新疆下坂地水利枢纽地应力测量与研究

第23卷 第2期

岩石力学与工程学报 23(2)：242～246

2004年1月 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Jan.，2004

2003年5月24日收到初稿，2003年7月20日收到修改稿。

作者 刘允芳 简介：男，1936年生，1961年毕业于上海交通大学工程力学系固体力学专业，现任教授级高级工程师，主要从事岩土工程、地应力场测量及地下洞室稳定性方面的研究工作。

新疆下坂地水利枢纽地应力测量与研究

刘允芳 尹健民 刘元坤

(长江科学院岩基研究所 武汉 430010)

摘要 随着西部地区建设的投资力度逐年加大，该地区地应力测量与研究越来越显得重要。在新疆下坂地水利枢纽的地下厂房区和两岸坝肩区进行了地应力测量研究、工程区的地应力场分析和在实测资料基础上的岩爆分析。 关键词 岩石力学，西部开发，地应力测量与研究，岩爆分析

分类号 TU459+.4 文献标识码 A 文章编号 1000-6915(2004)02-0242-05

MEASUREMENT AND STUDY OF IN-SITU STRESSES FOR THE

XIABANDI HYDRAULIC PROJECT ，XINJIANG

Liu Yunfang ，Yin Jianmin ，Liu Yuankun

(Yangtze River Scientific Research Institute ， Wuhan 430010 China )

Abstract The measurement and study of in-situ stresses in west China become very important while the construction investment increases rapidly in recent years. At the Xiabandi Hydraulic Project in Xinjiang province ，the measurement and study of in-situ stresses are made. The in-situ stresses are measured in the area of underground powerhouse and dam abutment in both banks. Based on the measured in-situ stresses ，analyses are made on the stress field in the engineering area and the rock burst there.

Key words rock mechanics ，development in west China ，measurement and study of in-situ stresses ，rock-burst analysis

1 前 言

随着国家对西部地区投资力度逐年加大，近三年来国家在西部地区新开工了30余项重点工程， 投资总规模6 000多亿元，如青藏铁路、西气东输、西电东送、水利枢纽、交通干线建设等对西部地区发展全局有重大影响的工程全面展开。一批重大项目相继开工，基础设施建设迈出了实质性步伐，例如：共建设和改造大型水库30多座，新增公路通车里程约50 000 km ，新建铁路新线1 641 km ，复线 1 311 km ，电气化线路1 370 km ，新建和改扩建机场31个，西电东送工程在建装机容量大于2 200

kW 。

地应力测量与研究在我国西部经济建设中将愈发显得重要，西部地区资源丰富，市场潜力很大。例如：西部地区的水力、石油、煤炭等资源的开发和利用，地面、地下、边坡岩石工程的设计及其衬砌计算和稳定性分析，工程地区的地应力场资料是必不可少的。而这些资料却是西部地区所缺少的，在西藏、新疆、青海等省份的广大地区，地应力实测资料几乎空白。

西部地区地应力状态与东部地区大不相同，东部地区地应力量值较低，一般在300 m 深度上，最大主应力量值为10 MPa 左右，如唐山地区，300 m 深度上最大主应力为8 MPa 左右，三峡工程永久船

第23卷第2期刘允芳等. 新疆下坂地水利枢纽地应力测量与研究? 243·

闸地区，100 m深度上最大主应力为10 MPa左右；而西部地区应力量值较高，是我国的高地应力地区，如甘肃金川矿区500 m深度上最大主应力超过30 MPa，四川二滩电站河谷地区，深度40.5 m上最大主应力为65.9 MPa。因此，近30多年在西部兴建的拉西瓦、李家峡、二滩、天生桥、鲁布格等水电工程以及甘肃的金川镍矿地下采掘都曾遇到了高地应力问题。有的在勘探钻孔中出现饼状岩芯，有的在开挖过程中发生岩爆或边坡崩塌等现象[1]。

另外，西部的某些地区是我国地震活动区，四川、新疆、青海等省份的某些地区地震屡有发生。例如：2003年4月17日在青海省北部德令哈市(北纬37.5°，东经96.8°)发生6.6级地震，震中距德令哈市约50 km。事隔仅半个月，即5月4日在新疆自治区西部巴楚伽师间(北纬39.4°，东经77.3°)又发生5.8级地震，震中位于喀什岳普湖县城西南20 km的铁热木乡，地震波及全县。自治区地震局震害防御处认为这次地震是“2.20”巴楚、伽师地震的余震。

因此可以断言，在今后的西部大开发中，地应力测量与研究将占重要地位。

2 新疆下坂地水利枢纽地应力测量与

研究

新疆下坂地水利枢纽位于塔什库尔干河中下游，坝址位于峡谷区入口下游34 km处，水库区主要位于瓦卡谷地边缘，河谷宽阔，呈“U”型，两岸山高坡陡，山峰高程在4 300 m左右，相对高度499～1 300 m，基岩裸露，坡度在45°以上，河谷狭窄，宽200～310 m，河床高程2 899～2 860 m。下坂地水利枢纽距塔什库尔干塔吉克自治县城45 km，距喀什市315 km。该水利枢纽是以解决春旱缺水及生态补水为主，结合发电的综合利用工程。下坂地水库正常蓄水位▽2 960 m，库容7.85 m3，装机容量为 1.5×106 MW。地下厂房长71 m，宽17.9 m，高35 m，厂房的跨度较大，轴线方位为正北向；而引水泄水隧洞的埋深较深，最大埋深达1 400 m。

坝址区为一单斜构造的横向谷，主要由元古界变质岩及第四纪松散堆积物组成，岩层片麻理走向300°～320°，倾向SW(上游)，倾角55°～70°，厚层状或中厚层状，层间夹有石英岩脉或薄层状云母片岩。坝址区断层较发育，测绘统计有90余条，断层依据走向可分为4组，其中以走向NWW压扭性断层最为发育，其次为NNE向张性断层。地下厂房的围岩以黑云斜长片麻花岗岩为主，夹10～15 m厚的角闪岩脉，围岩厚度70～150 m。岩体以整体块状为主，新鲜～微风化。

下坂地水利枢纽地处我国西部的帕米尔高原，临近地震活动带，并处于高地应力地区。为了地下洞室的优化布置及其稳定性评价、有压隧洞的支护设计、施工期岩爆预测等目的，需进行地应力测量及其综合性研究项目。

针对下坂地水利枢纽的工程实际情况，长江科学院根据设计单位要求，确立以下几个研究课题：

(1) 左右岸坝肩区和地下厂房区地应力测量；

(2) 工程区地应力场分析；

(3) 地下洞室发生岩爆可能性评估。

地应力现场测量分2期进行：2002年1月和9月，在中坝址左坝肩的PD 7# 勘探平洞洞深120 m 的ZK 86# 铅垂钻孔中和右坝肩的PD 6# 勘探平洞洞深100 m的ZK 87# 铅垂钻孔中，采用水压致裂法[2～4]进行地应力测量，共获得14个测段的二维地应力实测资料，最深测深为67.8 m，其中4个测段作了破裂缝印模定向记录；2002年9～10月，在地下厂房区的PD13# 勘探平洞洞深160 m的丁字洞洞口两侧的SYZK-1# ～5# 的5个水平钻孔中，采用套钻孔应力解除法中的空心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量，共获得19个测点的三维地应力实测资料，最深测深为9.95 m。

在地应力实测资料的基础上，进行了整个工程区的地应力场分析计算。计算域包含了所有地应力测量钻孔和大坝、地下厂房、调压室、引水隧洞、尾水隧洞等枢纽重要建筑物，尺寸为6 000 m×4 000 m(长×宽)，底部高程为▽1 500 m，地表高程最高为▽4 700 m，最低为▽2 742 m，划分为2种岩性材料(角闪黑云二长片麻岩和片麻状花岗岩)。计算域内共划分75 237个四面体单元，15 009个节点。取用的地应力实测资料为：在左右岸坝肩采用水压致裂法测量所获得的有破裂缝定向记录的4个测段的二维地应力实测资料，和在地下厂房区采用空心包体式钻孔三向应变计测量所获得的5个钻孔的三维地应力实测资料。地应力回归元素定为4个：自重应力场1个，地质构造应力场3个。地质构造应力场是以边界上在2个水平方向各施加单位正应力分量和剪应力分量来模拟。

? 244 ? 岩石力学与工程学报 2004年

在地应力实测资料的基础上，采用国内主要4种岩爆分析方法，对地下厂房区和高压引水隧洞区进行岩爆分析研究，对它们可能发生岩爆进行评 估。地下厂房区的岩爆分析中，地应力量值采用地应力实测资料；而高压引水隧洞区的岩爆分析中，地应力量值采用地应力场分析结果。

3 空心包体式钻孔三向应变计地应力

测量技术

空心包体式钻孔三向应变计，由于其测量元件电阻应变片嵌固在环氧树脂层中，安装过程中测量引线不受拽拉，安装容易成功，实测数据也不会丢失。另外，由于相对增加了被解除的中空岩芯的岩壁厚度，不易在套钻解除过程中断裂。因此，这种应变计比较容易取得地应力实测资料，测量成功率较高，也能适应地质条件相对较差、裂隙较多的岩体中进行测量。由于它的突出优点，在国内外得到广泛应用。

长江科学院研制的CKX-01型空心包体式钻孔三向应变计布设了等间距3个应变丛，序号用i 表示，对应的极角为i θ，每个应变丛由4个应变片组成，序号用j 表示，对应的角度为ij ?。根据应变观测值εk 与岩体应力状态的关系，可得到下列观测值方程组[5]：

E εk =A k 1σx +A k 2σy +A k 3σz +A k 4τxy +A k 5τyz +A k 6τzx (k =3(i －1)+j ；i =1～3；j =1～3) (1)

?

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+?=+=??=+?=??++=???+=i

ij k i ij k i ij k ij k ij i k ij i k K A K A K A K A K K A K K A θ?μθ?μθ?μ?μμ?θμμμ?θμμsin 2sin )1(2cos 2sin )1(22sin sin )1(4sin )1(1sin ]2cos )1(2[sin ]2cos )1(2[36352

2242432221222211 (2) 式中：K 1，K 2，K 3，K 4为修正系数，它们是根据钻孔半径R 、应变计内半径R 1、应变片嵌固部位半径

ρ、围岩的弹性模量E 、泊松比μ 和环氧树脂层的弹性模量E 1、泊松比μ1按下列计算确定：

??

?

?

???+???=+=+++?=++??=μρμμμμρρρμρμμμρμμμ/)]/21()([)/1(//)1()/21)(1(2

211111422163452143221212211111R d K R d K d d d d K R d K (3)

式中：

????

?

?

??

????++=++?=++??=++??=??=?++?=)]1(1/[1/])1([3/])1([4/])1)(34([)/()1()1(12)]1(21/[1226

144151621412

4322222211m m d D

m R d D m R d D m m d D R m m d m m d ζζχζζχζζχζζζμ (4)

?

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?

???=?==++=++??++

??+++=11111162164214343/)]1(/[)]1([)]()1[()( )]4 63)(1()[1(μχμχμμζζχζχζχζζχχζ，，R R m E E m m m m m D (5)

CKX-01型空心包体式钻孔三向应变计结构示意图如图1，它的1次测量可获得12个观测值方 程，解6个应力分量未知量，利用最小二乘法原理解得岩体地应力的6个应力分量，然后解得3个主应力及其方向[6]。

1 电缆

2 安装杆

3 安装这位销钉

4 密封圈

5 补偿室

6 盛胶室

7 应变丛

8 销钉

9 活塞 10 出胶孔 11 导向器 12 钻孔

图1 CKX-01型空心包体式钻孔三向应变计 Fig.1 Structure figure of CKX-01 hollow inclusion triaxial

gauge

4 研究成果分析

研究成果分析以地应力实测成果分析为主，而地应力实测成果以在地下厂房区采用空心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量获得的成果为主，以说明新疆下坂地水利枢纽地应力测量成果的应用。 4.1 地应力实测成果

由于空心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量时，应变片并非直接粘贴在钻孔岩壁上，在成果整理中首先要确定修正系数K 1～K 4。CKX-01型空 心包体式钻孔三向应变计进行地应力测量的实际尺寸和数据为：R = 18.25 mm ，R 1=15.0 mm ，ρ = 16.25 mm ，E = 45.0 GPa ，μ = 0.22，E 1= 3.0 GPa ，μ1= 0.3，根据式(3)～(5)的计算得到：K 1= 1.133 150；K 2= 1.158 294；K 3= 1.092 121；K 4= 0.948 160。

5个钻孔19个测点的测深为7.45～9.95 m ，三维地应力实测资料列于表1，在表中地应力实测资

第23卷 第2期 刘允芳等. 新疆下坂地水利枢纽地应力测量与研究 ? 245·

表1 地下厂房区各钻孔地应力测量实测值的平均值(单位：应力/ MPa ，角度/ (°))

Table 1 The average values of in-situ stresses measured in various boreholes in the area of underground powerhouse

应力分量

水主平应面力

主应力

钻孔号 测点数量 σ x

σ y σ z

τxy

τyz τzx

σ H σ h β H σ 1α 1β 1σ 2α 2 β 2 σ 3

α 3

β 3 SYZK–1#

1 6.38 9.63 5.09 －0.34 0.14 0.859.69 6.35264.19.690.7264.3 6.7826.9 －5.3 4.65 63.1

173.0SYZK–2# 5 6.79 8.23 5.57 1.64

－0.60 －0.339.30 5.72303.29.4210.1303.0 5.7310.3 31.2 5.44 75.6256.8SYZK–3# 2 5.57 9.48 5.94 0.48 0.61 0.289.54 5.51276.99.659.8277.4 5.9362.4 206.7 5.41 25.6 2.7

SYZK–4# 7 5.71 9.79 5.85 0.19 0.60 0.07

9.80 5.70272.79.898.5272.8 5.7861.4 198.6 5.68 26.9－1.6SYZK–5# 4 5.93 9.11 6.34

－0.51 －0.77 －0.039.19 5.85261.19.3814.0261.7 6.2164.1 202.6 5.79 21.3－19.9

平均值 19 6.08 9.25 5.76 0.29 －0.00 0.179.28 6.05275.2

9.28

0.2

275.2

6.13

24.5 5.3 5.68 65.5

184.8

注：(1) i σ，i α，i β(=i 1～3)分别为大、中、小主应力的量值、倾角、方位角。

(2) H

σ，h σ，βH 分别为最大和最小水平主应力的量值、最大水平主应力的方位角。

(3) 应力分量所采用的坐标系为地下厂房坐标系：轴x 为正北向，轴y 为正西向，轴z 为铅垂向上方向。

料是以各钻孔的平均值给出(各钻孔的测点数也在表中给出)。由于5个测量钻孔最大间距仅60 m ，地质条件变化不大，它们的平均值又综合了各钻孔的地质条件和测量误差因素，因此，本文推荐5个钻孔实测值的平均值，作为地下厂房区地应力的实测成果。

分析表1各项数据，对地下厂房区地应力状态有以下几点认识：

(1) 实测成果可靠性评价：5个测量钻孔共19个测点几乎获得相一致的地应力实测资料，不同钻孔的测量成果能够得到相互印证。各钻孔实测的应力分量，最大和最小水平主应力的量值及其方向，大、中、小主应力的量值及其方向的变化幅度都不大，基本上处于同一量值水平，说明各钻孔的实测成果对地应力状态作了相一致的描述。例如：5个钻孔实测的应力分量与它们的平均值相差的绝对值，正应力分量为0.092～1.022 MPa ，平均为0.405 MPa ，剪应力分量为0.098～1.348 MPa ，平均为 0.492 MPa ；5个钻孔实测的应力分量的标准差为0.357～0.818 MPa ，平均为0.516 MPa 。另外，5个钻孔实测的铅垂向应力分量的平均值为5.76 MPa ，略大于上覆岩体自重(γ H = 0.027×150 =4.05 MPa)，符合一般的变化规律。

(2) 地应力的量值：(a) 应力分量：x σ在6.08 MPa 左右，y σ在9.25 MPa 左右，z σ在5.76 MPa 左右；(b) 水平主应力：H σ在9.28 MPa 左右，h σ在6.05 MPa 左右；(c) 主应力：1σ在9.28 MPa 左右，2σ在6.13 MPa 左右，3σ在5.68 MPa 左右。由此可见，地下厂房区地应力的量值属中等应力水平。

(3) 地应力的方向：大主应力呈水平向(倾角＜14°)，方位角近东西向(261.7°～303.0°，平均为275.2°)，与最大水平主应力方向几乎一致；中主应力倾角较小(＜27°)，方位角近南北向(－19.9°～31.2°，平均为5.3°)；小主应力倾角较大(＞60°)，方位角近东西向(173.0°～256.8°，平均为184.8°)。除SYZK-1# 和SYZK-2# 钻孔外，其他3个钻孔由于中主应力的量值与小主应力的量值比较接近，因此，与5个钻孔实测值的平均值比较，实测的中主应力的倾角和方位角与小主应力的倾角和方位角相互对换。大主应力方向与坝址区最为发育的NWW 向压扭性断层走向相一致，中主应力方向与坝址区较为发育的NNE 向张性断层走向相一致。

(4) 地应力状态的性质：在地应力测量范围内，大主应力的量值和最大水平主应力的量值同为9.28 MPa 左右，它们的方位角也同为275.2°左右，而铅垂向正应力分量为 5.76 MPa 左右，侧压系数=λ 1.6。因此，地下厂房区周围岩体的地应力以地质构造应力场为主导。

(5) 地应力与地下厂房稳定性的关系：由于实测地应力的中主应力方向正好与地下厂房的轴向几乎一致，因此，地下厂房横截面上，主要受水平向的大主应力(倾角0.7°～14.0°，平均为0.2°)和铅垂向主应力作用，侧压系数=λ 1.6。求得地下厂房横截面上的地应力状态，就可直接用于地下厂房的衬砌设计和稳定性分析。实际上这种大主应力与地下厂房轴线相垂直的情况，对地下厂房的稳定性最为不利。由于水平向应力相对较大，可能在厂房顶拱产生拉应力区，在侧墙中部产生较大的压应力集 中。

? 246 ? 岩石力学与工程学报 2004年另外，在左右岸坝肩采用水压致裂法测量的

ZK86# 和ZK87# 2个钻孔各获得7个测段的二维地应力实测资料(其中各2个测段作了破裂缝印模定向记录)。对这些实测资料进行分析可知，坝址区地应力量值也不大，最大水平主应力的量值：左坝址为5.1～7.7 MPa，右坝址为3.8～8.7 MPa；最小水平主应力的量值：左坝址为3.7～4.1 MPa，右坝址为2.5～5.0 MPa，也属中等应力水平，并且应力量值随深度加深而加大；而最大水平主应力的方向：左坝址为NE26°～27°，右坝址为NE48°～52°。比较地下厂房区SYZK-1# ～-5# 的5个水平钻孔三维地应力实测成果可知，地应力量值相差不大，但最大水平主应力的方向相差较大(相差43°～69°)。这是因为水压致裂法测量钻孔地处峡谷地带，地形变化较剧烈，钻孔附近节理裂隙及断层较为发育(左坝址测量钻孔附近存在正断层F61，走向为NE12°，右坝址测量钻孔附近存在逆断层F48，F49，走向为NW60°，NW57°)，地应力受地形、地貌和断层构造的影响较大。因此，上述水压致裂法测量成果仅适用于两岸坝肩部分地区。

4.2地应力场分析成果

地应力场分析是以地应力实测资料为依据，根据地应力场组成成份和地质条件建立数个数学计算模型，通过有限元计算和应力回归计算确定回归元素，然后合成地应力场。地应力场分析后的成果，克服了测点岩体地质上的局限性和实测数据的离散性，把有限的测量钻孔地应力实测资料科学地拓展到整个工程地区。

地应力场分析后获得各应力分量、主应力的等值线图，也即根据工程区任何部位的几何坐标，能够获得整个工程区和重点剖面的地应力的量值和方向，以及重点部位地应力随深度的变化规律。例如地下厂房部位最大和最小水平主应力及其方向随深度变化曲线如图2所示，由图2可知，最大水平主应力和最小水平主应力随深度的变化略有增加，最大水平主应力的方位角基本稳定在280°左右。

4.3岩爆分析成果

地下厂房区：根据地下厂房区地应力测量测得的地下厂房轴向应力、横截面上大主应力以及由此估算的横截面上最大切向应力，按工程岩体分级标准、Russenes判别法、Turchaninov判别法和Hoek 判别法的4种岩爆判别式进行计算，得到结果：地下厂房区均无岩爆发生。

高压引水隧洞区：由于本次地应力测量工作均布置在离河谷岸坡较近的位置，而离河谷岸坡相对

图2 地下厂房区最大和最小水平主应力及其方向随深度变化Fig.2 Variation of the major and minor horizontal principal stresses and their directions with depth in the area of

underground powerhouse

较远的高压引水隧洞区均无地应力实测资料。因此，在该区进行岩爆分析时，地应力资料取自地应力场分析结果。因高压引水隧洞埋深很深，最大埋深达1 400 m，地应力量值相对比地下厂房区高得多，就是按上覆岩体自重计算铅垂向应力也有=

H

γ

0.026 5×1 400=37.1 MPa。按照上述4种岩爆判别法的判别式进行计算，得到结果：高压引水隧洞区有中等岩爆发生的可能。因此，在高压引水隧洞施工中需要强化围岩、改造岩性，调整开挖顺序，加强支护，并对围岩进行监测，防止岩爆灾害发生。

参考文献

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