博瓦、新藏水电站厂房地应力测量成果分析及探讨

赵勇进，李燕辉

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都 610072)

1 概述

博瓦、新藏水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内，是金沙江左岸一级支流水洛河“一库十一级”中第八、第七个梯级电站。博瓦电站是新藏电站下游梯级电站，两电站厂房相距仅约15 km。博瓦电站以发电为主，采用引水式开发。电站正常蓄水位高程1 995 m，最大闸坝高17 m，装机容量162 MW。新藏电站正常蓄水位高程2 169 m，最大闸坝高18.5 m，装机容量186 MW。

两电站厂房均为地下厂房。为探明厂房区岩体地应力状况，进一步为设计部门选取地下厂房轴线方向提供依据，在两电站厂房洞分别进行了地应力测量，测量方法采用孔径变形法。

2 测量原理

孔径变形法测量岩体三维应力，即在岩体中钻取3个不同方向(相邻孔夹角不小于30°)的交汇孔，对3个孔分别进行孔径变形测量，最后获得岩体三维应力状态。

首先建立一空间大地坐标系OXYZ，OX指向北(N)，OY指向西(W)，OZ铅直向上，测点处为O点;对钻孔建立钻孔坐标系OXYZ，其中X轴为钻孔钻进方向，Y轴位于XOY平面上。两坐标系见图1。

应力分量由下式确定:

图1 坐标系示意图

式中 a11～an6为系数表达式，是钻孔方向、元件安装方向、泊松比的函数式，即由第n组变形测值建立的观测方程的系数;∑1～∑n为测值表达式，计算式为:

通过最小二乘法将上述n个观测方程变成法方程组，从而解出6个独立的应力分量 σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx。

主应力的大小由下式确定:

式中 i=1，2，3。

确定主应力的方向，其方向余弦满足下面两式。

式中 i=1，2，3;li，mi，ni分别为 σi与坐标轴夹角的方向余弦。

3 测量成果及分析

地应力测量成果见表1。从测量结果可见，博瓦水电站厂房测点岩体应力具有以下特点:

(1)σ1量值为20.23 MPa，属中等偏高应力。测点岩性为大理岩夹石英片岩，最大主应力量值相对于岩石的湿抗压强度而言，属中等偏高应力。

(2)最大主应力方向呈NNW向。

从图2可见，区内构造较复杂，断层、褶皱发育，主要发育NW、NE、SN向三组断裂和褶皱，以NW向为主，NE向次之，SN向最少;下博瓦断层于厂址上游侧斜穿水洛河，与河流呈40°～50°夹角，距厂房最近距离约160 m，断层总体走向N50°～60°W，倾向 NE，倾角 75°～80°;测点优势节理裂隙产状为N15°～20°W/SW∠60°～65°。这些地质构造的存在，造成了NE向应力有所释放。因此，区域构造(NW向)及局部构造(优势节理裂隙)共同控制了测点岩体应力状态。测点的岩体最大主应力方向与区域构造应力方向(NW～NWW)基本一致。

(3)σ1及 σ3倾角均小于 30°，σ2倾角较大，超过60°，反映了测点岩体应力场近似水平应力场。

测点平洞岩体强卸荷水平深度约10～15 m，弱风化、弱卸荷水平深度约15～41 m。河水面宽一般为40～50 m，最宽约60 m，河谷呈不对称的“V”形。区内两岸山体雄厚，河谷狭窄，地形陡峭，临河谷自然坡度均大于50°。可见测点σ1倾角大小受地形影响相对较小，主要由区域及局部构造应力方向控制。

(4)测点岩体地应力由自重应力、构造应力、残余应力及其它变异应力综合叠加而成，但总体以自重应力和构造应力为主。

新藏电站厂房测点岩体应力具有以下特点:

(1)σ1量值达31.75 MPa，属高应力。

测点岩体应力为高应力可从以下几点得到印证:①厂房部位岩性为大理岩，大理岩新鲜、完整，岩质坚硬，抗变形能力强，容易蓄积较高的应变能，单从岩石本身而言，具备存储较高应力的条件。②测点钻孔布置见图2，岩体应力测量过程中，在3、4#两个钻孔中，均出现了 φ130饼状岩芯，其中3#孔饼状岩芯尤为发育。饼状岩芯大多长2～5 cm，以2 cm居多。由于3#孔饼状岩芯过于发育，无法进行试验，后经调整钻孔方向，补充了4#孔。钻孔中饼状岩芯发育与测试结果为高应力相吻合。③厂区群英河发育于下游河流左岸，距厂址约670 m，切割相对较深，延伸至山顶，总体呈近EW走向。测点受水洛河及群英河两面切割，导致测点岩体应力可能有一定的集中，也反映了测点岩体应力较高。④厂区勘探平洞揭示，在完整岩体中片帮现象明显。据打探洞人员反映，施工中局部洞段岩爆现象频繁。

图2 应力钻孔布置示意图

(2)最大主应力方向呈NEE向。

从区域地质构造分析(图2)，区内主要受NW、NE、SN向三组断裂控制，其中以NW向为主。厂区最大主应力方向若受区域构造应力控制，应呈NW向，这与测点实测最大主应力方向NEE向相矛盾，但从局部及区域构造分析:第一，厂址区地质构造简单，主要表现为节理裂隙，风化夹层、小断层或小型挤压破碎带出露几率较低。调查和统计结果表明，优势裂隙除层面(产状为N20°～40°E/SE∠65°～70°)外主要发育有 4 组:①N30°E/SE∠65°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，间距0.3 ～0.5 m，张开 1 ～3 cm;②N70°E/NW∠70°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，间距 0.2～0.5 m，微张;③N70°W/NE∠89°，裂面平直、较粗糙，延伸 ＞10 m，间距0.5 ～1.5 m，闭合;④ N60°E/SE∠25°，裂面平直、光 滑，延 伸 ＞10 m，间 距0.5～1.5 m，闭合。从统计结果看，优势裂隙走向以NE为主，且①优势裂隙张开1～3 cm，②优势裂隙微张，说明NW向岩体应力有一定释放，NE向岩体应力高于NW向。第二，从局部地形地貌分析，E65°W向群英河切割相对较深，实际已构成了近SN向应力释放的临空面，而近EW向由于岩体完整制约了地应力在EW向的卸荷。第三，区域 N20°～40°E 向里到断裂(F6)及 N42°E向先锋断裂(F9)对厂区岩体应力方向有一定影响。因此，测点岩体应力方向受区域构造及局部地质构造共同控制呈NEE向是合理的。

图3 近场区构造纲要图

(3)σ1及 σ3倾角均小于30°，σ2倾角较大，超过60°，反映了测点岩体应力场近似水平应力场。测点岩体应力以自重应力和构造应力为主。

综上所述，博瓦、新藏水电站测点岩体应力受区域构造及局部地质构造共同控制。对于博瓦水电站，厂房轴线选择应考虑最大主应力方向及优势结构面走向，应尽量与最大主应力方向交角较小，与主要优势结构面交角较大，这样才有利于洞室围岩的稳定。新藏水电站厂房轴线选取应主要考虑最大主应力方向，首先满足与最大主应力方向交角较小(根据工程经验，夹角应＜30°)，其次考虑优势结构面及其它因素。

4 厂房洞室开挖施工建议

工程实践经验表明，洞室开挖过程中影响围岩稳定性的因素主要有两个:一是岩体地应力，二是结构面不利组合。根据博瓦、新藏水电站地应力及岩体特点，建议厂房洞室开挖施工应注意以下几点:

(1)产生应力集中过大对围岩稳定的影响。洞室开挖后围岩应力将重新分布，并可能在洞室墙体、顶拱等部位产生较大应力集中甚至局部出现拉应力，局部岩体会产生拉应力破环、塑性变形破坏、剪切破坏等，这对围岩稳定不利，建议设计及施工应予以重视。

(2)硬质大理岩中可能产生的岩爆对围岩稳定的影响。依据新藏水电站厂房区高应力的特点，预测在厂房施工洞室段完整岩体中可能发生轻微～中等岩爆。为减轻岩爆对施工的影响，建议采取的防治措施如下:

①在可能发生岩爆的地段，按照“全断面、短进尺、弱爆破”的爆破原则施工。合理选择爆破参数，优化爆破设计，提高光面爆破效果，改善洞壁应力条件。

②轻微岩爆段的施工工艺可按正常施工工艺进行，其施工工序为爆破后先通风，后在距离掌子面以外相对安全地段对周边及掌子面岩面喷水、然后组织喷锚、出渣。

③中等岩爆段的防治主要通过改变原有的施工工序及施工工艺，人为的在掌子面造成相当深度的破碎带，并且在开挖洞室周边打一定数量和合适深度的锚杆空孔，破环围岩的整体性，使深层应力尽可能外泄，区域集中的能量尽快分散，达到控制岩爆的目的。

④对于岩爆破坏较严重的地段，设计与施工应密切配合，需要及时调整系统锚杆设计方案，增加锚杆密度，同时配合其它支护措施，以加强岩爆段初期支护效果。

(3)软质板岩、片岩中可能出现大变形对围岩稳定的影响。

博瓦水电站厂房开挖施工中，预测在软质板岩、片岩中可能出现大变形，对洞室围岩稳定不利。板岩、片岩岩质差、强度低，且厂区地应力量值较高，具备发生大变形的条件。对可能发生大变形的洞段，建议采取的防治措施如下:

①施工中做好围岩监控常规量测和围岩大变形的跟踪监测预报工作。

②开挖后先设置柔性支护，允许围岩有一定量的变形，以释放地应力，同时增加二衬强度，使二衬也能承受部分围岩压力。

③采用长锚杆加固围岩，这是控制软岩大变形的重要手段。同时，配合双层支护，达到既能释放围岩压力，又能合理控制支护变形的效果。

5 结语

(1)地应力测试结果表明，博瓦水电站σ1方向呈NNW向，量值属中等偏高应力;新藏水电站σ1方向呈NEE向，量值属高应力。

(2)博瓦水电站厂房轴线的选择应尽量与最大主应力方向交角较小，与主要优势结构面交角较大;新藏水电站厂房轴线的选择首先应满足与最大主应力方向交角较小。

(3)博瓦水电站厂房开挖施工中存在部分洞段硬质岩体中发生轻微岩爆及软质岩中可能出现大变形等工程地质问题;新藏水电站厂房开挖施工中，预测在埋深较大的完整岩体中可能发生轻微～中等岩爆。

[1]谷明成，何发亮，陈成宗.秦岭隧道岩爆的研究[J].岩石力学与工程学报，2002，21(9):1324 ～1327.

[2]姜 云，王兰生.深埋长大公路隧道高应力岩爆和岩溶涌突水问题及对策[J].岩石力学与工程学报，2002，21(9):1319～1321.