浪江抽水蓄能电站地下厂房地应力及硐室围岩岩爆分析

吕城腾

(广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510635)

抽水蓄能电站地下厂房区地应力的大小和方位，直接影响厂房布置以及硐室围岩稳定性。为查明浪江抽水蓄能电站地下厂房区的地应力情况，开展水压致裂法[1-2]二维、三维地应力测试[3]分析，进而对硐室开挖过程中的岩爆[4-6]可能性进行分析。

浪江抽水蓄能电站站址位于肇庆市广宁县五和镇，上水库位于广宁县五和镇与木格镇交界处的黄莲山山脉附近，下水库位于五和镇高岭村，场区属中低山丘陵地貌，地势总体呈北西高南东低。电站初拟总装机容量为1 200 MW(4×300 MW)。电站枢纽工程主要包括上、下水库、输水发电系统、地下厂房洞室群、地面开关站及场内永久交通道路等部分。电站属一等大(1)型工程。厂房顶拱高程为139.5 m，底板高程为84.5 m，安装高程为100.0 m，厂房轴线方位为N47°W。ZK1001布置于厂房轴线附近，孔口高程为434.4 m，孔深为376.0 m，厂房置于孔深294.9～349.9 m处，厂房安装高程置于孔深334.4 m处。

根据深孔ZK1001揭露，厂房深度范围内，岩性为弱—微风化状花岗岩，岩芯多呈柱状、长柱状，局部呈碎裂状，发育裂隙较少，且多以陡倾角裂隙为主，裂面处见钙质、绿泥石充填，局部见石英脉，熔融胶结，与围岩胶结较好。花岗岩岩体较完整—完整，岩质坚硬。厂房安装高程处，岩性为微风化状花岗岩，岩芯呈长柱状，未见裂隙发育，岩质坚硬，岩体完整。

1 二维地应力分析

在厂房深孔中进行了水压致裂法二维地应力测试，共选取了10个测段开展测量工作，在10个测段中，每个测段均进行了4次重复测量，压力记录曲线形态规范，各回次曲线重复性较好。

为准确获取地应力参数，通过压裂前与压裂后的超声波成像测井对比，选取了压裂缝为竖直缝的测试段进行水平主应力计算，参与计算结果见表1。垂向应力是根据测段上覆岩层埋深由公式Sv=ρgh计算获得，计算时岩石平均容重取26.5 kN/m3。

表1 水压致裂二维地应力参与计算测量结果

通过压裂前后超声波成像测井图像对比，确定水平最大主应力方向为NNW向(代表性对比结果见图1所示)；实测主应力量值随深度增加而增加(主应力随孔深变化见图2所示)。根据二维地应力实测结果，厂房深孔地应力分布规律特征如下：① 在测量深度范围内，水平最大主应力值在5.68～26.64 MPa之间，水平最小主应力值在4.22～15.69 MPa之间，表明工程区地应力属中等应力区；② 该孔水平最大主应力为NNW向；③ 水平主应力随深度增加而增大，其线性变化关系分别为SH=0.065 4H-2.816 1，R2=0.693 9；Sh=0.036 0H-0.544 1，R2=0.716 3。

图1 成像测井确定压裂缝方向示意(水平最大主应力方向)

图2 应力随孔深分布示意

2 三维地应力分析

在厂房深度范围附近，选取具有代表性的测段，进行2组三维地应力计算(每组1个常规水压致裂数据和1个裂隙重张数据，深度差一般不大于50 m)，第1组相关参数见表2所示。

表2 第1组参与三维地应力计算的主要参数

根据表2的实测数据，计算该点的三维应力张量、3个主应力的量值大小及其空间方位，所得三维地应力测试成果见表3，主应力方位赤平投影见图3。

表3 第1组三维地应力计算结果

图3 第1组三维主应力方位赤平投影示意

第2组的相关参数见表4。根据表4的实测数据，计算该点的三维应力张量、3个主应力的量值大小及其空间方位，所得三维地应力测试成果见表5，主应力方位赤平投影见图4。

图4 第2组三维主应力方位赤平投影示意

表4 第2组参与三维地应力计算的主要参数

表5 第2组三维地应力计算结果

三维地应力求解结果如下：近厂房顶拱位置最大主应力为17.55 MPa，其方位角约为330.29°，倾向NNW，倾角为6.06°，近水平；中间主应力为10.40 MPa，其方位角为62.66°，倾向NEE，倾角为21.30°，近水平；最小主应力为9.41 MPa，其方位角为225.23°，倾向NE，倾角为67.78°，近垂直。近厂房安装高程位置最大主应力为26.75 MPa，其方位角约为156.44°，倾向NNW，倾角为4.77°，近水平；中间主应力为15.99 MPa，其方位角为65.34°，倾向NEE，倾角为12.99°，近水平；最小主应力为10.13 MPa，其方位角为266.20°，倾向EW，倾角为76.13°，近垂直。

综合分析2组求解结果可知：地下厂房深度范围内，主应力空间方位存在一定的偏转，而量值变化较大，表明研究范围附近的应力梯度[7]偏高。垂向应力(即上覆岩层重力)表现为最小主应力，水平构造应力作用占据主导地位，属于逆断型应力结构。最大主应力方位与厂房轴线(N47°W)成小角度相交，理论上有利于场区稳定。

3 硐室围岩岩爆分析

根据《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)[8]附录Q中的岩爆分级及判别表，以实测地应力和岩石力学参数为基础，以围岩强度应力比Rb/σm探讨洞室发生岩爆的可能性。

对厂房深度范围内测点的Rb与σm进行了比较，其中Rb为岩石饱和单轴抗压强度，取80～100 MPa，σm为实测最大主应力，对于本工程，根据地应力测量结果，以水平应力为主，因此，σm=SH，计算结果见表6。

表6 水压致裂二维水平最大主应力与Rb的比较结果

同时选取厂房深度范围内的2个测点进行三维地应力测试，利用岩石饱和抗压强度与对应的最大主应力进行了比较，其中Rb为岩石饱和单轴抗压强度，取80～100 MPa，σm为实测最大主应力，根据三维地应力计算结果，确定σm=σ1，计算结果见表7。

表7 水压致裂三维最大主应力与Rb的比较结果

4 结语

1) 水压致裂二维地应力测试结果表明，水平最大主应力、水平最小主应力和垂向应力随深度增加而增大，且具有较好的线性关系。

2) 根据水平最大主应力、水平最小主应力和垂向应力之间的关系，基于实测数据和主应力随深度拟合曲线，表明在测试深度范围内3个主应力之间的关系关系为SH>Sh>Sv，以水平向应力作用为主导，为逆断层应力环境。

3) 根据水压致裂地应力测试前后超声波成像测井结果对比，确定深孔所在位置的最大水平主应力优势方向近NNW。

4) 水压致裂三维地应力测试结果表明，近厂房顶拱高程和厂房安装高程2个深度段的最大主应力σ1和中间主应力σ2近水平，最小主应力σ3近垂直，最大主应力σ1为NNW方向，与水平最大主应力方向基本一致。

5) 根据岩石饱和抗压强度与最大主应力之间的关系分析，确定浪江抽水蓄能电站90～260 m深度范围无岩爆发生，地下厂房深度范围(290～350 m)内，在坚硬花岗岩岩体内存在发生轻微～中等岩爆的可能性。另外，最大主应力方位与厂房轴线成小角度相交，理论上有利于场区稳定。