２０１６年第５期 东北水利水电 水利科研 【文章编号】１００２－－０６２４（２０１６）０５－－００４９－－０３ 灌溉输水洞地应力与岩爆特征分析 陈庚，杨瑞刚，席海军 （中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春１３００２１） ［摘要］论述了旁多灌溉输水洞的地质特征。结合现场实测资料，采用多种方法对灌溉输水洞 区产生岩爆的条件进行分析，并对发生岩爆的可能性进行判定及预测。 ［关键词】岩爆；地应力；深埋隧洞；岩爆特征 ［中图分类号］ＴＶ５４２ ［文献标识码］Ｂ １工程概况 输水洞通过的大部分地段，尤其是深埋地段 旁多水利枢纽工程位于自治区林周县旁 的岩体受地质构造影响小，无断层及褶皱构造，无 多乡拉萨河干流上，是一座以灌溉、发电为主，兼 或地下水很少，岩体完整，性脆，岩质坚硬。 顾防洪和供水等综合利用的大型水利枢纽。 ３钻孔地应力测试情况 工程规模为大（１）型，工程等别为Ｉ等，水库 测试钻孔编号ＺＫ３１７，位于输水洞轴线１＋７４２ 正常蓄水位４ ０９５．０ ｍ，水库总库容１２．３０ｘ１０８ ｍ３， ｍ桩号处，钻孔孔口高程为４ ５４８．２５ ｍ，钻孔深度 电站装机容量１６０ ＭＷ。 为５００．１０ ｍ，穿过洞身进入底板约１２ ｍ。根据岩 ２灌溉输水洞区地质特征 芯的完整性，在钻孔不同深度进行水压致裂地应 ２．１地形地貌 力测试，在该钻孔中，成功进行了８个深度段水 灌溉输水洞区属高山地形，洞身穿越的恰拉山， 压致裂测试和３个测段的印模定向测试，测试结 山顶高程约５ ４００ ｍ。灌溉输水洞总长１６．８８ ｋｍ，其 果见表１。 中深埋洞段约６ ５５０ ｍ（桩号４＋２５０￣１０＋８００ １１３．）， 表１ ＺＫ一３１７孔水压致裂原地应力测量结果 最大埋深约１ ３００ ｍ。 ２．２地层岩性 输水洞区出露的地层主要为白垩系上统林子 宗火山岩组、上三迭系～侏罗系麦隆岗群（砂岩、灰 岩）、石炭系旁多群（Ｃｐｎ）变质岩、燕山晚期花岗岩 及第四系松散堆积层。其中埋深大于５００ ｍ的洞 段围岩主要为新鲜花岗岩。 ２．３地质构造 输水洞区在大地构造上位于青藏滇缅印尼歹 注：Ｒ——岩石破裂压力； 裂缝重张压力； 字型构造头部第二中旋带的雅鲁藏布北旋层与雅 一瞬时闭合压力；呀～岩石孔隙压力；卜岩石抗 鲁藏布北东西向构造相复合的部位。工程场地附 张强度；Ｓ 最大水平主应力；ＳＪＩ＿一最小水平主应力。 近地块结构比较完整，构造相对稳定。 岩石容重取２．６６ ｇ／ｃｍ３。 ·４９· 型型婴 ４钻孔地应力测试结果分析 壅 型 皇一 ２０１６年第５期 灌溉输水洞在ＺＫ３１７孔位置的轴线方向为 ＮＥ２１．３７ｏ，洞身部位实测最大水平主应力方向为 ＮＥ２６￣。最大水平主应力方向与隧道横截面内隧道 侧帮上的正应力 方向的夹角为ａ＝４．６３￣。根据 在钻孔的地应力测试过程中，压力记录曲线 较标准，破裂压力峰值确切、明显，各个循环重复 测量的规律性很强，各个循环测得的压裂参数具 有良好的一致性。 由表１可见，最大水平主应力值为９．１５￣２０．２５ ＭＰａ，最小水平主应力值为５．４９￣１３．０９ ＭＰａ。这一 弹性力学的公式，作用在隧道侧帮上的正应力为： ＝（． Ｓｈ）／２＋（． ）／２ ｃｏｓ２ａ 取４８８．２２￣４８９．０２ ｍ测段的数据Ｓｓ＝２０．２５ 结果反映的是钻孔周边的现今应力状态。 从应力与深度的关系看，应力有随深度增加 而增大的趋势。根据８个测点主应力测值进行线 性回归，结果如下： ＳⅣ＝３．６７＋０．０３３Ｈ ｓｈ＝２．０５＋０．０２２／－／ 垂直主应力可以按其上覆岩层的重力进行估 算。则本孔测试深度域内，最大水平主应力稍大于 垂直应力和最小水平主应力，三向主应力关系为 ＞Ｉｓ ≥．ｓ ，这表明测区以水平主应力作用为主。 该孔在３个压裂段内进行了印模定向。水压 破裂面的方向，即最大水平主应力方向为ＮＩＸＩＥ （见表１）。 ５岩爆预测分析 ５．１钻孔测试结果分析 根据（ＧＢ／Ｔ５０２１８—２０１４）＜工程岩体分级标 准＞，地应力分级见表２。 表２工程岩体强度应力比分级 根据该标准，ＺＫ３１７孔８个测点的岩体强度 应力比评估见表３。 表３ ＺＫ３１７孔岩体强度应力比 ５．２岩爆应力判据 ５．２．１切向应力准则 ·５Ｏ· ＭＰａ，ｓｈ＝１３．０９ ＭＰａ，可以得到： ｇ，＝２０．２０ＭＰａ Ｓｙ＝１２．７４ ＭＰａ 输水洞此处断面形状为圆形，根据圆孔周边 应力集中的计算公式： ｇａ＝３ｇｌ—ｃｒ２ 得到对应测段深度的最大切向应力：ｇ０＝４７．８６ ＭＰａｏ 根据切向应力准则，将围岩的切向应力（ｇｏ）与 岩石的抗压强度（ ）之比，作为判断有无岩爆发 生及岩爆烈度的划分原则： ｃ＜Ｏ．３ 无岩爆 ｇｏ／Ｒｃ介于０．３￣０．５间 轻微岩爆 ｇｏ／Ｒｃ介于０．５－０．７间 中等岩爆 ｇｏ／Ｒｅ￣＞０．７ 强烈岩爆 切向应力准则计算参数及计算结果见表４。 表４切向应力准则计算参数及计算结果 貉 编号 ／ｍ ／Ｍ＆Ｐａ／Ｍ Ｐａ／Ｍｓ Ｐａ／Ｍ Ｐａ ０ Ｌｃ烈度 ＺＫ３１７ ４８８．２２￣４８９．０２ １３５．３３ ２０．２０ １２．７４ ４７．８６ ０．３５４轻微 ５．２．２最大储存弹性应变能指标 岩石储存的最大弹性应变能Ｅ可由岩石单 轴抗压强度 ｃ与岩石的弹性模量Ｅ计算，公式 为： ＝Ｒ ２／（２ ） 最大储存弹性应变能指标Ｅ判别岩爆烈度的 标准如下： Ｅ＜Ｏ．２０ ＭＪ／ｍ３ 无岩爆 ０．２０≤Ｅ＜Ｏ．５０ ＭＪ／ｍ３轻微岩爆 Ｏ．５Ｏ≤Ｅ＜Ｏ．７５ ＭＪ／ｍ￣ 中等岩爆 Ｅ≥０．７５ ＭＪ／ｍ３ 强烈岩爆 最大储存弹性应变能指标计算参数及计算结 果见表５。 表５最大储存弹性应变能指标计算参数及计算结果 ２０１６年第５期 ５．２．３强度脆性系数 东北水利水电 表７岩爆分级表 水利科研 岩石的单轴抗压强度 ｃ与抗拉强度 ｚ之比 月 ＜１ 岩爆分级 极强 称为强度脆性系数 ，它反映了岩石的脆性程度。 计算公式为：Ｂ＝Ｒ，／Ｒ。 国内外已有研究表明： ≥４Ｏ．０ 无岩爆 ２６．７￣Ｂ＜４０．０轻微岩爆 １４．５￣Ｂ＜２６．７中等岩爆 Ｂ＜１４．５ 强烈岩爆 强度脆性系数计算参数及计算结果见表６。 裹６强度脆性系数计算参数及计算结果 结合以上所述的岩爆烈度划分准则，在单纯 的地应力条件下，当输水隧洞在通过ＺＫ３１７孔附 近时，会有轻微岩爆发生或无岩爆发生。 ５．３深埋洞段岩爆预测 根据８个测点主应力测值进行线性回归，结 果如下： ＳＨ＝３．６７＋０．０３３Ｈ Ｓｈ＝２．０５＋０．０２２Ｈ 但上述公式是仅根据埋深１５０￣４９０ ｍ深度域 的测试数据得出的，如果超出这个深度域太多，得 出的结论与实际情况可能会存在较大的误差。在 没有埋深１ ３００ ｍ实测资料的情况下，根据上述 公式可以得到： Ｓｓ＝４６．５７ ＭＰａ Ｓｈ＝３０．６５ ＭＰａ Ｉｓｙ＝３３．８９ ＭＰａ 由此得到此深度的最大切向应力：ｇｏ＝１０６．５５ ＭＰａｏ 此处岩石饱和单轴抗压强度Ｒ。取钻孔 ＺＫ３１７第４～８段的平均值：Ｒｃ＝１５３．８７ ＭＰａ，得ｇｏ／ ｃ＝０．６９２。如果深埋洞段（８＋４６５—９＋９８２）围岩完 整，岩性无变化，根据切向应力准则，此处在开挖 过程中可能发生中等岩爆。 作为对比，根据（ＧＢ ５０２８７—２００６）＜水力发电 工程地质勘察规范＞发生岩爆的临界埋深公式为： 以＝０．３１躲ｃ【１ ）／（３一 ） 其中，以：临界埋深，即发生岩爆的最小埋深，ｍ； Ｒｃ：岩石饱和单轴抗压强度，ＭＰａ； ：泊松比； ：岩 石的重力密度，１０ ｋＮ／ｍ３。 当埋深日≥ 时，岩爆分级见表７。 １— 强烈 ２－４ 中等 ４－７ 轻微 ＞７ 无 取１ ３００ １２１的计算数据为：Ｒｃ＝１５３．８７ ＭＰａ， ＝Ｏ．２７，ｙ＝２．６６ １０ ｋＮ／ｃｍ３，得到Ｈ￣，＝６９９ ｍ。由于 １ ３００ ｍ大于 ，所以会有岩爆的发生。 ＲＪＳＨ＝１５３．８７／４６．５７＝３．３０，岩爆烈度为中等岩 爆。 ５．４隧洞内岩爆的范围及强度 根据上述判据，结合围岩岩性、岩质类型及完 整性情况，初步判定隧洞内围岩岩爆情况见表８。 表８隧洞岩爆的预测情况表 桩号 长度／ｍ 岩性岩质类型围岩类别 蕤 优１ 结束 ５．５实际施工情况对照 旁多水利枢纽工程灌溉输水洞桩号２＋３３２～ １２＋２９０ １３１采用ＴＢＭ全断面硬岩掘进机施工，自 出口向进口方向掘进。截止２０１５年１１月２０日，灌 溉输水洞施工至桩号７＋８５６ ｍ，其中桩号８＋０７８ ｍ￣１０＋８１６ ｍ，出现中等岩爆，造成顶拱及两侧岩 壁多处大面积崩塌，最厚达２．０ ｍ。实际开挖过程 中的岩爆情况与前期预测基本一致。 ６结论 １）根据现场孔内水压致裂试验，洞轴线附近 三向主应力的关系为： ＞ ≥Ｉｓ ，以水平主应力作 用为主。 ２）洞身附近的最大水平主应力为１７～２０ ＭＰａ （埋深４９０ ｍ），岩石原地抗拉强度多为４～５ ＭＰａ。 ３）岩爆作为深埋隧洞的主要工程地质问题之 一，目前虽然基于岩爆理论和破坏机制的研究提 出了许多理论预测预报方法，但由于影响岩爆发 生的因素很多，国内外还没有一套成熟的岩爆预 （下转第６Ｏ页） ·５】 · 壅里 壅 虫 ２０１６年第５期 ５０ ／ｈ为例，单井控制面积约２０ ｈｍ２，当选用３２ 素。支管管径一定时，支管轮灌单元面积越大越经 ｚｍ支管时，控制面积内近１８８个支管轮灌单元， 一济；管径不同时，轮灌单元的经济性随着支管管径 的增大而降低。 在辽宁地区，综合考虑水文地质，系统运行管 次开启分布在不同分干管上阀门１２个，不仅施 工繁琐，而且系统运行时费工：当选用７５ １ＴＵＴ１支 管时，控制面积内近３２个支管轮灌单元，一次仅 能开启分布在不同分干管上阀门２个，除经济性 降低外，系统稳定性也下降，一旦有支管不能正常 理等因素，支管轮灌管径宜选择５ＯⅡｕｎ或６３ １ＴＩＩＴＩ，在集中连片的规模化滴灌工程项目区，支管 轮灌管径宜选择６３ ｍｍ。 ［参考文献］ ［１］赵木林，阮清波．加快高效节水灌溉规模化建设支撑广 工作，直接影响到水泵等设备运行。因此，综合考 虑建议在辽宁地区，当单井控制面积相对较小时， 支管轮灌管径宜选择５０ ｍｍ；当单井控制面积相 对较大时，尤其是在集中连片的规模化滴灌工程 项目区，支管轮灌管径宜选择６３ ｉｒｌｎｌ。 西特色农业可持续发展［１］．节水灌溉，２０１１（９）：１４—１７． ［２］刘荣．浅析干旱区灌区土地联营与节水技术推广一以新 疆呼图壁县大丰镇为例［Ｉ］．水利发展研究，２０１２（１）： ５９－６１，６６． ４结论 在现有工程模式的基础上，对滴灌工程支管轮 灌管径从管道输水能力、管网水力性能和管网投资 等方面进行计算分析和选择，可得到以下结论： １）支管轮灌单元面积受支管管径，当支管 管径分别为３２，５Ｏ，６３，７５ ｒｎｎｌ和９ ０ｍｍ时，适宜控 制最大面积分别为Ｏ．１０７，Ｏ．２６７，０．４３３，０．６１３，０．８８ ［３］魏小抗，谢世龙．从入世后的农业发展趋势谈节水灌溉 的思路［７］．中国农村水利水电，２００４（３）：５－６． ［４］杨光龙，洪亮．支管轮灌滴灌模式在大田应用中的优点 浅述［１］．农业科技与信息，２００８（１０）：４２． ［５］李小勤，王胜聿，杨建文．滴灌系统运行支管轮灌技术 在棉花生产中的应用［１］．农业科技，２００８（２）：２７． ［６］水利部农村水利司，中国灌溉排水发展中心编．微灌工 程技术［Ｍ］．郑州：黄河水利出版社． ［７］夏桂敏，韩建平，迟道才．现代灌溉技术［Ｍ］．哈尔滨： 东北林业大学出版社，２００３． ｈｍ２；当控制单元面积一定时，应选择最小管径。 ２）支管管径一定时，支管轮灌单元内水头差 随着单元面积增大而增加；支管轮灌单元支管管 径不同时，在适宜控制最大面积条件下，单元内水 头差随着支管管径的增大而增加；但在适宜控制 面积范围内，支管轮灌单元内水头差均满足设计 要求。 【基金项尉辽宁西部节水增粮高效灌溉技术集成研究；农业攻关计 划（２０１３２１２００１）：节水滴灌关键技术研究与示范 【收稿日期】２０１５—１１一１０ ３）支管管径是支管轮灌单元经济性的决定因 （上接第５１页） 测理论和方法。各个应力判据中，相互存在不能统 一了施工的安全。同时对实际情况进行了分析，验 的地方，在预报时应采取多种方法，结合工程地 证了岩爆作为一种复杂的地质现象，除了受地应 质条件，综合考虑影响岩爆的因素合理进行岩爆 预测。 力及岩石强度影响外，还跟岩体特征、地质构造、 地下水等各种因素有关。 【收稿日期】２０１６—０１—１０ ４）施工过程隧洞的实际岩爆特征与预测结果 基本一致，由于提前采取了一系列措施，有效保证 ·６０·
