二瓦槽水电站气垫式调压室水压致裂法地应力测量及围岩抗劈裂稳定性评价

甘东科，樊菊平，唐建昌，郭啟良

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085）

二瓦槽水电站气垫式调压室水压致裂法地应力测量及围岩抗劈裂稳定性评价

甘东科1，樊菊平1，唐建昌1，郭啟良2

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072；2.中国地震局地壳应力研究所，北京100085）

对二瓦槽水电站气垫式调压室进行了两组水压致裂法三维地应力测量。测量结果表明：测区应力场方向分布较均衡，最大主应力9.36～10.89 MPa，最小主应力6.66～7.56 MPa，最大主应力方位336°～340°，倾角10°～17°，主要受到水平方向压性构造应力的作用。抗劈裂稳定性评价表明：测区最小主应力是气垫式调压室室内最大气压力的1.8～2.0倍，满足岩体抗劈裂稳定最小主应力要求。测试结果可为气垫式调压室设计和建设提供依据。

二瓦槽水电站；气垫式调压室；抗劈裂；水压致裂技术；地应力

0 前 言

气垫式调压室是利用气室（充满水和压缩空气的封闭式腔体）内的压缩空气（即“气垫”）抑制室内水位高度和水位波动幅值的一种新型调压室。由于可省去大部分至引水隧洞及调压室的上山公路和施工支洞，故在保护引水发电系统周边生态环境和直接经济效益方面较常规调压室有较大优势，在我国水电工程建设中具有十分广阔的推广应用前景［1-10］。

气垫式调压室的工作气压一般都很高，围岩自身应有足够的强度以承受高内水压力及气压力。根据上覆岩体厚度的埋深条件为经验法则，该法则仅考虑岩石重力，许多情况下还存在相当大的构造应力和残余应力。因此，为了弥补这种不足，引入了最小主应力准则，即岩体中的最小主应力均应大于调压室内产生的最大气压，并有一定的安全系数［1-10］。

二瓦槽水电站系大渡河支流革什扎河的第二级电站，引水隧洞长约11.3 km，引用流量33 m3／s，利用水头309 m，装机容量90 MW，为典型的“高水头、小流量、长引水”的引水式电站，拟推荐采用气垫式调压室，气室内最大气体压力3.73 MPa。为了解场址区原始地应力状况，评价围岩抗劈裂稳定性，为设计和建设提供依据，对本气垫式调压室开展了水压致裂法三维地应力测量工作。

水压致裂法地应力测量技术是国际岩石力学学会试验方法委员会颁布的确定岩石应力所推荐的方法之一。该方法无需知道岩石力学参数就可直接测得地层中应力状态，并具有操作简便、可在任意深度进行连续或重复测试、测量速度快、测值稳定可靠等优点，测试结果广泛应用于矿山、水工、隧道、地下硐室等工程设计［11-14］。

1 工程区地质概况

电站位于川西高原南缘山原地带，区内地貌以高山峡谷为主。大地构造部位上属于甘孜～松潘地槽褶皱系巴颜喀拉冒地槽的东南部，小金弧形构造的西翼。工程区处于由鲜水河断裂带和龙门山断裂带围限的川青块体内部，新构造运动以大面积的整体间歇性隆升为主，区域构造稳定性较好。工程近场区主要发育北西向和北东向两组断裂，北西向有玉科断裂、东谷断裂、水子断裂，北东向有磨子沟断裂、青杠林断裂、燕窝沟断裂，均不具活动性。场址区无断裂发育。

初拟气垫式调压室布置在革什扎河左岸雄厚山体内，竖向埋深约400～490 m，侧向埋深约450 m。左岸山坡高约2 000 m，坡度约45°～75°。围岩为泥盆系危关群一组厚层块状石英岩，岩石坚硬，结构面不发育，岩体较完整，以块状～次块状结构为主，围岩类别以Ⅲ类为主，Ⅱ类次之。

2 现场地应力测量

2.1 测量设备

水压致裂法地应力测试系统如图1所示。井上部分由水泵、流量计、压力表、X-Y记录仪、计算机数字采集系统组成；井下部分由钻杆、高压胶管、上下栓塞组成。本测试系统采用双回路系统，即用两个独立的加压系统分别向封隔器和试验段加压，其特点是在测量过程中，可同时观察封隔器和试验段内的压力变化，一旦发现封隔器座封压力不够或封隔器密封不好时可随时进行补压，为测量数据的可靠性提供了保证。

图1 水压致裂应力测量系统

压裂测量之后进行裂缝方位的测定，以便确定平面主压应力的方向。常用的方法是定向印模法，它可直接把孔壁上的裂缝痕迹印下来。测试装置由自动定向仪和印模器组成（见图2）。从外观上看印模器与普通分割器大致相同，所不同的是表层覆盖着一层半硫化橡胶。当施加足够的高压（10 MPa左右），促使孔壁上由压裂产生的裂缝重新张开以便印模器上的半硫化橡胶挤入。

图2 裂缝方位测定装置

2.2 测点布置

对气垫式调压室进行了两组水压致裂法三维地应力测量。测点布置于气垫式调压室勘探平洞500～600 m内，两侧点相距约100 m（见图3）。各测点通过布置在不同方向的3个钻孔分别进行三维应力测量。钻孔布置为：洞底一个竖直孔，洞壁两个水平孔，孔深28.6～30.7 m（见表1）。

图3 测点布置

表1 测点钻孔布置

3 测量结果

测点各钻孔8～24.6 m深度内各进行了5个测段的水压致裂地应力测量，平面应力测试结果列于表2。为使对测试成果可靠性有一个概括的了解，将钻孔ZK01内各测段压裂过程中的压力—时间记录曲线示于图4。破裂压力（Pb）、重张压力（Pr）、瞬时闭合压力（PS）在各循环清晰可见，重复性较好。尤其是确定测量成果准确与否的水压破裂面的瞬时闭合压力值，压力记录曲线上不仅明显、确切，而且在各测段的4次重复测量中均吻合一致。因此该测量成果准确可靠。

根据水压致裂法三维应力测量原理与方法可知，利用同一测点三个不同方向钻孔的方位参数和平面应力值的大小、方向即可以计算出该测点的三维应力状态。参与计算的各钻孔平面应力随孔深变化不大，取其平均值；平面应力方向取其优势方向数值。参与三维应力计算的各钻孔水平应力、方向的参数取值见表3。由此计算的各测点的三维应力大小、方位、倾角以及各应力分量见表4。

表2 各测点钻孔水压致裂法平面应力测量结果

表3 三维应力计算参数取值

表4 三维应力计算结果

图4 ZK01钻孔内地应力测试曲线

4 地应力测量结果分析

测点附近最大主应力9.36～10.89 MPa，最小主应力6.66～7.56 MPa。最大主应力值相差约1.5 MPa左右，最小主应力差1 MPa左右。差异原因可能与两测点所在位置的构造环境、岩性、岩芯完整程度以及上覆岩层厚度等不同有关。两测点的三维应力量值虽然存在一定差距，由于测试数据与结果是对测点位置真实地应力覆存状况的客观反映，因而两测点结果都是准确有效的。

第一组测点最大主应力、中间主应力和最小主应力的方位分别为160°、271°、58°，倾角分别为17°、50°、35°；下游第二组测点最大主应力、中间主应力和最小主应力的方位分别为336°、245°、66°，倾角分别为10°、45°、45°。表明两测点的各主应力的方位、倾角大致相似，应力分量的空间指向基本一致，这说明应力场在两测点附近的方向矢量变化不大，应力场方向分布较为均衡。两组测点最大主应力倾角较缓（10°～17°），方位在N～W附近（336°～340°），中间主应力倾角较陡（45°～50°），方位近N向，说明测区主要受到水平方向压性构造应力的作用。两测点最小主应力方位在NE附近（216°～263°），分析表明，其主要为构造应力与垂直应力的联合作用。

5 气垫式调压室围岩抗劈裂稳定性评价

气垫式调压室岩体不能因隧洞的内水压力、内气压力过高致使围岩产生水力劈裂或气压劈裂破坏。根据中国水电工程顾问集团公司企业标准《水电站气垫式调压室设计规范》（Q／HYDROCHINA007 -2010）［15］，气垫式调压室岩体最小主应力σ3应满足如下经验公式：

式中σ3——为岩体最小主应力，N／m2；

γw——为水的重度，N／m3；

Pmax——为气室内最大气体压力，以水头表示，m。

通过水压致裂法三维地应力测量，测点附近最小主应力为6.66～7.56MPa。最小主应力是室内最大气体压力3.73MPa的1.8～2.0倍，满足岩体抗劈裂稳定最小主应力要求。

6 结 论

（1）对二瓦槽水电站气垫式调压室进行了两组水压致裂法三维地应力测量，测量结果准确可靠。

（2）测量结果表明：测区应力场方向分布较均衡，最大主应力9.36～10.89 MPa，最小主应力6.66～7.56 MPa。最大主应力倾角较缓（10°～17°），方位在N～W附近（336°～340°），主要受到水平方向压性构造应力的作用。

（3）测区最小主应力是气垫式调压室室内最大气压力的1.8～2.0倍，满足岩体抗劈裂稳定最小主应力要求。

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TV732.56，TV221.1

B

1003-9805（2015）04-0080-04

2015-06-29

甘东科（1978-），男，湖南湘阴人，硕士，高级工程师，从事水电工程地质勘察工作。