巴貢水電站引水洞地應(yīng)力測(cè)量及分析

汪安全，艾 凱，尹健民

(1.中國(guó)水電建設(shè)集團(tuán)公司，北京 100048;2.長(zhǎng)江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010)

高壓隧洞是蓄能電站和引水工程的重要組成部分。但目前在高壓隧洞襯砌設(shè)計(jì)方案方面尚無(wú)非常成熟的理論，大多依賴(lài)于工程經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)的白山電站隧洞襯砌使用素混凝土，其高壓灌漿壓力為2.0 MPa;廣州抽水蓄能電站高壓岔管采用鋼筋混凝土襯砌［1－2］。在挪威、澳大利亞等國(guó)有一些經(jīng)驗(yàn)方法估算水工隧洞鋼筋混凝土襯砌的可行性，如挪威的覆蓋公式和澳大利亞的雪山公式等，其主要理論依據(jù)是:在地質(zhì)條件好或較好的情況下，當(dāng)巖體中存在足夠高的初始地應(yīng)力時(shí)，可以防止圍巖內(nèi)的原生裂隙在內(nèi)水壓力作用下發(fā)生水力劈裂而產(chǎn)生大的滲漏現(xiàn)象［3］。

為了論證巴貢水電站引水發(fā)電洞襯砌應(yīng)用鋼筋混凝土的合理性，本文通過(guò)水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)量對(duì)巴貢水電站引水發(fā)電洞的地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行研究，并結(jié)合地質(zhì)條件對(duì)隧洞沿線地應(yīng)力進(jìn)行回歸分析。最后從地應(yīng)力的角度論證了襯砌設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化建議。

1 工程概況

巴貢水電站位于馬來(lái)西亞?wèn)|部沙撈越州Belaga鎮(zhèn)上游37 km處的Balui河上。電站由高205 m、總填筑量約1 700萬(wàn)m3的面板堆石壩及溢洪道、進(jìn)水口、引水隧洞及廠房組成，總裝機(jī)容量為8×300 MW。其中引水隧洞位于大壩左岸山體內(nèi)，由8條隧洞組成。采用單洞單機(jī)的方式向發(fā)電廠房供水。隧洞開(kāi)挖斷面為圓形，由進(jìn)口漸變段、上平段、上彎段、豎井段、下彎段、下平段、漸變段和鋼襯段組成，全長(zhǎng)4 471.3 m。隧洞進(jìn)口高程為180 m，出口高程為42.0 m，隧洞埋深為50～235 m，隧洞開(kāi)挖直徑為10.7～8.4 m。正常工況下，高壓洞段內(nèi)水壓力為1.58 ～1.85 MPa。

隧洞圍巖主要以微風(fēng)化至新鮮的雜砂巖(GW)、頁(yè)巖(泥巖)(SH)和頁(yè)巖砂巖互層(GW/SH)組成。砂巖占50.0% ～62.6%(平均54.8%)，頁(yè)巖(泥巖)占30.9%～43.0%(平 均38.4%)，砂頁(yè)巖互層占4.5%～9.2%(平均6.8%)。雜砂巖多呈厚層狀，節(jié)理稀疏，層面發(fā)育程度低，強(qiáng)度高，可近似為各向同性的巖體。頁(yè)巖(泥巖)及頁(yè)巖互層因?qū)娱g節(jié)理發(fā)育而具各向異性特性。巖層分布見(jiàn)圖1。

2 水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試原理

水壓致裂法是國(guó)際巖石力學(xué)學(xué)會(huì)推薦的地應(yīng)力主要量測(cè)方法［4］，該法具有測(cè)量深度大、操作簡(jiǎn)單、無(wú)需巖石力學(xué)參數(shù)參與計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，可快捷地獲得鉆孔橫斷面內(nèi)的二維應(yīng)力狀態(tài)及其沿孔深的變化趨勢(shì)。

水壓致裂法是通過(guò)液壓泵向鉆孔內(nèi)擬定深度處加液壓將孔壁壓裂，測(cè)定壓裂過(guò)程中的各特征點(diǎn)壓力及開(kāi)裂方位，然后根據(jù)測(cè)得的壓裂過(guò)程中壓力讀數(shù)計(jì)算測(cè)點(diǎn)附近巖體地應(yīng)力大小和方向。地應(yīng)力大小按下式計(jì)算:

式中:σh為最小水平主應(yīng)力;σH為最大水平主應(yīng)力;Ps為關(guān)閉壓力;Pb為破裂壓力;P0為孔隙水壓力;σt為巖石抗拉強(qiáng)度。

水壓致裂破裂面一般沿垂直于橫截面上最小主應(yīng)力方向的平面擴(kuò)展(一般形成平行于鉆孔軸線的裂縫)，其延伸方向?yàn)殂@孔橫截面上的最大主應(yīng)力方向。

為得到工程部位的全應(yīng)力張量，引入三維水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。其原理是基于傳統(tǒng)水壓致裂法的地應(yīng)力測(cè)量法，通過(guò)3個(gè)不同方向鉆孔的常規(guī)水壓致裂量測(cè)，聯(lián)立求解獲得測(cè)區(qū)的三維應(yīng)力張量。三維水壓致裂法克服了傳統(tǒng)水壓致裂應(yīng)力測(cè)量法由于鉆孔與主應(yīng)力方向不一致而引起的測(cè)量誤差，提高了地應(yīng)力量測(cè)精度，在地應(yīng)力測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展［4］。

3 地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

地應(yīng)力測(cè)試目的是論證引水發(fā)電洞高壓段鋼襯范圍。由于8#引水隧洞巖石埋深最淺，以8#引水隧洞地應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行管道襯砌設(shè)計(jì)是偏于安全。故地應(yīng)力測(cè)試主要安排在8#隧洞進(jìn)行。

在8#隧洞高壓段的上部、中部以及中后部3個(gè)部位共布置了5個(gè)孔測(cè)試在不同的巖層中，以期獲得不同巖層的應(yīng)力分布狀態(tài)。其中在中部進(jìn)行了3孔交匯水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試。鉆孔位置見(jiàn)圖1，鉆孔方位及位置參數(shù)見(jiàn)表1。

圖1 工程縱剖面及測(cè)孔布置圖Fig.1 Profile of the project and position of measurement boreholes

在總共8段測(cè)試中，有7段測(cè)試成功獲得鉆孔軸向破裂縫，滿(mǎn)足水壓致裂法測(cè)試條件。二維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表2。

根據(jù)3個(gè)空間交匯鉆孔8HF1，8HJ2和8HJ3的水壓致裂結(jié)果計(jì)算巖體的三維地應(yīng)力狀態(tài)。總共進(jìn)行了5段測(cè)試，有4段獲得了平行于鉆孔軸向的破裂縫。三維應(yīng)力結(jié)果見(jiàn)表3。

表1 測(cè)孔布置參數(shù)表Table 1 Parameters of measurement boreholes

表2 二維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果Table 2 Results of 2-D geostress measurement

表3 三維地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果Table 3 Results of 3-D geostress calculation

實(shí)際上在8HF1和8HF2中4段水壓致裂測(cè)試產(chǎn)生垂直破裂縫外，另外3測(cè)段在水平孔中產(chǎn)生了不同傾角的裂縫(13°，30°和71°)，說(shuō)明巖體垂直應(yīng)力不是最小主應(yīng)力，最大主應(yīng)力為傾斜狀態(tài)。三維地應(yīng)力測(cè)試結(jié)果也正好說(shuō)明這些特征。

8HJ1鉆孔位于8#引水隧洞高壓段上部，測(cè)區(qū)圍巖為完整砂巖。由于該鉆孔為水平鉆孔，因此僅能得到隧道縱剖面方向的應(yīng)力狀態(tài)，隧道縱剖面最大主應(yīng)力為5.72 MPa，最小主應(yīng)力為3.45 MPa。由自重估算而得的鉛直應(yīng)力位于兩者之間，說(shuō)明最小主應(yīng)力不是自重方向，這與實(shí)測(cè)破裂縫為非水平方向的情況是一致的。

8HF1鉆孔位于8#引水隧洞中部，隧道圍巖為厚狀完整頁(yè)巖。最小水平主應(yīng)力為2.60～3.46 MPa，最大水平主應(yīng)力為3.98 ～6.28 MPa。其最大水平主應(yīng)力方位接近東西向，與山脊走向平行。根據(jù)8HF1，8HJ2和8HJ3計(jì)算而得的三維應(yīng)力結(jié)果表明:該區(qū)最大主應(yīng)力為4.21 MPa，其方向平行于邊坡;最小主應(yīng)力為2.29 MPa。

8HF2鉆孔位于8#引水隧洞下游，隧道圍巖為厚狀完整堅(jiān)硬砂巖，其抗壓強(qiáng)度接近200 MPa。由于其上覆巖層埋深淺，且又靠近新開(kāi)挖的廠房邊坡，其應(yīng)力狀態(tài)明顯受地形控制。最小水平主應(yīng)力為1.10 ～ 1.95 MPa，最大水平主應(yīng)力為1.22 ～2.41 MPa，其應(yīng)力量值明顯低于上游2個(gè)部位測(cè)值。其最大水平主應(yīng)力方位接近南北向，與廠房邊坡走向平行。

總的說(shuō)來(lái)，3個(gè)測(cè)試部位位于河床以上巖體應(yīng)力量級(jí)均不高。其應(yīng)力狀態(tài)主要受地形控制。

4 地應(yīng)力回歸分析

為了克服地應(yīng)力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值的離散性和局限性，把有限的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料科學(xué)地拓展到整條引水發(fā)電洞，為此開(kāi)展了引水發(fā)電洞初始應(yīng)力場(chǎng)回歸分析。

應(yīng)力回歸分析方法基本思想:首先依據(jù)已知地質(zhì)地形條件及試驗(yàn)資料建立三維有限元模型;結(jié)合工程區(qū)地應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生條件的規(guī)律性認(rèn)識(shí)，把形成初始應(yīng)力場(chǎng)的可能因素(如自重、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、溫度等)作為基本因素，計(jì)算各種基本因素獨(dú)立作用下的有限元模型“觀測(cè)值”;根據(jù)彈性工作狀態(tài)下線性疊加原理建立回歸模型，結(jié)合地應(yīng)力實(shí)測(cè)值，用最小二乘法擬合逼近實(shí)際初始地應(yīng)力，進(jìn)而求得工程區(qū)初始地應(yīng)力場(chǎng)的分布［5－6］。

本文以8#引水發(fā)電洞3個(gè)部位的地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，通過(guò)建立三維有限元地質(zhì)模型，用最小二乘法多元線性回歸方法，把有限的測(cè)量鉆孔地應(yīng)力實(shí)測(cè)資料科學(xué)地拓展到整條引水發(fā)電洞。

主要考慮的巖層為完整砂巖、厚層頁(yè)巖、薄層頁(yè)巖和混合巖，主要考慮的構(gòu)造面有F8，巖體力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 巖體參數(shù)表Table 4 Parameters of rockmass

利用實(shí)測(cè)資料和三維有限元應(yīng)力場(chǎng)模擬結(jié)果，用最小二乘法多元回歸分析。圖2給出了8#隧洞沿線主應(yīng)力分布。隧洞沿線最大主應(yīng)力為1.6 ～ 5.1 MPa，最小主應(yīng)力為0.9～3.3MPa。隧洞圍巖應(yīng)力量級(jí)不高，屬于低應(yīng)力水平。圍巖應(yīng)力與深度的關(guān)系密切。埋深越大，應(yīng)力量值也隨埋深增加而增加。

圖2 沿隧洞軸線主應(yīng)力分布圖Fig.2 Principal stress distribution along the tunnel axis

5 隧洞襯砌方案優(yōu)化分析

針對(duì)本次所研究部位的地應(yīng)力狀態(tài)而言，測(cè)區(qū)巖體應(yīng)力量級(jí)較低，地應(yīng)力對(duì)隧洞結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響不明顯。地應(yīng)力是影響隧道滲透穩(wěn)定性的主要因素。已有研究表明:地質(zhì)條件好或較好的情況下，當(dāng)巖體中存在足夠高的初始地應(yīng)力時(shí)，可以防止圍巖內(nèi)的原生裂隙在內(nèi)水壓力作用下發(fā)生水力劈裂而產(chǎn)生大的滲漏現(xiàn)象。

《水工隧洞設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL279—2002)規(guī)定對(duì)高水頭有壓隧洞洞身，在設(shè)計(jì)階段宜通過(guò)工程類(lèi)比和有限元分析，復(fù)核垂直及側(cè)向最小覆蓋厚度，滿(mǎn)足不發(fā)生滲透失穩(wěn)和水力劈裂的要求［7］。國(guó)內(nèi)外普遍采用最小主應(yīng)力準(zhǔn)則進(jìn)行評(píng)判［8］。

水力劈裂準(zhǔn)則是建立在“巖體預(yù)應(yīng)力”概念的基礎(chǔ)上。由于巖體裂隙產(chǎn)狀是隨機(jī)的，它要求圍巖初始地應(yīng)力場(chǎng)最小主應(yīng)力σ3大于洞內(nèi)靜水壓力強(qiáng)度P0，即 σ3＞P0，從而保證內(nèi)水壓力不會(huì)劈裂圍巖［9－11］。

圖3分別給出了根據(jù)隧洞圍巖最小主應(yīng)力和隧洞內(nèi)水壓力沿隧洞的分布圖。

根據(jù)水力劈裂準(zhǔn)則，前端高壓洞段(樁號(hào)300～410 m范圍)圍巖最小主應(yīng)力大于1.3倍隧洞內(nèi)水壓力，滿(mǎn)足最小主應(yīng)力準(zhǔn)則，因此引水發(fā)電洞前端襯砌采用鋼筋混凝土方案是合理的。

圖3 隧洞內(nèi)水壓力和最小主應(yīng)力分布對(duì)比圖Fig.3 The distribution of internal water pressure and minimum principal stress along the tunnel

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)巴貢水電站應(yīng)力測(cè)試、工程區(qū)應(yīng)力場(chǎng)回歸分析以及與襯砌設(shè)計(jì)的關(guān)系，我們可以得出以下結(jié)論:

(1)3個(gè)測(cè)試部位位于河床以上巖體應(yīng)力量級(jí)均不高。最大主應(yīng)力方向與測(cè)孔臨近邊坡平行。其應(yīng)力狀態(tài)主要受地形控制。

(2)應(yīng)力回歸分析表明:隧洞高壓段最大主應(yīng)力為1.6 ～ 5.1 MPa，最小主應(yīng)力為0.9 ～ 3.3 MPa。隧洞圍巖應(yīng)力屬于低應(yīng)力水平。

(3)引水隧洞前端最小主應(yīng)力滿(mǎn)足抗劈裂要求，可采用鋼筋混凝土襯砌。

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