湖南省桂陽抽水蓄能電站高壓引水隧洞穩定性分析

王斌，董志宏，劉元坤，韓曉玉，艾凱，齊放

摘要：為研究湖南桂陽抽水蓄能電站高壓引水隧洞穩定性，在工程區開展了高壓壓水試驗和地應力測試，定量描述了隧洞圍巖在高內水壓力作用下的滲透特性，分析了整個工程區特別是重要工程部位的巖體應力狀態，在此基礎上根據圍巖條件、抗抬理論準則、最小主應力準則、滲透準則評價了高壓引水隧洞的滲透穩定性。結果表明：① 工程區水平主應力大小總體上隨深度的增加而增大，3個主應力之間的關系為SH>SZ>Sh，屬于走滑型應力狀態，鉆孔附近地殼淺表層的最大水平主應力方位平均為NW32°，高壓岔管及廠房區域屬中等-低地應力區。高壓壓水試驗結果顯示隧洞圍巖屬于弱至微透水巖體；② 高壓引水隧洞各洞段具有足夠的埋深條件，滿足抗抬理論準則，同時隧洞圍巖的抗滲透能力及抗水力劈裂能力均較好，基本滿足鋼筋混凝土襯砌方案的要求。

關鍵詞：抽水蓄能電站； 高壓引水隧洞； 地應力測量； 高壓壓水試驗； 隧洞穩定性

中圖法分類號：TV672；TV221? ? ? ? ? ? ? ? ? ??文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? ??DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.008

文章編號：1006-0081（2024）03-0047-07

0引言

隨著電力供需矛盾日益突出，電網調峰填谷任務日趨繁重，抽水蓄能電站建設因其利于電力資源的可持續開發而得到了快速發展［1］。抽水蓄能電站工作水頭較高，常采用高壓引水隧洞及高壓岔管結構，其圍巖往往存在高滲壓差、高水力梯度引發的滲透破壞或失穩問題。巖體的透水率及劈裂臨界壓力是滲流分析及滲控效應評價的基礎參數，其與節理裂隙的空間展布情況、巖層結構以及原地應力狀態相關［2］。其中，隧洞圍巖最小主應力大小既決定圍巖抗水力劈裂能力，又是決定高壓隧洞及高壓岔管能否采用鋼筋混凝土襯砌的依據。為了準確掌握巖體在高滲壓作用下的滲透特性和滲透穩定性，中國許多已建和在建的抽水蓄能電站均對引水系統圍巖進行了現場高壓壓水試驗和地應力測量。周敏等［3］對呼和浩特抽水蓄能電站高岔區巖體進行了鉆孔高壓壓水試驗，獲得了巖體在不同壓力作用下滲透特性的變化規律。蔣中明等［4］結合黑麋峰抽水蓄能電站巖體高壓壓水試驗的滲壓及變形測試成果，采用多孔連續介質耦合理論，研究了試驗區巖體在壓水加壓和卸壓過程中的孔隙壓力和位移變化過程。李永松等［5］針對陽江抽水蓄能電站高壓隧洞穩定性問題，在隧洞圍巖中開展了高壓壓水試驗，證明了高壓隧洞各洞段圍巖能完全承受內水壓力，給出了采用鋼筋混凝土襯砌方案的建議。前人研究成果為了解高壓引水隧洞在內水壓力作用下巖體的穩定性提供了諸多方法和思路，但大部分研究僅側重于利用高壓壓水試驗結果計算巖體的透水率，進而研究巖體的滲透特性，較少根據工程區的圍巖等級、高壓引水隧洞上覆巖體厚度、最小主應力與內水壓力的關系等對高壓引水隧洞的滲透穩定性進行綜合研究。桂陽抽水蓄能電站發電額定水頭413 m，輸水系統總長約3 826 m，地下廠房區地面高程420～520 m，洞室群埋深350～450 m，相比其他抽水蓄能電站具有輸水系統線路長、地下廠房位置埋深大及承受水頭壓力大的特點，在工程設計中需著重考慮引水隧洞穩定性對電站建設運行的影響。

為了研究湖南省桂陽抽水蓄能電站安全運行時引水線路的圍巖穩定性，在工程區地下廠房深鉆孔開展了高壓壓水和地應力試驗，并結合工程設計方案定量描述了隧洞圍巖在高內水壓力作用下的滲透特性，分析了重要工程部位的巖體應力分布。在此基礎上，根據圍巖條件、抗抬理論準則、最小主應力準則、滲透準則，全面評價了高壓引水隧洞的滲透穩定性，并基于上述結果，討論了引水隧洞管線的襯砌方案。研究成果可為在建抽水蓄能電站高壓引水隧洞穩定性分析提供參考。

王斌 等湖南省桂陽抽水蓄能電站高壓引水隧洞穩定性分析

1工程概況

湖南桂陽抽水蓄能電站發電額定水頭413 m，初擬裝機容量為4×300 MW，總裝機容量1 200 MW，發電小時數6 h，樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統建筑物、地下廠房洞室群、開關站等組成，為日調節電站。輸水系統總長約 3 538.1 m，其中引水系統長1 904.2 m，尾水系統長1 633.9 m（圖1），地下廠房洞室群埋深350～380 m。工程區位于大義山南部地區華南褶皺系的湘桂褶皺帶內，巖性主要為燕山期黑云母花崗巖，屬堅硬巖類，圍巖類別以Ⅰ、Ⅱ類為主，斷層破碎帶以Ⅲ類為主，局部夾少量Ⅳ類。

2水壓致裂地應力測量方法及結果

水壓致裂地應力測量方法是國際巖石力學學會于2003年發布的測定巖石應力的建議方法之一［6］，該方法不需要巖石的力學參數參與計算，并具有操作簡便、測試周期短、測試深度大和測試結果可靠等特點，在水電工程、交通工程、能源工程中得到了廣泛應用，取得了許多研究成果［7-10］。此次研究中的深鉆孔位于湖南省桂陽抽水蓄能電站工程區地下廠房位置，鉆孔終孔深度為415.1 m，靜水位為30.0 m。鉆探巖心揭示巖性為燕山期灰白色黑云母花崗巖，鉆孔巖心整體較完整，節長10～200 cm?，F場測量主要在100 m以下展開，采用單回路水壓致裂地應力測量系統，共計完成12段有效壓裂測試和3段有效印模測試。獲得的有效壓裂曲線均較標準，具有比較明顯的破裂壓力，且裂縫重張、閉合所對應的壓力點清晰明確，可用以確定各壓力參數值和水平主應力值。

由實測所得的壓力-時間記錄曲線可直接得到巖石的破裂壓力Pb、瞬時關閉壓力Ps以及裂縫的重新張開壓力Pr，再根據水壓致裂法原理［6］計算出最大水平主應力SH以及垂向應力SZ：

Sh=Ps（1）

SH=3Ps-Pr-P0（2）

SZ=ρgh（3）

式中：Sh為最小水平主應力，MPa；P0為孔隙壓力，MPa；ρ為巖石密度，kg/m3；g為重力加速度；h為上覆巖石埋深，m。

利用公式（2）計算最大水平主應力時，Ps的取值誤差將放大SH的結果。目前，比較常用的Ps取值方法有單切線法、dp/dt法、dt/dp法、Mauskat方法等［11-12］，本文采用單切線法、dp/dt法、dt/dp法判讀關閉壓力參數并取平均值［13］。水壓致裂地應力測試結果見表1，具體地應力測量壓裂曲線見圖2。

2.1水平主應力隨深度變化規律

基于表1測量結果，在114.3～412.0 m測量深度范圍內，統計測段的最大水平主應力為7.6～13.2 MPa，最小水平主應力為4.8～8.8 MPa，垂向應力為3.0～10.9 MPa，各測點的應力分布規律較明顯，應力量值隨深度呈線性增加。測試深度范圍內最大水平主應力方向側壓系數SH/Sz為1.0～2.5，巖體水平應力總體大于垂向應力，隨著深度增加，側壓系數總體變小，最小水平應力與垂向應力在量值上逐漸接近，表明垂向應力的作用加強。高壓岔管及廠房區域（孔深330～388 m段）最大水平主應力為9.6～11.9 MPa，最小水平主應力值為7.2～8.3 MPa，垂向應力為8.7～10.3 MPa，屬中等至低地應力區。對測深范圍內結果進行線性擬合，獲得水平主應力量值隨孔深（H）變化關系如式（4）～（5）所示，并給出研究區的主應力值隨深度變化曲線（圖3）。整體來看，ZK1鉆孔中最大與最小水平主應力值均隨測量深度的增加而增加，最大水平主應力值隨深度增加的梯度為0.015 0 MPa/m，最小水平主應力值隨深度增加的梯度為0.011 9 MPa/m，其線性回歸方程為

SH=0.0150H+5.27，R2=0.6774（4）

Sh=0.0119H+3.31，R2=0.8228（5）

Sz=0.0264H（6）

式中：H為鉆孔深度；R2為回歸方程相關系數。

為了更好地認識研究區現今的應力狀態，將測試結果同南北地震帶北段、華北地區、青藏地塊以及中國大陸整體的地應力狀態研究成果進行了對比分析（表2）。結果表明：研究區總體應力水平低于中國大陸、華北地區及南北地震帶北段的應力水平，主要原因可能是研究區地應力狀態的形成受區域斷裂的影響，是局部構造和區域構造應力場共同作用的結果。由Anderson斷層理論［18］，結合圖3判斷，電站工程區地殼淺部3個主應力間的關系總體表現為SH>SZ>Sh，反映了工程區以水平應力為主導的應力場特征，地應力結構有利于走滑斷層的發育和活動。

2.2最大水平主應力方向

采用水壓致裂印模系統獲得研究區最大水平主應力方向值，結果見表1，應力方向的分布范圍為N26°W～N40°W，主應力方向分布較為集中。對比基于GPS觀測獲得的該區地殼現今速度場方向［19］，發現兩者基本一致。已有研究表明，中國構造應力場的分布與其周圍板塊的動態效應密切相關。中國大陸板塊受到外部板塊（印度板塊和太平洋板塊）的推擠，推擠速度為每年數厘米，同時受到了西伯利亞板塊和菲律賓板塊的約束。在這樣的邊界條件下，板塊發生變形，產生水平擠壓應力場。從中國華南區域主壓應力場的方向可以看出［20］，湖南地區主要受菲律賓海板塊NWW向的推擠作用，其次才受太平洋板塊向西俯沖的影響，從菲律賓板塊與中國大陸板塊的碰撞邊界開始，整個華南應力場主要表現出NW～NWW向，與GPS資料顯示華南地區現今最大主壓應力方向為NW（NWW）～SE（SEE）相吻合。因此本文實測的最大水平主應力方向（NW）與工程區附近的區域應力場方向表現一致。

3高壓壓水試驗方法及結果

高壓壓水試驗是一種在鉆孔中進行的巖體原位高壓滲透試驗，其目的是測定在實際水頭壓力下巖體的透水率和滲透特性［2］。為研究引水隧洞圍巖在高水頭作用下的透水性和滲透穩定性、確定圍巖承載能力，對工程區ZK1鉆孔進行了高壓壓水測試。測試采用雙止水栓塞循環式試驗方法?；贜B/T 35113-2018《水電工程鉆孔壓水試驗規程》高壓壓水試驗最多采用11個壓力階段（孔口壓力），分別為1.2，2.4，3.6，4.8，6.0，7.0，6.0，4.8，3.6，2.4，1.2 MPa。根據試驗測定的壓力P和流量Q計算各試驗孔段的巖體透水率（q），確定P-Q曲線類型。試驗結果見表3，P-Q曲線見圖4。

高壓壓水試驗結果顯示，265.3～269.7 m測段，聲波測試波速Kv為5 025 m/s，為完整巖體，巖心未見明顯裂隙發育，透水率范圍為0～1.28 Lu；280.3～284.7 m測段，聲波測試巖體完整性系數為0.76，為完整巖體，巖心未見明顯裂隙發育，透水率為0～0.84 Lu；292.3～296.7 m測段，聲波測試Kv為5 025 m/s，為完整巖體，巖心裂隙發育0.5條/m，透水率為0～1.47 Lu；307.3～311.7 m測段，聲波測試Kv為3 803 m/s，為完整巖體，巖心裂隙發育1～3條/m，透水率為0～1.49 Lu；319.3～323.7 m測段，聲波測試Kv為4 896 m/s，為完整巖體，巖心裂隙發育1～3條/m，透水率為0～0.42 Lu；331.3～335.7 m測段，聲波測試Kv為5 017 m/s，為完整巖體，巖心未見明顯裂隙發育，透水率范圍為0～0.57 Lu；346.3～350.7 m測段，裂隙較發育，透水率范圍為0～1.47 Lu；367.3～371.7 m測段，聲波測試Kv為4 840 m/s，為完整巖體，巖心未見明顯裂隙發育，透水率范圍為0～2.14 Lu；382.3～386.7 m測段，聲波測試Kv為5 019 m/s，為完整巖體，巖心未見明顯裂隙發育，透水率范圍為0～1.46 Lu；402.5～406.7 m測段，裂隙較發育，透水率范圍為 0～1.65 Lu。

綜上，采用測試孔段最大分級壓力計算的透水率范圍為0.42～2.14 Lu（圖5），測試深度范圍巖性主要為微風化-新鮮黑云母花崗巖。按照巖體滲透性分級（透水率0.1～1.0 Lu為微透水，1.0～10.0 Lu為弱透水），得到微透水孔段3段，弱透水7段，因此該鉆孔所在位置巖體整體為弱透水地層。P-Q曲線類型不統一，其中319.3～323.7 m測段為C型（擴張型），即升壓曲線凸向P軸，降壓曲線與升壓曲線基本重合，反映出該測段巖體在長時間的高壓作用下，盡管發生了變形，但并非為不可恢復的永久變形，P-Q曲線仍處于彈性范圍內。其余測段為D型（沖蝕型），即升壓曲線凸向P軸，降壓曲線與升壓曲線不重合，呈順時針環狀，這種巖體變形是永久性、不可逆的，主要是由于裂隙中的充填物被沖蝕調整，導致巖層發生了非彈性變形。

根據水力學計算和管路壓力損失試驗，本工程所用試驗管路為內徑約70 mm的繩索取芯鉆桿，在最大流量狀態下，測試系統管路沿程損失接近0，因此管路壓力損失不計。按照最小劈裂壓力Pmin的取值方法，即節理開始張開、流量明顯啟動時的對應壓力，在265.0～406.7 m深度范圍內，各測段最小劈裂壓力的范圍為6.7～9.2 MPa，均大于工程對應高程位置的1.2倍最大毛水頭（6 MPa），滿足抗劈裂要求。

4高壓隧洞穩定性分析

4.1圍巖條件

高壓引水隧洞的圍巖要承受相對較大的上覆巖體自重、初始地應力以及高內水壓力的作用，其承擔內水壓力的能力主要與2個因素相關：① 圍巖與襯砌材料的變形互饋性，互饋條件越好，圍巖承擔內水壓力的能力越大；② 圍巖變形模量與襯砌材料的彈性模量之比，比值越大即代表圍巖承擔內水壓力的能力越大［5］。該抽水蓄能電站高壓隧洞通過的圍巖巖性主要為印支期-燕山早期的黑云母花崗巖，巖體主要呈中深相巖基或巖株產出，巖體完整（表4）。樞紐區5 km范圍內斷層構造不發育，工程區構造形跡以規模不大的斷層和節理為主，主要為Ⅲ級結構面，個別發育有Ⅱ級結構面，工程地質條件較好，利于高壓引水隧洞圍巖穩定。

4.2抗抬理論準則

抗抬理論準則指高壓引水隧洞沿線必須有足夠厚度的上覆巖體，且最小上覆巖體厚度不包括全、強風化巖體：高壓引水隧洞上覆巖體自重大于或等于內水壓力，以保證圍巖在最大內水壓力作用下不發生抬動［21］。該準則主要用于地質條件較好、巖體堅硬完整、節理裂隙不發育的硬巖工程區，計算公式如下：

γrDcosα >KγwH

式中：γr，γw分別為巖體和水的重度，kN/m3，分別取26.4 kN/m3和10 kN/m3；D為最小覆蓋厚度，m；H為最大內水壓力水頭，m；K為安全系數；α為坡面傾角。

挪威、瑞典等國的設計經驗是隧洞覆蓋比達到0.6～1.0，相當于KN＝1.5以上的安全系數，這一標準現已廣泛用于各類工程實踐。湖南桂陽抽水蓄能電站高壓引水隧洞位于花崗巖體中，地表風化層較薄，因此從地表計算覆蓋厚度D，分別對上平段、上斜段、中平段、下斜段中點，下平段及高壓岔管段中點進行估算，計算結果見表5?？梢钥闯?，由于地形坡度一般為10°～31°，隧洞側向圍巖厚度等于或大于垂直厚度，因此從地形條件上，高壓引水隧洞具有足夠的埋深條件，滿足抗抬理論準則。

4.3最小主應力準則

裂隙巖體的承載能力，即劈裂臨界壓力與節理裂隙的空間展布情況、巖層結構以及原地應力狀態緊密相關［2］。在原地應力、實際水頭壓力長時間作用下，抽水蓄能電站的調壓井、高壓岔管、輸水隧洞圍巖內的各組裂隙是否會產生水力劈裂關系到襯砌結構與圍巖穩定。最小主應力準則建立在巖體中存在構造應力和自重應力的基礎上，其原理是高壓引水隧洞圍巖某一點最小主應力σ3大于該點相應的內水壓力P0，并有1.2～1.3倍的安全系數，從而保證內水壓力不會劈裂圍巖，并由此確定隧洞的襯砌結構類型。湖南桂陽抽水蓄能電站在下平段及高壓岔管位置，最大凈水頭為474 m，最小主應力與內水靜水頭之比約為1.8，滿足抗劈裂要求，在高壓岔管位置建議采用鋼筋混凝土襯砌方案。

4.4圍巖滲透性評價

圍巖滲透性評價是在高壓水流的長時間作用下，評價圍巖是否會產生滲透變形破壞。根據SL 279-2002《水工隧洞設計規范》，鋼筋混凝土襯砌高壓引水隧洞圍巖宜為Ⅰ、Ⅱ類不透水或微透水圍巖，或經高壓灌漿后圍巖透水率小于1.0 Lu，且滿足滲透穩定要求。該抽水蓄能電站根據高壓岔管附近鉆孔高壓壓水試驗成果（表3），巖體透水率在0.42～2.14 Lu之間，平均透水率為 1.27 Lu，屬于弱至微透水巖體，說明高壓岔管及廠房部位圍巖具有較好的抗滲透性能，巖體裂隙不易與周邊裂隙貫通。此外，Ⅱ、Ⅲ類圍巖的水力劈裂臨界壓力（按最小劈裂壓力Pmin判別）一般在6.7～9.2 MPa之間，平均為7.8 MPa，說明高壓管道沿線圍巖的抗滲透能力及抗水力劈裂能力均較好，基本滿足鋼筋混凝土襯砌方案的工程地質及水文地質條件要求。

5結論

通過對湖南桂陽抽水蓄能電站工程區開展高壓壓水及地應力測試，并結合圍巖條件、抗抬理論準則、最小主應力準則、圍巖滲透性評價4個方面，分析了該電站高壓引水隧洞穩定性，得出以下結論。

（1） 工程區水平主應力大小總體上隨深度的增加而增大，3個主應力之間的關系為SH>SZ>Sh，屬于走滑型應力狀態，鉆孔附近地殼淺表層的最大水平主應力方位平均為NW32°，高壓岔管及廠房區域屬中等至低地應力區。高壓壓水試驗結果顯示隧洞圍巖屬于弱至微透水巖體。

（2） 高壓引水隧洞各洞段具有足夠的埋深條件，滿足抗抬理論準則，同時隧洞圍巖的抗滲透能力及抗水力劈裂能力均較好，基本滿足鋼筋混凝土襯砌方案的工程地質及水文地質條件要求。

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（編輯：高小雲）

Stability analysis of high pressure tunnel of Guiyang Pumped Storage Power Station in Hunan Province

WANG Bin1，DONG Zhihong1，LIU Yuankun1，HAN Xiaoyu1，AI Kai1，QI Fang2

（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources，Changjiang River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Information and Communication Company of State Grid Hubei Electric Power Co.，Ltd.，Wuhan 430074，China）

Abstract：?In order to research the stability of the high-pressure tunnel of Guiyang Pumped Storage Power Station in Hunan province，high water-pressure test and in-situ stress test were conducted in the engineering area.The permeability characteristics of the tunnel under high internal water pressure was quantitatively described，and the stress state of the entire engineering area，especially the important engineering parts was analyzed.On this basis，the permeability stability of high-pressure tunnel was evaluated according to the surrounding rock conditions，lifting resistance theory criterion，minimum principal stress criterion and permeability criterion.The results indicated that： ① The magnitude of horizontal principal stresses in the engineering area were generally increased with the increase of depth，and the relationship of the three principal stresses was SH>SZ>Sh，which belonged to the strike-slip stress state.The maximum horizontal principal stress orientation of the shallow crust near the drilling hole was NW32° on average and the high-pressure bifurcated pipe and factory areas belonged to a medium-low stress zone.The high water-pressure test results showed that the surrounding rock of the tunnel belonged to weakly to slightly permeable rock mass.② Each section of the high-pressure tunnel had a sufficient burial depth conditions，meeting the theoretical criteria of uplift resistance.At the same time，the tunnel surrounding rock had a good impermeability and hydraulic fracturing resistance，basically meeting the requirements of the reinforced concrete lining scheme.

Key words：?pumped storage power station； high pressure water diversion tunnel； in-situ stress measurement； high water-pressure test； tunnel stability