水壓致裂法在烏江渡水電站地應(yīng)力測試中的應(yīng)用與分析

[文章編號]100124683(2004)012095206 [收稿日期]2003208224;[修定日期]200321225。 [項目類別]金沙江溪洛渡水電站地應(yīng)力測試項目。 [作者簡介]丁立豐,男,1974年生,工程力學(xué)碩士,主要從事地應(yīng)力測量研究。 金沙江溪洛渡水電站水壓致裂 地應(yīng)力測量分析研究 丁立豐　安其美　王海忠　趙仕廣 (中國地震局地殼應(yīng)力研究所,北京市德外西三旗　100085) 關(guān)鍵詞:　金沙江　溪洛渡水電站　水壓致裂地應(yīng)力測量　摩擦滑動 [中圖分類號]p553　　　　[文獻標(biāo)識碼]a 溪洛渡水電站位于四川省雷波縣與云南省永善縣接壤的金沙江峽谷中。電站設(shè)計采用 的是雙曲拱壩、兩岸庫內(nèi)地下廠房的方案,最大壩高273m。電站以發(fā)電為主,兼用于攔沙、 防洪、改善下游航運等。電站規(guī)模巨大,工程廠址的穩(wěn)定性分析以及

一、引言用水壓致裂法測量地殼應(yīng)力的大小和方向,具有其它測量方法不可比擬的優(yōu)點,不僅操作簡單,而且可進行地表以下幾百米甚至千米深度的應(yīng)力測量,直接確定應(yīng)力值和巖石力學(xué)參數(shù)等.我們研制的輕便水壓致裂應(yīng)力測量系統(tǒng)已在水電、石油、交通、煤炭等部門得到廣泛應(yīng)用.常規(guī)水壓致裂法的一個重要假設(shè),即三向主應(yīng)力之一與孔軸平行,從而確定平面應(yīng)力

周寧水電站在交通洞開挖過程中局部洞段發(fā)生了較強烈的巖爆。地下洞室和高壓岔管、輸水隧道設(shè)計及選擇襯砌方式,需要查明原地應(yīng)力狀態(tài)。為此,采用水壓致裂法在3個深鉆孔中和巖爆部位進行了原位應(yīng)力測量。結(jié)果表明,平面應(yīng)力值隨孔深增加呈線性增大;在巖爆和地下洞室附近,原位應(yīng)力最大值為13～15mpa,以水平擠壓應(yīng)力為主導(dǎo),最大水平主應(yīng)力方向為nw向。根據(jù)地應(yīng)力測量資料和相關(guān)理論、判據(jù)分析認(rèn)為:地下廠房長軸為nw向有利于圍巖穩(wěn)定;高壓岔管和輸水隧洞選用鋼筋混凝土襯砌是可行的;發(fā)生局部巖爆,主要是由于隧道開挖圍巖應(yīng)力重新調(diào)整,在掌子面附近應(yīng)力集中所致。

我們采用小型輕便水壓致裂應(yīng)力測量設(shè)備對位于黃河上游的龍洋峽水電站大壩左壩肩附近的四個約100m深的鉆孔進行了原地應(yīng)力測量。結(jié)果表明,在所測深度范圍內(nèi)三向主應(yīng)力之間的關(guān)系s_h>s_h>s_v,水平主應(yīng)力s_h和s_h以及最大剪應(yīng)力τmax的值隨高程的降低有增加的趨勢.由對實測孔部分壓裂段的印模得出坎區(qū)s_h方向近南北。龍羊峽地區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場復(fù)雜,s_h方向在深部為ne—nne,淺部大致為近南北—ne向.在現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場作用下f_7斷層帶有復(fù)活的可能,其形式將表現(xiàn)為淺部逆斷層型、深部右旋走滑型錯動.然而,四個實測孔周圍的巖體穩(wěn)定性計算結(jié)果說明,處于活動斷裂帶以外的巖體完整部位基本上處于穩(wěn)定狀態(tài)。

本文從實測資料分析了烏江渡電站水庫壩前水溫的變化規(guī)律及其影響因素,該水庫水位年變幅較大,庫水交換頻繁,加之水庫異重流的影響,深層水溫年變幅較大,不能形成穩(wěn)定的低溫區(qū),有其變化特點。通過逐步回歸分析表明,水溫主要與氣溫的滯后因素有關(guān),并提出了一些看法。

本文依據(jù)ansys有限元復(fù)核計算結(jié)果,通過水壓試驗安全控制手段的論證確定和縝密的試驗方案準(zhǔn)備,解決高壓鋼岔管內(nèi)、外應(yīng)力同步測試的難題。應(yīng)力測試數(shù)據(jù)及時動態(tài)地反映水電站壓力鋼岔管水壓試驗時的內(nèi)、外應(yīng)力狀況,保證試驗設(shè)備的安全,為同類工程的設(shè)計計算提供難能可貴的水電站壓力鋼岔管水壓試驗應(yīng)力測試數(shù)據(jù)。

利用水壓致裂地應(yīng)力測量法對實際工程區(qū)進行了地應(yīng)力測量,詳細(xì)分析了水壓致裂曲線壓力-時間的特征及破裂壓力、重張壓力、關(guān)閉壓力及最大水平主應(yīng)力的破裂方向的確定方法。此外,在獲得已知各個測點的地應(yīng)力大小和方向后,進一步分析工程區(qū)地應(yīng)力及側(cè)壓力系數(shù)的分布規(guī)律,分析了側(cè)壓力系數(shù)對隧道圍巖穩(wěn)定性構(gòu)成影響的可能性。地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果可以作為隧道設(shè)計、斷面的選擇及隧道軸線方向的確定的科學(xué)依據(jù)。

水壓致裂法測量地應(yīng)力具有測量深度很大的優(yōu)點,在地質(zhì)工程中應(yīng)用廣泛,為解決傳統(tǒng)水壓致裂法的不足,一些學(xué)者提出了三維地應(yīng)力測量理論,采用最小主應(yīng)力破壞準(zhǔn)則進行水壓致裂法三維地應(yīng)力測量,對地質(zhì)條件比較復(fù)雜的地區(qū)可以用該方法進行測量,但水壓致裂三維地應(yīng)力測量方法還需改進和完善.傳統(tǒng)的水壓致裂法理論和三維地應(yīng)力測量理論各有優(yōu)缺點.

對于深埋特長隧道,巖體的地應(yīng)力狀態(tài)直接關(guān)系到工程的穩(wěn)定性.準(zhǔn)確地測量地應(yīng)力,對于預(yù)測巖爆等工程地質(zhì)災(zāi)害有著重大意義.基于水壓致裂法和室內(nèi)巖體力學(xué)試驗,研究了隧道圍巖地應(yīng)力狀態(tài),最后基于隧道地應(yīng)力對巖爆發(fā)生的部位和等級進行了預(yù)測,為隧道的開挖與支護方案設(shè)計提供依據(jù).

烏江渡水電站地質(zhì)條件復(fù)雜,喀斯特地區(qū)巖溶裂隙發(fā)育,防滲工程處理量巨大且存在較大難度。為加強防滲效果,采取了混凝土防滲墻、固結(jié)灌漿,封堵處理等一系列措施。文中結(jié)合近30年的滲漏實測資料,分析了滲漏的變化規(guī)律和工作性態(tài)。結(jié)果顯示,工程處理是成功的,有效保證了大壩的安全運行。

文章主要介紹在烏江渡水電站擴機工程進水口的開挖爆時對周邊臨近永久建筑物的振動控制,主要措施有限定最大裝藥量、改善預(yù)裂爆破裝藥結(jié)構(gòu)、采用傾斜鉆孔、對深孔采用分段裝藥,以及在梯段爆破時采用孔間微差順序爆破網(wǎng)絡(luò)等

在中國西南某新型引水式水電站工程中使用水壓致裂技術(shù)開展了原地應(yīng)力及相關(guān)巖體力學(xué)參數(shù)測試。結(jié)果表明,工程區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場狀態(tài)以nnw向擠壓為主,最大主應(yīng)力值為7.35～8.16mpa,方向約為n33～52°w,傾角約26～39°。氣墊調(diào)壓室三維原地應(yīng)力狀態(tài)的最大主應(yīng)力值為10.63mpa,最小主應(yīng)力為4.98mpa;圍巖巖體抗劈裂強度高值區(qū)在5.50mpa以上,低值區(qū)為3.00～3.50mpa。根據(jù)圍巖應(yīng)力分布非均勻性遵循的一般性規(guī)律,結(jié)合原地應(yīng)力測量與裂隙圍巖原地承載能力測試結(jié)果的各自特點,提出了利用地應(yīng)力測量數(shù)據(jù)、原地承載力測試結(jié)果、彈性模量數(shù)據(jù)綜合評估承壓洞室圍巖最小主應(yīng)力的方法,給出氣墊式調(diào)壓室部位最小主應(yīng)力綜合評估值2.86mpa。并分析了地應(yīng)力狀態(tài)對地下廠房、引水隧洞、氣墊調(diào)壓室穩(wěn)定性的影響。

木文對小天都水電站氣墊調(diào)壓室5個測點共15個鉆孔的水壓致裂法應(yīng)力測量結(jié)果進行了深入的分析,得到最大主應(yīng)力約20mpa左右。文中還結(jié)合工程地質(zhì),討論了電站區(qū)的三維應(yīng)力特點及其對工程設(shè)計的參考作用。

簡要分析了兩河口水電站壩區(qū)地應(yīng)力測試成果。依據(jù)應(yīng)力測試成果,從側(cè)壓系數(shù)角度進行分析,給出了建議的廠房軸線方向。針對廠房開挖施工中可能遇到的巖爆及軟巖大變形等重大工程地質(zhì)問題提出了相應(yīng)的防治措施。

為了評價小灣水電站壩基巖體開挖后的卸荷松弛效應(yīng)、確定卸荷深度和研究卸荷巖體的應(yīng)力分布特征,同時采用鉆孔彈模法和水壓致裂法在壩基開挖面進行了5個深度20~30m鉆孔的巖體變形與地應(yīng)力測試。測試結(jié)果表明開挖卸荷影響較明顯,鉆孔淺部(深度小于11m)彈模明顯降低;壩基巖體表層20m以內(nèi)的最大水平應(yīng)力一般小于10mpa,顯示了一定程度的應(yīng)力集中現(xiàn)象。其次,根據(jù)卸荷帶劃分結(jié)果和工程地質(zhì)條件進行了二維彈塑性有限元應(yīng)力場模擬分析。分析結(jié)果和實測結(jié)果一致,表層開挖卸荷巖體中應(yīng)力有所釋放,河床以下20~50m范圍存在明顯應(yīng)力集中。

烏江渡水電站大壩運行２０年來，先后對防滲帷幕采用氚含量、穩(wěn)定同位素、水化學(xué)、水溫及長期滲漏量觀測資料等分析方法作了系統(tǒng)的研究，證明帷幕的防滲效果良好；廊道中發(fā)生的碳酸鈣沉積與幕體中的氫氧化鈣溶解有關(guān)，但這種溶解速度是極其緩慢的，并未導(dǎo)致帷幕的老化問題，目前不需要采取補強灌漿措施

對烏江渡擴機工程的設(shè)計情況、施工特點進行了小結(jié)，并對巖溶地質(zhì)條件下的擴機工程的合理的施工程序作了簡要介紹，對其他類似工程的設(shè)計、施工有一定的參考價值。

烏江渡水電站泄水建筑物運行情況調(diào)查與分析

為了論證清遠(yuǎn)抽水蓄能電站高壓引水隧洞設(shè)計方案的合理性,需要確定地下廠房和高壓隧洞的地應(yīng)力狀態(tài)。介紹了根據(jù)上抬理論給出的隧洞設(shè)計方案。利用應(yīng)力解除法和水壓致裂法進行了現(xiàn)場地應(yīng)力測試,并結(jié)合有限元回歸分析,預(yù)測了包括重要工程部位在內(nèi)的整個工程區(qū)巖體應(yīng)力分布。最后運用最小主應(yīng)力準(zhǔn)則,驗證表明高壓引水隧洞圍巖滿足抗水力劈裂要求,并討論了襯砌設(shè)計方案。

通過2009年3月~4月對排入烏江的廢水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進行分析,可以看出廢水總磷濃度高、強度大且相當(dāng)穩(wěn)定,嚴(yán)重污染了烏江的水質(zhì)。烏江總磷的主要來源是流域內(nèi)磷化工企業(yè)排放的廢水廢渣且廢水中大顆?？偭缀扛?。本文通過烏江總磷的分布特征,總磷的存在形態(tài),分析總磷在烏江的遷移轉(zhuǎn)化機制。烏江總磷在遷移轉(zhuǎn)化過程中主要是在水動力條件下輸移擴散以及沉降與再懸浮等。

該文在《巖石力學(xué)與工程學(xué)報》第9卷第2期刊出后,有讀者提出疑問。經(jīng)作者重新檢查,發(fā)現(xiàn)144頁第7行內(nèi)“2α=90°-arctgμ”一式有誤,應(yīng)改為2α=90°+arctgμ。改正后影響到表2中2α、σ_n、[τ]和穩(wěn)定性這四列結(jié)果,現(xiàn)更正如下:

烏江渡水電站擴機工程地下廠房系統(tǒng)所在的山體存在著巨大的臨空面,廠房系統(tǒng)下游開挖邊界與臨空面之間的巖柱較薄,地質(zhì)條件復(fù)雜,又受原樞紐大壩拱推力作用,經(jīng)過平面有限元計算分析,認(rèn)為圍巖是穩(wěn)定的,布置是可行的。