锦屏水电站深埋岩体超高压变形试验研究

裘良地

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

锦屏水电站深埋岩体超高压变形试验研究

裘良地

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

锦屏二级水电站的四条巨大的输水隧洞，洞长17～19 km，开挖洞径12～13 m，上覆岩体一般埋深1500～2000 m，最大埋深约为2525 m，为超深埋长隧洞大型地下水电工程。高应力、强烈的岩爆和变形，给设计、施工及运行安全带来很大的困难，必须采用超高压的岩体变形试验方法，提供岩体在高应力条件下的变形模量和变形特性，满足该工程的设计要求，因此该项试验研究成果对工程设计和施工将有重要的实用意义。

输水隧洞；深埋岩体；超高压；岩体变形试验。

1　概述

锦屏水电站工程区域的工程地质条件十分复杂，工程区处于我国西南高地应力区。锦屏二级水电站的四条巨大的输水隧洞，洞长17～19 km，开挖洞径12～13 m，上覆岩体一般埋深1500～2000 m，最大埋深约为2525 m，具有埋深大、洞线长、洞径大的特点，为超深埋长隧洞大型地下水电工程。高应力、强烈的岩爆和变形，给设计、施工及安全带来很大的困难。

为深入研究锦屏二级水电站岩体力学特性，针对锦屏及其类似工程，采用常规工程压力下的刚性承压板岩体变形试验已经无法满足设计要求，必须寻求新的测试设备、测试方法来解决超高压条件下的岩体变形试验手段。鉴于以上的需求，我们开展了超高压岩体变形试验研究研究工作，采用超高压刚性承压板岩体变形试验、中心孔法刚性承压板岩体变形试验等综合测试方法相结合，并将试验压力提高到100 MPa，提供岩体在高应力条件下的变形模量和变形特性。

2　超高压岩体变形试验

2.1测试设备

试验设备包括加压系统、传力系统和量测系统3个部分，总重量达10 t多。

（1） 加压系统：由高压油泵、高压油管、液压千斤顶和不同尺寸规格的刚性承压板等配套设备组成。其中：1台70 MPa压力的大流量高压液压泵；4台6300 kN千斤顶；3块刚性承压板直径Φ504.6 mm，厚60 mm，面积2000 cm2；刚性垫板700×700 mm和900× 900 mm尺寸的各一块，再叠加一块约1100×1100 mm承压平台。

（2） 传力系统：由传力柱及各种规格的圆形钢垫板组成。

（3） 量测系统：包括表面变形测量和中心孔深部变形测量两部分。岩体表面变形测量采用千分表，中心孔内岩体深部变形测量采用测杆。

2.2测试方法

（1） 试验采用刚性承压板法，加压方式采用逐级一次循环法。

（2） 中心孔法刚性承压板试验，采用在试点中心孔内布置5点沉降测点，分别为孔深50 cm、100 cm、150 cm、200 cm和400 cm。

（3）试验最大压力为100 MPa，分10、20、40、60、80、100 MPa六级施加。

2.3测试过程

（1） 试验安装详见图1、图2。

图1　水平向变形试验安装图

图2　铅直向和中心孔法变形试验安装图

（2） 在承压板的四个方位对称布置四只千分表，用以测量岩体表面变形，中心孔内岩体深部变形测量采用测杆并在每根测标上固定机电千分表以测量孔内岩体深部变形。

（3） 加载前每隔10 min测读一次，四只千分表连续三次读数不变（此读数即为各测表的初始测读值）后开始施加荷载。加载后立即测读其变形值，以后每隔10 min测读一次，直至变形稳定，再加下一级荷载。

（4） 稳定标准：当承压板上四个测表相邻两次读数差与同级压力下第一次变形读数和前一级压力下最后一次变形读数差之比小于5%时，则认为变形稳定。

（5） 退压：采用逐级退压，过程压力要求读数一次，退零后，立即读数一次，10 min后再读数一次，稳定标准与加压相同。

（6） 按下列公式计算岩体表面变形（弹性）模量

式中：E为变形模量或弹性模量（MPa）；当以全

变形W0代入式中计算时为变形模量E0；当以弹性变形We代入式中计算时为弹性模量Ee； W为岩体表面变形（cm）；p为按承压面单位面积计算的压力（MPa）；D为承压板直径（cm）；µ为岩体泊松比（岩体取0.25）。

按下列公式计算中心孔深部岩体变形模量：

式中：E为变形模量（MPa）；μ为泊松比（岩体取0.25）；P为单位面积压力（MPa）；W为岩体变形（cm）；a为承压面外缘至承压面间中缝中心线距离（cm）；L为承压面内缘至承压面间中缝中心线距离（cm）；Z为测点深度（cm）。

2.4测试成果

在近二年的设备加工准备及现场试验，解决了岩爆、松弛等地质现象（详见图3）对试验的影响，得到了锦屏二级水电站埋深2500m下辅助洞试验支硐超高压岩体变形模量试验成果见表1，和中心孔法超高压岩体变形模量试验成果见表2，其岩体的压力—变形关系曲线见图4，岩体的不同深处测点压力～变形关系曲线见图5 。

图3　试验洞壁岩爆松弛情况

表1　锦屏二级水电站埋深2500　m下辅助洞超高压岩体变形模量试验成果

表2　锦屏二级水电站埋深2500　m下辅助洞中心孔法超高压岩体变形模量试验成果

图4　锦屏二级水电站埋深2500 m下岩体压力～变形关系曲线

3　结语

（1） 在埋深近2500m的超高地应力和最高试验压力100 MPa作用下，锦屏水电站辅助洞试验支洞变形模量试验值为103.5 GPa。

（2） 在埋深近2500m的超高地应力和最高试验压力100 MPa作用下，锦屏水电站辅助洞试验支洞中心孔法试点表面、50 cm深处、100 cm深处和150 cm深处的变形模量试验值分别为153.5 GPa、117.1 GPa、168.3 GPa和264.8 GPa。

图5　锦屏二级水电站埋深2500 m下岩体不同深处测点压力～变形关系曲线

（3）超高压岩体变形模量试验研究，目前在国内外都是比较难的课题，可供借鉴、使用的研究成果鲜有发现。因此该项研究成果对工程设计和施工将有重要的指导意义。

［1］ GB50287-2006，水力发电工程地质勘察规范.

［2］ DL/T5368-2007，水电水利工程岩石试验规程.

Experimental Study on Super High Pressure Deformation of Deep Buried Rock Mass in Jinping Hydropower Station

QIU Liang-di
（Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou311122，China）

there are four items huge transport water tunnel in jinping secondary level hydro power station. the length of tunnel is 17-19km，the diameter of tunnel is 12-13m，cover rock mass commonly are buried depth 1500-2000m， most depth 2525m，it is super deep buried long tunnel largely. Ground hydro power engineering. high stress consuming rock burst and deformation bring lots of difficult for design ，construction and run safety. Must adopt super high pressure rock mass deformation test method， provide rock deformation model and characteristic quality under the condition of high stress， meet the demand of engineering design， the test research fruit has important practicality significance for engineering design and construction.

transport water tunnel； deep buried rock mass；super high pressure rock mass deformation test.

TU454

B

1671-9913（2016）04-0049-04

2016-03-01

裘良地（1962- ），男。浙江天台县人，高级工程师，主要从事水电岩体力学试验和科研工作。