalofSeismoournal[J].水力发电,2005,2(3):44–47.(FANGGuang-da.ofSeismOlogicalResearch,2005,28(2):178–184.(inApplicationofair-cushionsurgeshaftforhydropowerstationChinese))anditsmaindesignproblems[J].JournalofHydroelectric[16]王凯英.川滇地区现今应力场与断层相互作用[D].北京:Engineering,2005,2(3):44–47.(inChinese))中国地震局地质研究所,2003.(WANGKai-ying.[11]吴晓玲,姬文龙.气垫式调压室及其在岗曲河二级水电站Present-daystressfieldandfaultinteractionsinthe应用的研究[J].云南水力发电,2007,23(6):68–78.(WUSichuan-YunnanregionofChina[D].Beijing:InstituteofXiao-ling,JIWen-long.StudyandapplicationoftheGeologyChinaEarthquakeAdministration,2003.(inair-cushionsurgetankataGangquheSecondaryChinese))HydroelectricProjectin[J].YunnanWaterPower,2007,23(6):[17]毛吉震,陈群策,张彦山.水力阶撑试验在水电工程的应68–78.(inChinese))用研究[J].岩土工程学报,2004,26(4):477–481.(MAO[12]郭啟良,王成虎,丁立丰,等.川西某水电工程气垫调压Ji-zhen,CHENQun-ce,ZHANGYan-shan.Applicationof室原地应力及相关岩体特性参数的测量与应用分析[J].岩hydraulicjackingtesttohydropowerengineering[J].Chinese石力学与工程学报,2007,26(10):230–235.(GUOQi-liang,JournalofGeotechnicalEngineering,2004,26(4):477–481.WANGCheng-hu,DINGLi-feng,etal.Measurementsand(inChinese))applicationofin-situstressandrelatedandrelatedrock'