巴贡水电站引水洞地应力测量及分析

汪安全，艾 凯，尹健民

(1.中国水电建设集团公司，北京 100048;2.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010)

高压隧洞是蓄能电站和引水工程的重要组成部分。但目前在高压隧洞衬砌设计方案方面尚无非常成熟的理论，大多依赖于工程经验。我国的白山电站隧洞衬砌使用素混凝土，其高压灌浆压力为2.0 MPa;广州抽水蓄能电站高压岔管采用钢筋混凝土衬砌［1－2］。在挪威、澳大利亚等国有一些经验方法估算水工隧洞钢筋混凝土衬砌的可行性，如挪威的覆盖公式和澳大利亚的雪山公式等，其主要理论依据是:在地质条件好或较好的情况下，当岩体中存在足够高的初始地应力时，可以防止围岩内的原生裂隙在内水压力作用下发生水力劈裂而产生大的渗漏现象［3］。

为了论证巴贡水电站引水发电洞衬砌应用钢筋混凝土的合理性，本文通过水压致裂法地应力测量对巴贡水电站引水发电洞的地应力状态进行研究，并结合地质条件对隧洞沿线地应力进行回归分析。最后从地应力的角度论证了衬砌设计方案的优化建议。

1 工程概况

巴贡水电站位于马来西亚东部沙捞越州Belaga镇上游37 km处的Balui河上。电站由高205 m、总填筑量约1 700万m3的面板堆石坝及溢洪道、进水口、引水隧洞及厂房组成，总装机容量为8×300 MW。其中引水隧洞位于大坝左岸山体内，由8条隧洞组成。采用单洞单机的方式向发电厂房供水。隧洞开挖断面为圆形，由进口渐变段、上平段、上弯段、竖井段、下弯段、下平段、渐变段和钢衬段组成，全长4 471.3 m。隧洞进口高程为180 m，出口高程为42.0 m，隧洞埋深为50～235 m，隧洞开挖直径为10.7～8.4 m。正常工况下，高压洞段内水压力为1.58 ～1.85 MPa。

隧洞围岩主要以微风化至新鲜的杂砂岩(GW)、页岩(泥岩)(SH)和页岩砂岩互层(GW/SH)组成。砂岩占50.0% ～62.6%(平均54.8%)，页岩(泥岩)占30.9%～43.0%(平 均38.4%)，砂页岩互层占4.5%～9.2%(平均6.8%)。杂砂岩多呈厚层状，节理稀疏，层面发育程度低，强度高，可近似为各向同性的岩体。页岩(泥岩)及页岩互层因层间节理发育而具各向异性特性。岩层分布见图1。

2 水压致裂法地应力测试原理

水压致裂法是国际岩石力学学会推荐的地应力主要量测方法［4］，该法具有测量深度大、操作简单、无需岩石力学参数参与计算等优点，可快捷地获得钻孔横断面内的二维应力状态及其沿孔深的变化趋势。

水压致裂法是通过液压泵向钻孔内拟定深度处加液压将孔壁压裂，测定压裂过程中的各特征点压力及开裂方位，然后根据测得的压裂过程中压力读数计算测点附近岩体地应力大小和方向。地应力大小按下式计算:

式中:σh为最小水平主应力;σH为最大水平主应力;Ps为关闭压力;Pb为破裂压力;P0为孔隙水压力;σt为岩石抗拉强度。

水压致裂破裂面一般沿垂直于横截面上最小主应力方向的平面扩展(一般形成平行于钻孔轴线的裂缝)，其延伸方向为钻孔横截面上的最大主应力方向。

为得到工程部位的全应力张量，引入三维水压致裂法地应力测试。其原理是基于传统水压致裂法的地应力测量法，通过3个不同方向钻孔的常规水压致裂量测，联立求解获得测区的三维应力张量。三维水压致裂法克服了传统水压致裂应力测量法由于钻孔与主应力方向不一致而引起的测量误差，提高了地应力量测精度，在地应力测量中得到了广泛的应用和发展［4］。

3 地应力测试结果

地应力测试目的是论证引水发电洞高压段钢衬范围。由于8#引水隧洞岩石埋深最浅，以8#引水隧洞地应力状态进行管道衬砌设计是偏于安全。故地应力测试主要安排在8#隧洞进行。

在8#隧洞高压段的上部、中部以及中后部3个部位共布置了5个孔测试在不同的岩层中，以期获得不同岩层的应力分布状态。其中在中部进行了3孔交汇水压致裂法地应力测试。钻孔位置见图1，钻孔方位及位置参数见表1。

图1 工程纵剖面及测孔布置图Fig.1 Profile of the project and position of measurement boreholes

在总共8段测试中，有7段测试成功获得钻孔轴向破裂缝，满足水压致裂法测试条件。二维地应力测试结果见表2。

根据3个空间交汇钻孔8HF1，8HJ2和8HJ3的水压致裂结果计算岩体的三维地应力状态。总共进行了5段测试，有4段获得了平行于钻孔轴向的破裂缝。三维应力结果见表3。

表1 测孔布置参数表Table 1 Parameters of measurement boreholes

表2 二维地应力测试结果Table 2 Results of 2-D geostress measurement

表3 三维地应力计算结果Table 3 Results of 3-D geostress calculation

实际上在8HF1和8HF2中4段水压致裂测试产生垂直破裂缝外，另外3测段在水平孔中产生了不同倾角的裂缝(13°，30°和71°)，说明岩体垂直应力不是最小主应力，最大主应力为倾斜状态。三维地应力测试结果也正好说明这些特征。

8HJ1钻孔位于8#引水隧洞高压段上部，测区围岩为完整砂岩。由于该钻孔为水平钻孔，因此仅能得到隧道纵剖面方向的应力状态，隧道纵剖面最大主应力为5.72 MPa，最小主应力为3.45 MPa。由自重估算而得的铅直应力位于两者之间，说明最小主应力不是自重方向，这与实测破裂缝为非水平方向的情况是一致的。

8HF1钻孔位于8#引水隧洞中部，隧道围岩为厚状完整页岩。最小水平主应力为2.60～3.46 MPa，最大水平主应力为3.98 ～6.28 MPa。其最大水平主应力方位接近东西向，与山脊走向平行。根据8HF1，8HJ2和8HJ3计算而得的三维应力结果表明:该区最大主应力为4.21 MPa，其方向平行于边坡;最小主应力为2.29 MPa。

8HF2钻孔位于8#引水隧洞下游，隧道围岩为厚状完整坚硬砂岩，其抗压强度接近200 MPa。由于其上覆岩层埋深浅，且又靠近新开挖的厂房边坡，其应力状态明显受地形控制。最小水平主应力为1.10 ～ 1.95 MPa，最大水平主应力为1.22 ～2.41 MPa，其应力量值明显低于上游2个部位测值。其最大水平主应力方位接近南北向，与厂房边坡走向平行。

总的说来，3个测试部位位于河床以上岩体应力量级均不高。其应力状态主要受地形控制。

4 地应力回归分析

为了克服地应力现场实测值的离散性和局限性，把有限的地应力实测资料科学地拓展到整条引水发电洞，为此开展了引水发电洞初始应力场回归分析。

应力回归分析方法基本思想:首先依据已知地质地形条件及试验资料建立三维有限元模型;结合工程区地应力场产生条件的规律性认识，把形成初始应力场的可能因素(如自重、构造运动、温度等)作为基本因素，计算各种基本因素独立作用下的有限元模型“观测值”;根据弹性工作状态下线性叠加原理建立回归模型，结合地应力实测值，用最小二乘法拟合逼近实际初始地应力，进而求得工程区初始地应力场的分布［5－6］。

本文以8#引水发电洞3个部位的地应力实测资料为依据，通过建立三维有限元地质模型，用最小二乘法多元线性回归方法，把有限的测量钻孔地应力实测资料科学地拓展到整条引水发电洞。

主要考虑的岩层为完整砂岩、厚层页岩、薄层页岩和混合岩，主要考虑的构造面有F8，岩体力学参数见表4。

表4 岩体参数表Table 4 Parameters of rockmass

利用实测资料和三维有限元应力场模拟结果，用最小二乘法多元回归分析。图2给出了8#隧洞沿线主应力分布。隧洞沿线最大主应力为1.6 ～ 5.1 MPa，最小主应力为0.9～3.3MPa。隧洞围岩应力量级不高，属于低应力水平。围岩应力与深度的关系密切。埋深越大，应力量值也随埋深增加而增加。

图2 沿隧洞轴线主应力分布图Fig.2 Principal stress distribution along the tunnel axis

5 隧洞衬砌方案优化分析

针对本次所研究部位的地应力状态而言，测区岩体应力量级较低，地应力对隧洞结构稳定性影响不明显。地应力是影响隧道渗透稳定性的主要因素。已有研究表明:地质条件好或较好的情况下，当岩体中存在足够高的初始地应力时，可以防止围岩内的原生裂隙在内水压力作用下发生水力劈裂而产生大的渗漏现象。

《水工隧洞设计规范》(SL279—2002)规定对高水头有压隧洞洞身，在设计阶段宜通过工程类比和有限元分析，复核垂直及侧向最小覆盖厚度，满足不发生渗透失稳和水力劈裂的要求［7］。国内外普遍采用最小主应力准则进行评判［8］。

水力劈裂准则是建立在“岩体预应力”概念的基础上。由于岩体裂隙产状是随机的，它要求围岩初始地应力场最小主应力σ3大于洞内静水压力强度P0，即 σ3＞P0，从而保证内水压力不会劈裂围岩［9－11］。

图3分别给出了根据隧洞围岩最小主应力和隧洞内水压力沿隧洞的分布图。

根据水力劈裂准则，前端高压洞段(桩号300～410 m范围)围岩最小主应力大于1.3倍隧洞内水压力，满足最小主应力准则，因此引水发电洞前端衬砌采用钢筋混凝土方案是合理的。

图3 隧洞内水压力和最小主应力分布对比图Fig.3 The distribution of internal water pressure and minimum principal stress along the tunnel

6 结语

通过对巴贡水电站应力测试、工程区应力场回归分析以及与衬砌设计的关系，我们可以得出以下结论:

(1)3个测试部位位于河床以上岩体应力量级均不高。最大主应力方向与测孔临近边坡平行。其应力状态主要受地形控制。

(2)应力回归分析表明:隧洞高压段最大主应力为1.6 ～ 5.1 MPa，最小主应力为0.9 ～ 3.3 MPa。隧洞围岩应力属于低应力水平。

(3)引水隧洞前端最小主应力满足抗劈裂要求，可采用钢筋混凝土衬砌。

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