博瓦、新藏水電站廠房地應力測量成果分析及探討

趙勇進，李燕輝

(中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都 610072)

1 概述

博瓦、新藏水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內，是金沙江左岸一級支流水洛河“一庫十一級”中第八、第七個梯級電站。博瓦電站是新藏電站下游梯級電站，兩電站廠房相距僅約15 km。博瓦電站以發電為主，采用引水式開發。電站正常蓄水位高程1 995 m，最大閘壩高17 m，裝機容量162 MW。新藏電站正常蓄水位高程2 169 m，最大閘壩高18.5 m，裝機容量186 MW。

兩電站廠房均為地下廠房。為探明廠房區巖體地應力狀況，進一步為設計部門選取地下廠房軸線方向提供依據，在兩電站廠房洞分別進行了地應力測量，測量方法采用孔徑變形法。

2 測量原理

孔徑變形法測量巖體三維應力，即在巖體中鉆取3個不同方向(相鄰孔夾角不小于30°)的交匯孔，對3個孔分別進行孔徑變形測量，最后獲得巖體三維應力狀態。

首先建立一空間大地坐標系OXYZ，OX指向北(N)，OY指向西(W)，OZ鉛直向上，測點處為O點;對鉆孔建立鉆孔坐標系OXYZ，其中X軸為鉆孔鉆進方向，Y軸位于XOY平面上。兩坐標系見圖1。

應力分量由下式確定:

圖1 坐標系示意圖

式中 a11～an6為系數表達式，是鉆孔方向、元件安裝方向、泊松比的函數式，即由第n組變形測值建立的觀測方程的系數;∑1～∑n為測值表達式，計算式為:

通過最小二乘法將上述n個觀測方程變成法方程組，從而解出6個獨立的應力分量 σx，σy，σz，τxy，τyz，τzx。

主應力的大小由下式確定:

式中 i=1，2，3。

確定主應力的方向，其方向余弦滿足下面兩式。

式中 i=1，2，3;li，mi，ni分別為 σi與坐標軸夾角的方向余弦。

3 測量成果及分析

地應力測量成果見表1。從測量結果可見，博瓦水電站廠房測點巖體應力具有以下特點:

(1)σ1量值為20.23 MPa，屬中等偏高應力。測點巖性為大理巖夾石英片巖，最大主應力量值相對于巖石的濕抗壓強度而言，屬中等偏高應力。

(2)最大主應力方向呈NNW向。

從圖2可見，區內構造較復雜，斷層、褶皺發育，主要發育NW、NE、SN向三組斷裂和褶皺，以NW向為主，NE向次之，SN向最少;下博瓦斷層于廠址上游側斜穿水洛河，與河流呈40°～50°夾角，距廠房最近距離約160 m，斷層總體走向N50°～60°W，傾向 NE，傾角 75°～80°;測點優勢節理裂隙產狀為N15°～20°W/SW∠60°～65°。這些地質構造的存在，造成了NE向應力有所釋放。因此，區域構造(NW向)及局部構造(優勢節理裂隙)共同控制了測點巖體應力狀態。測點的巖體最大主應力方向與區域構造應力方向(NW～NWW)基本一致。

(3)σ1及 σ3傾角均小于 30°，σ2傾角較大，超過60°，反映了測點巖體應力場近似水平應力場。

測點平洞巖體強卸荷水平深度約10～15 m，弱風化、弱卸荷水平深度約15～41 m。河水面寬一般為40～50 m，最寬約60 m，河谷呈不對稱的“V”形。區內兩岸山體雄厚，河谷狹窄，地形陡峭，臨河谷自然坡度均大于50°?？梢姕y點σ1傾角大小受地形影響相對較小，主要由區域及局部構造應力方向控制。

(4)測點巖體地應力由自重應力、構造應力、殘余應力及其它變異應力綜合疊加而成，但總體以自重應力和構造應力為主。

新藏電站廠房測點巖體應力具有以下特點:

(1)σ1量值達31.75 MPa，屬高應力。

測點巖體應力為高應力可從以下幾點得到印證:①廠房部位巖性為大理巖，大理巖新鮮、完整，巖質堅硬，抗變形能力強，容易蓄積較高的應變能，單從巖石本身而言，具備存儲較高應力的條件。②測點鉆孔布置見圖2，巖體應力測量過程中，在3、4#兩個鉆孔中，均出現了 φ130餅狀巖芯，其中3#孔餅狀巖芯尤為發育。餅狀巖芯大多長2～5 cm，以2 cm居多。由于3#孔餅狀巖芯過于發育，無法進行試驗，后經調整鉆孔方向，補充了4#孔。鉆孔中餅狀巖芯發育與測試結果為高應力相吻合。③廠區群英河發育于下游河流左岸，距廠址約670 m，切割相對較深，延伸至山頂，總體呈近EW走向。測點受水洛河及群英河兩面切割，導致測點巖體應力可能有一定的集中，也反映了測點巖體應力較高。④廠區勘探平洞揭示，在完整巖體中片幫現象明顯。據打探洞人員反映，施工中局部洞段巖爆現象頻繁。

圖2 應力鉆孔布置示意圖

(2)最大主應力方向呈NEE向。

從區域地質構造分析(圖2)，區內主要受NW、NE、SN向三組斷裂控制，其中以NW向為主。廠區最大主應力方向若受區域構造應力控制，應呈NW向，這與測點實測最大主應力方向NEE向相矛盾，但從局部及區域構造分析:第一，廠址區地質構造簡單，主要表現為節理裂隙，風化夾層、小斷層或小型擠壓破碎帶出露幾率較低。調查和統計結果表明，優勢裂隙除層面(產狀為N20°～40°E/SE∠65°～70°)外主要發育有 4 組:①N30°E/SE∠65°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，間距0.3 ～0.5 m，張開 1 ～3 cm;②N70°E/NW∠70°，裂面平直、光滑，延伸 ＞10 m，間距 0.2～0.5 m，微張;③N70°W/NE∠89°，裂面平直、較粗糙，延伸 ＞10 m，間距0.5 ～1.5 m，閉合;④ N60°E/SE∠25°，裂面平直、光 滑，延 伸 ＞10 m，間 距0.5～1.5 m，閉合。從統計結果看，優勢裂隙走向以NE為主，且①優勢裂隙張開1～3 cm，②優勢裂隙微張，說明NW向巖體應力有一定釋放，NE向巖體應力高于NW向。第二，從局部地形地貌分析，E65°W向群英河切割相對較深，實際已構成了近SN向應力釋放的臨空面，而近EW向由于巖體完整制約了地應力在EW向的卸荷。第三，區域 N20°～40°E 向里到斷裂(F6)及 N42°E向先鋒斷裂(F9)對廠區巖體應力方向有一定影響。因此，測點巖體應力方向受區域構造及局部地質構造共同控制呈NEE向是合理的。

圖3 近場區構造綱要圖

(3)σ1及 σ3傾角均小于30°，σ2傾角較大，超過60°，反映了測點巖體應力場近似水平應力場。測點巖體應力以自重應力和構造應力為主。

綜上所述，博瓦、新藏水電站測點巖體應力受區域構造及局部地質構造共同控制。對于博瓦水電站，廠房軸線選擇應考慮最大主應力方向及優勢結構面走向，應盡量與最大主應力方向交角較小，與主要優勢結構面交角較大，這樣才有利于洞室圍巖的穩定。新藏水電站廠房軸線選取應主要考慮最大主應力方向，首先滿足與最大主應力方向交角較小(根據工程經驗，夾角應＜30°)，其次考慮優勢結構面及其它因素。

4 廠房洞室開挖施工建議

工程實踐經驗表明，洞室開挖過程中影響圍巖穩定性的因素主要有兩個:一是巖體地應力，二是結構面不利組合。根據博瓦、新藏水電站地應力及巖體特點，建議廠房洞室開挖施工應注意以下幾點:

(1)產生應力集中過大對圍巖穩定的影響。洞室開挖后圍巖應力將重新分布，并可能在洞室墻體、頂拱等部位產生較大應力集中甚至局部出現拉應力，局部巖體會產生拉應力破環、塑性變形破壞、剪切破壞等，這對圍巖穩定不利，建議設計及施工應予以重視。

(2)硬質大理巖中可能產生的巖爆對圍巖穩定的影響。依據新藏水電站廠房區高應力的特點，預測在廠房施工洞室段完整巖體中可能發生輕微～中等巖爆。為減輕巖爆對施工的影響，建議采取的防治措施如下:

①在可能發生巖爆的地段，按照“全斷面、短進尺、弱爆破”的爆破原則施工。合理選擇爆破參數，優化爆破設計，提高光面爆破效果，改善洞壁應力條件。

②輕微巖爆段的施工工藝可按正常施工工藝進行，其施工工序為爆破后先通風，后在距離掌子面以外相對安全地段對周邊及掌子面巖面噴水、然后組織噴錨、出渣。

③中等巖爆段的防治主要通過改變原有的施工工序及施工工藝，人為的在掌子面造成相當深度的破碎帶，并且在開挖洞室周邊打一定數量和合適深度的錨桿空孔，破環圍巖的整體性，使深層應力盡可能外泄，區域集中的能量盡快分散，達到控制巖爆的目的。

④對于巖爆破壞較嚴重的地段，設計與施工應密切配合，需要及時調整系統錨桿設計方案，增加錨桿密度，同時配合其它支護措施，以加強巖爆段初期支護效果。

(3)軟質板巖、片巖中可能出現大變形對圍巖穩定的影響。

博瓦水電站廠房開挖施工中，預測在軟質板巖、片巖中可能出現大變形，對洞室圍巖穩定不利。板巖、片巖巖質差、強度低，且廠區地應力量值較高，具備發生大變形的條件。對可能發生大變形的洞段，建議采取的防治措施如下:

①施工中做好圍巖監控常規量測和圍巖大變形的跟蹤監測預報工作。

②開挖后先設置柔性支護，允許圍巖有一定量的變形，以釋放地應力，同時增加二襯強度，使二襯也能承受部分圍巖壓力。

③采用長錨桿加固圍巖，這是控制軟巖大變形的重要手段。同時，配合雙層支護，達到既能釋放圍巖壓力，又能合理控制支護變形的效果。

5 結語

(1)地應力測試結果表明，博瓦水電站σ1方向呈NNW向，量值屬中等偏高應力;新藏水電站σ1方向呈NEE向，量值屬高應力。

(2)博瓦水電站廠房軸線的選擇應盡量與最大主應力方向交角較小，與主要優勢結構面交角較大;新藏水電站廠房軸線的選擇首先應滿足與最大主應力方向交角較小。

(3)博瓦水電站廠房開挖施工中存在部分洞段硬質巖體中發生輕微巖爆及軟質巖中可能出現大變形等工程地質問題;新藏水電站廠房開挖施工中，預測在埋深較大的完整巖體中可能發生輕微～中等巖爆。

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