太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用.pdf

白金朋，董延安，甘俊，等，2023.太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用 J.地质力学学报，29（3）：375387.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232907Citation:BAIJP，DONGYA，GANJ，etal.，2023.In-situstressstateincriticalareasoftheTaiyuanpumpedstoragepowerstationanditsapplicationinpivotprojectlayoutJ.JournalofGeomechanics，29（3）：375387.DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.20232907太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用白金朋1，董延安1，甘俊1，赵晓阳1，李红利1，柴宝2BAIJinpeng1，DONGYanan1，GANJun1，ZHAOXiaoyang1，LIHongli1，CHAIBao21.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024；2.山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西太原0300241.Beijing Engineering Corporation Limited,Beijing 100024,China;2.Shanxi Water Conservancy and Hydropower Survey,Design and Research Institute Co.,Ltd,Taiyuan 030024,Shanxi,ChinaIn-situ stress state in critical areas of the Taiyuan pumped storage power station and its applicationin pivot project layoutRbAbstract:Thehydraulicfracturingin-situstresstestingtechnologywasusedtotesttwoboreholes(500-meterand520-meterdeep)attheTaiyuanpumpedstoragepowerstationinShanxiProvince.Thein-situstressstateofcriticalareaswasobtained,andthegroundstresslevel,undergroundbuildinglayout,andliningformintheprojectareawereanalyzed.Theresultsshowthatthemaximumhorizontalprincipalstressrangesfrom10.98to18.09MPa,theminimumhorizontalprincipalstressfrom6.79to11.32MPa,andtheverticalprincipalstressfrom9.61to13.57MPa.Comparedwiththehighandlowin-situstressvaluesatthenorthandsouthendsofShanxiProvince,respectively,themeasuredvaluesarebetween;Comparedwiththesimulatedin-situstressfieldintheQinshuiBasin,thetestresultsarebasicallyconsistent.Theverticalstressvaluesarebetweenthemaximumhorizontalprincipalstressvaluesandtheminimumhorizontalprincipalstressvalues(SHSvSh),whichmeansthemaximumhorizontalstressatthemeasuringpointisthemaximumprincipalstressandisinthestrike-slipstressstate.ItslateralpressurecoefficientKavisbetween0.92and1.09,reflectingthatthetectonicactionintheengineeringareaisnotintense.Intherangeof330506meters,thesaturateduniaxialcompressivestrengthofthetwoboreholesisbetwwen35and107MPa,withanaverageof63.79MPa,andtheratioofthesaturatedstrengthtothemaximumprincipalstress(/m)isbetween3.54and5.81,belongingtothemediumhighstresslevel.ThedirectionofthemaximumhorizontalprincipalstressintheprojectareaisNE43toNE70.5,andtheaverageisNE59.5,consistentwiththeregionalfocalmechanismsolutionandGPSdisplacementdata.Fromtheperspectiveofin-situstressorientation,theaveragedirectionofthemaximumprincipalstressintheengineeringareaisNE59.5,andthedirectionofthelongaxisoftheundergroundpowerhouseisbetweenNE29.5andNE89.5,whichisconducivetothestabilityofthesurroundingrockofthepowerhouse.ThemaximumwaterheadPHoftheundergroundhubprojectisabout4.62MPa(i.e.,PHSvSh），即测点的最大水平应力即最大主应力，且处于走滑型应力状态，其侧压系数Kav为 0.921.09，反映出工程区构造作用不强烈；2 个钻孔 330506m 范围内岩石饱和单轴抗压强度（Rb）为 35.00107.00MPa，平均为 63.79MPa，岩石饱和单轴抗压强度与最大主应力比值（Rb/m）为3.545.81，属于中高应力水平；工程区最大水平主应力方向为 NE43NE70.5，平均为 NE59.5，与区域震源机制解、GPS 位移资料研究结果一致；从地应力方位考虑，地下厂房长轴线方向位于 NE29.5NE89.5之间，有利于厂房的围岩稳定；地下枢纽工程最大水头 PH约为 4.62MPa，小于最小主应力值 3（6.7911.32MPa），基于水力劈裂准则可知，岩体本身具有足够抵抗最大内水压力能力，输水隧洞采用钢筋混凝土衬砌，能够满足输水隧洞的稳定性。该研究成果可在抽水蓄能电站工程勘察、设计中推广使用。关键词：水压致裂法；地应力；主应力方向；地下厂房轴线；输水隧洞衬砌中图分类号：P315.72+7文献标识码：A文章编号：10066616（2023）03037513DOI：10.12090/j.issn.1006-6616.202329070引言国家“十四五”发展规划提出了“双碳”目标，中国抽水蓄能电站规划建设需求得到快速增长。截 至 2021 年 底，已 建 成 抽 水 蓄 能 电 站 装 机 容 量3640 万千瓦，2030 年将达到 12000 万千瓦（韩冬等，2022），故抽水蓄能电站是中国未来清洁能源重要的发展方向。太原抽水蓄能电站为山西省“十四五”期间重点实施项目，该电站建成后，可为太原地区供电调峰提供有力保障，而现今地应力状态（大小和方向）是抽水蓄能电站关键枢纽工程布设的重要依据。水压致裂地应力测试技术是获取现今地应力状态最有效的原位测试方法之一。该技术作为国际岩石力学学会（ISRM）推荐的地应力测量方法（BrownandHoek,1978；蔡美峰等，1995；HaimsonandCornet,2003），具有基础理论完善、测试过程简单、资料整理方便、测试数据直接判读计算等优点，已在水电、铁路、矿山、地灾与地震研究等领域中广泛应用（Caietal.,2009；Pengetal.,2009；康红普等，2010；白 金 朋 等，2013；乔 二 伟 等，2019；孟 文 等，2021，2022；丰成君等，2022；李彬等，2022；张重远等，2022；张宁等，2022）。然而，现场地应力测试受孔内各种不利因素限制，如孔壁原生裂隙、干孔等，有可能会失败。针对干孔卸压问题，国内众多学者开展了相关研究工作（罗超文等，2018；李阿伟等，2019；孙东生等，2019；吴满路和孙林，2019；张小林等，2021），虽然取得了一定的成效，但未从根本上解决问题。而抽水蓄能电站通常会利用现有水库和附近的高山地势，获取地下厂房和输水隧洞等枢纽地下工程的地应力状态，测试孔往往布设在半山坡上，致使孔内水位较深，封隔器回收较为困难，对地应力测试工作非常不利，故需要基于现有经验来研究干孔的卸压装置。地应力状态是地下厂房轴线方位、输水隧洞衬砌形式等水电地下构筑物设计的重要地质依据。太原抽水蓄能电站地下工程主要有上下库出水口、输水隧洞和地下厂房。其上库进水口高程 1333m，下库出水口高程 875m；输水隧洞全长约 2600m，最大 水 头 压 力 4.62MPa；地 下 厂 房 设 计 尺 寸（长 宽高）：177m27m58m。故较长距离输水隧洞和超大地下厂房是该水电工程的核心建筑物，而地应力是影响水电枢纽工程布设的重要因素。文章拟采用水压致裂地应力测试技术，创新干孔卸压装置，获得工程区关键部位地应力状态及其随深度的变化规律，指导地下厂房布置设计和输水隧洞衬砌形式选择。该技术和研究成果可在抽水蓄能电站工程勘察、规划设计过程中推广使用。376地质力学学报https:/20231区域地质背景 1.1大地构造工程区地质构造单元属于吕梁山断块隆起区（II），形成于晋中新裂陷太原断陷盆地（III3）、恒山五台山隆起区（IV1）和吕梁山隆起区（II）的交汇部位（图 1），位于古交掀斜地块内（柴宝等，2022）。工程区内无区域性断裂构造。1.2地层岩性工程区及其周缘地层出露有下古生界寒武系中统（2）结晶灰岩、鲕状灰岩，寒武系上统（3）页岩、灰岩、竹叶状灰岩、泥质条带灰岩、白云岩等，大面积分布于汾河两岸、西北部及晋祠。奥陶系下统（O1）中厚层状白云岩夹泥质白云岩与页岩、竹叶状白云岩和深灰色白云岩、页岩互层夹燧石条带和结核，分布于下槐村至兰村沟口两侧及大留至西关口一带；中统（O2）灰黄色泥灰岩及角砾状泥灰岩，深灰色中厚层状灰岩，深灰色灰岩与灰黄色泥灰岩互层。第四系中更新统（Q2）浅红色亚黏土，含有钙质结核，底部为砂砾石层，上更新统（Q3）以浅黄色亚砂土为主，底部为砂砾石层（图 2a）。AD 剖面显示，抽水蓄能电站枢纽工程的重要水电设施为输水隧洞与地下厂房（图 2b）。输水隧洞穿越的地层主要岩性为第四系中更新统、上更新统的砂土、砂砾石层、奥陶系灰岩及泥灰岩。其中，灰岩、泥灰岩段围岩类别以类为主，局部岩溶及节理裂隙较发育段为类，泥灰岩、岩溶发育及节理裂隙密集段围岩类别为类；地下厂房埋深约 350m，围岩为奥陶系中统上马家沟组灰岩、白云质灰岩及泥灰岩，汾河黄河1115233422古交娄烦岚县阳泉昔阳灵石宁武榆社大宁沁县沁源襄桓和顺祁县离石太原榆次太谷寿阳永和交口临县兴县020406080 100 km断裂带河流新构造分区线省会工程区地名图 例构造分区及编号推测断裂带N110 E39 N38 N37 N111 E112 E113 E114 E鄂尔多斯断块隆起区；吕梁山断块隆起区，汾渭断陷带；1大同断陷盆地；2忻定断陷盆地；3晋中新裂陷太原断陷盆地；4韩侯岭横向隆起；太行山断块隆起区；1恒山、五台山隆起区；2晋东南太行山隆起区；3太岳山隆起区；5临汾断陷盆地图1工程区及其周缘区域地质构造特征Fig.1GeologicalandtectoniccharacteristicsoftheprojectareaanditssurroundingareaErdosblockupwarping;Lyuliangshanblockupwarping,Fenweifaultdepressionbasin;1Datongfaultbasin;2Xiningfaultbasin;3NewRiftzoneTaiyuanfaultbasinincentralShanxi;4Hanhoulingtransverseuplift;Taihangshanfaultblockupwarping;1HengshanWutaishanupliftzone;2TaihangshanupliftzoneinsoutheasternShanxi;3Taiyueshanupliftarea;5Linfenfaultbasin第3期白金朋，等：太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用377呈微风化至新鲜状态，岩体质量较好，类别以类为主。2计算公式与卸压技术 2.1测试技术理论基础PsPrP0SHShSv由于该测试技术比较成熟，关于测试理论推导，在此不再赘述。文章采用水压致裂法进行地应力测试，得到关泵压力、重张压力；利用测试孔的水位换算出孔隙水压力，再利用式（1）和式（2）计算出最大水平主应力值和最小水平主应力值；利用式（3）计算测段的上覆岩体重量，进而获得垂直主应力值（蔡美峰等，1995；景锋等，2008）。SH=3PsPrP0（1）Sh=Ps（2）Sv=gd（3）PsPrP0gdSHShSv式 中：关 泵 压 力，MPa；重 张 压 力，MPa；孔 隙 水 压 力，MPa；上 覆 岩 层 密 度，kg/m3；重力加速度，取值 9.8m/s2；测段位置的深度，m；最大水平主应力，MPa；最小水平主应力值，MPa；垂直主应力，MPa。2.2钻孔低水位卸压技术通常压裂测段完成后，卸压装置处于保压过水状态。但在低水位测试孔中，受钻杆（高压管道）14001300120011001000900800700海拔/m050010001500200025003000长度/mZK01ZK02上库下库地下厂房输水隧洞Q2+3Q2+3ABO2O1O2O2O2CD亚砂土、砂砾石层泥灰岩、灰岩互层层状白云岩图 例ZK02地应力孔及编号0200400600 mSWNabADZK01ZK02Q2+3O2O1导流洞下库输水隧道Q2+3O2地下厂房0200400600 ma抽水蓄能电站工程区地层岩性示意图；b抽水蓄能电站工程枢纽设施布设示意图图2抽水蓄能电站工程区地层岩性及枢纽设施布设示意图Fig.2Schematicdiagramofformationlithologyandlayoutofhubfacilitiesintheengineeringareaofpumpedstoragepowerstation(a)Schematicdiagramofstratumlithologyintheprojectareaofthepumpedstoragepowerstation;(b)Schematicdiagramofthepivotfacilitylayoutofthepumpedstoragepowerstation378地质力学学报https:/2023内、外的水位差影响，封隔栓塞仍然处于膨胀状态，与钻孔壁紧密接触，摩擦力非常大，若不采取措施直接提升，可能使孔口钻机、提升器和提升钻杆受力过限，面临巨大的威胁。由于该工程上下库水头压差大（海拔差约 460m）、枢纽工程（输水隧洞、地下厂房等）埋深大、勘探钻孔水位低（水位 360420m）等特点，可能会引起水压致裂地应力测试井下装备不易回收的现象。结合工程特点，文章研发了适用于水压致裂地应力测试系统（图 3）的新型干孔卸压装置（图 4）。1413121110987615161718191534321封隔栓塞组件卸压装置；2无水钻孔；3封隔栓塞组件；4压裂测试段；5推拉开关；6钻杆；7钻机；8钻塔；9钢丝绳；10提升器；11数据线；12笔记本电脑；13高压泵；14水箱；15电 子 流 量 计；16高 压 泵 泵 头、压 力 表；17数 字 压 力 计；18高压管路；19钻杆接头图3单回路水压致裂地应力测试系统示意图Fig.3Schematicdiagramofsingle-loophydraulicfracturingin-situstresstestsystem1pressure relief device for packers;2waterless borehole;3packers;4fracturing test section;5push-pull switch;6drillpipe;7drillrig;8drilltower;9steelwirerope;10hoist;11dataline;12laptop;13pump;14watertank;15flowmeter;16pumphead/pressure gauge;17digital pressure gauge;18pipeline;19drillpipeconnector该卸压装置主要工作原理：测段压裂完成后，将过水支撑端子底部环形台阶（115）与上限位套筒（120）相向运动，压缩承重弹簧（130），直至过水支撑端子中部环形限位台阶（114）卡在上限位套筒（120）内侧端部，无法继续相向移动，这样过水支撑端子的过水孔（111）、镀铬芯轴（140）的径向过水孔（142）与上限位套筒的泄水孔（122）连通，装置上方钻杆内的水从上限位套筒的泄水孔快速泄出，待水泄完后下放设备，再使卸压装置恢复至保压过水状态（图 4）。通过上述卸压装置，可将钻杆内的水泄出，减小钻杆内外水位压力差，削弱水位差的影响，以便封隔栓塞收缩至正常状态，降低其与钻孔孔壁之间的摩擦力，可解决由于测试孔水位低、钻杆内外压力差大导致的封隔栓塞收缩不彻底等技术难题。120110111112114115141140142130121122151150161162160120130121122151150161162160110111112114115141140142（a）保压过水状态（b）卸压泄水状态110过水支撑端子；111轴向过水孔；112紧固卡台；114中部环 形 限 位 台 阶；115底 部 环 形 支 撑 台 阶；120上 限 位 套 筒；121扳手卡台；122无螺纹泄水孔；130承重弹簧；140镀铬芯轴；141轴 向 过 水 孔；142径 向 过 水 孔；150中 间 连 接 件；151“O”型密封圈；160下部过水连接件；161“O”型密封圈；162过水孔图4干孔水压致裂地应力测试卸压装置结构示意图Fig.4Schematicdiagramofthepressurereliefdevicestructurefordryporehydraulicfracturingstresstest110water-throughsupportterminal;111axialwater-throughhole;112fasteningcard;114middleringlimitstep;115bottomringsupport step;120 upper limit sleeve;121 wrench clip;122 threadless drain hole;130 load-bearing spring;140 chromemandrel;141 axial water-through hole;142 radial water-throughhole;150middleconnector;151“O”-typesealring;160lowerwater-through connector;161 “O”-type seal ring.162 water-throughhole第3期白金朋，等：太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用3793水压致裂地应力测试 3.1测试孔概况与测试段选择太原抽水蓄能电站沿枢纽工程布设了 ZK01 和ZK02 共 2 个地应力钻孔，孔间距约 1.0km。其中，ZK01 钻孔位于输水隧洞的中部，孔深 500.0m，水位420.0m，揭露主要岩性为亚砂土、砂砾石层、泥灰岩和灰岩；ZK02 钻孔位于地下厂房，孔深 520.0m，水位 360.0m，揭露主要岩性为泥灰岩和灰岩，为获得枢纽工程关键部位地应力状态奠定了工作基础（图 2）。通过 ZK01 和 ZK02 钻孔的岩芯完整性分析，分别在 355.7480.2m 和 421.5502.1m 深度范围内岩芯较为完整孔段各选出 6 段作为压裂测试段（赵晓阳等，2022）。3.2地应力测试数据可靠性分析文章采用单回路水压致裂地应力测试技术，完成了太原抽水蓄能电站地下厂房和输水隧洞附近2 个钻孔的原位地应力测试工作，获得了典型的标准压裂曲线，破裂压力（Pb）峰值明显，重张压力（Pr）具有可重复性（图 5），表明测得的数据可靠，为研判地下厂房区（长度 170m）和输水隧洞（长度约 2.6km）0246810024681005101520ZK01-f（480.2 m）ZK01-a（355.7 m）ZK01-b（370.7 m）ZK01-d（453.6 m）ZK02-a(421.5 m）ZK02-b(438.6 m）ZK02-c（467.4 m）ZK02-d（493.5 m）05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa05101520压力/MPa时间/min时间/min02468100246810时间/min时间/min02468100246810时间/min时间/min02468100246810时间/min时间/min02468100246810时间/min时间/min02468100246810时间/min时间/min05101520压力/MPa流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）05101520流量/（L/min）ZK01-c（388.9 m）ZK01-e（472.2 m）ZK02-e（497.3 m）ZK02-f（502.1 m）（a）ZK01 钻孔 6 测段（b）ZK02 钻孔 6 测段图例压裂压力瞬时流量图5水压致裂压力及瞬时流量测试曲线Fig.5Curvesofhydraulicfracturingstressandinstantaneousflow380地质力学学报https:/2023的地应力状态及其随深度的分布规律提供了实测数据。3.3地应力测试结果在 2 个孔测试深度（355.7502.1m）范围内，基于原位地应力实测数据，计算出 2 个测点的主应力值、主应力方向及相关侧压系数。其中，最大水平主应力值为 10.9818.09MPa，最小水平主应力值为 6.7911.32MPa，垂直主应力值介于最大和最小水平主应力值之间。另外，通过印模定向装置，获得工程区测点的最大水平主应力方向为 NE43NE70.5，平均为 NE59.5（表 1）。表1地应力测试结果Table1In-situstresstestresults孔号测段位置/m主应力值/MPa最大水平与垂直主应力比值KHv最小水平与垂直主应力比值Khv最大与最小水平主应力比值KHh侧压系数Kav最大水平主应力SH方向最大水平主应力SH最小水平主应力Sh垂直主应力SvZK01355.710.986.799.611.140.711.620.92370.512.177.1310.011.220.711.710.96NE43388.912.737.6110.511.210.721.670.97453.617.059.7512.261.390.801.751.09472.217.0310.1312.761.330.791.681.06NE65480.218.0910.0112.971.390.771.801.08ZK02421.512.128.4211.391.060.741.440.90438.614.498.8911.861.220.751.630.99467.415.489.3812.631.230.741.650.98493.515.549.5413.341.170.721.630.94NE70.5497.316.6710.1713.441.240.761.641.00502.117.6211.3213.571.300.831.561.074地应力测试结果分析 4.1主应力与深度关系通过对最大、最小水平主应力进行线性拟合，得到水平主应力回归方程为：SH=0.043H4.309（4）Sh=0.026H2.433（5）式中：H钻孔深度，m。实测主应力值随深度变化特征常常具有呈线性增加的趋势，通过分析实测地应力值随深度的变化规律，可推测区域构造应力场随深度的分布特征，一般采用线性回归方程进行量化表征（包林海等，2017）。基于太原抽水蓄能电站测点的主应力数据，绘制出最大、最小水平主应力和垂直主应力随深度变化关系图（图 6），可知最大水平主应力为测点最大主应力，且主应力关系为 SHSvSh，表明测点为走滑应力状态。4.2测点的侧压系数Hoek-Brown 用平均水平应力和垂直应力的比值（即侧压系数）来表征岩体地应力状态一个物理量，如式（6）所示。Kav=(SH+Sh)/2Sv（6）基于工程区 2 个测点实测主应力数据，计算出侧压系数 Kav在 0.921.09 之间（表 1），获得侧压系数（Kav）随深度分布特征。由侧压系数 Kav1 表示水平应力起主导作用、Kav1 表示垂直应力起主导作用可知，工程区内水平构造应力作用并不强烈。通48121620Sh=0.026H2.433Sv=0.027HSH=0.043H4.309主应力值/MPa250300350400450500550600埋深/mSHShSv图6主应力随深度变化曲线Fig.6Principalstresscurveswithdepth第3期白金朋，等：太原抽水蓄能电站关键部位地应力状态及其在枢纽工程布设中的应用381过分析工程区的位置和最大主应力方向（北东向）发现，该工程区 2 个测点均位于下库的左岸，且距离库岸临空面（北东向）分别为 100m 和 1000m，推测受临空面影响，测点的最小水平主应力（北西南东向）积累能量有限，水平构造应力作用不强。同时，将工程区获得的侧压系数绘制于杨树新等（2012）统计的华北地块 Kav变化趋势线和变化范围包络线中，可以看出工程区内测得的 Kav值全部在包络线范围内，并沿华北地块 Kav的趋势线分布，具有良好的一致性（图 7）。0100200300400500600012345此次工程测试 Kav华北地块 Kav 变化趋势线华北地块 Kav 上包线华北地块 Kav 下包线侧压系数 Kav埋深/mKav=31.4/H+0.382Kav=135.32/H+0.692Kav=247.40/H+1.078图7侧压系数随深度变化曲线（据杨树新等，2012 修改）Fig.7Lateralpressurecoefficientwithdepth(modifiedfromYangetal.2012)4.3主应力量级分级基于水力发电工程地质勘察规范（GB502872016）最大主应力量级分级标准（中华人民共和国住房和城乡建设部，2016；吕城腾，2020），对岩石的最大主应力值（m）和岩石饱和抗压强度应力比值法（Rb/m）进行综合评判（表 2）。依据后者既可进行岩爆等级分类，又可评价岩体最大主应力水平；用两个分级标准同时进行岩体应力水平判别时，若不在同一级别应力水平，从安全考虑，通常采用高等级应力分级指标作为判别结果。表2岩体应力分级表Table2Initialstressclassificationofrockmass应力分级最大主应力值m/MPa岩石强度应力比Rb/m极高地应力m402高地应力20m4024中等地应力10m2047低地应力m7注：Rb为岩石饱和单轴抗压强度，MPa；m为最大主应力，MPaRb利用太原抽水蓄能电站工程区 2 个测试孔中330506m 不同测段深度获取的 8 组岩心样品，开展室内岩石力学性质测试（柴宝等，2022）。结果表明：岩石饱和单轴抗压强度为 35.00107.00MPa，平均饱和抗压强度（）为 63.79MPa（图 8）。地应力测试结果显示测点范围内最大主应力就是最大水平主应力（即 m=SH），计算结果列于表 3 中。0100200300400500600平均饱和强度 63.79 MPa20406080100120140饱和抗压强度/MPa埋深/m图8工程区岩石饱和抗压强度与深度的关系Fig.8Relationbetweensaturatedcompressivestrengthanddepthofrocksintheprojectarea由表 3 可以看出，测量深度范围内最大主应力均在 10m20 范围内，属于中等地应力水平；而岩石饱和强度应力比 Rb/m为 3.545.81，部分数值在34 之间，综合判定工程区地应力总体为中等地应力级别，局部处于高地应力水平。5地应力状态在水电地下工程中的应用 5.1地应力在地下厂房布置设计中的应用抽水蓄能电站地下厂房具有跨度大、埋深大等特点，其工程布置关系到工程的稳定性，故如何合理布设水电枢纽地下工程是工程勘察设计的主要研究内容之一。根据工程区地质构造以及岩体应力分布情况，结合工程形状、大小等因素进行综合分析，确定地下厂房长轴线方向。从工程地质角度来说，地下厂房的长轴线方向应与工程区最大主应力方位呈小角度相交（一般小于 30），有利于地下厂房工程稳定（郭启良等，2002;李永松等，2006;尹健民等，2008;叶更强等，2015;刘录君等，2016）。工程区主应力量级分析结果显示，局部属于高应力级别，而最大主应力方向平均为 NE59.5，故地下厂房的长轴线布设在 NE29.5NE89.5之间，有利于厂房围岩稳定。382地质力学学报https:/2023 5.2地应力状态在输水隧洞衬砌设计中的应用输水隧洞衬砌形式主要有钢筋混凝土衬砌和钢管衬砌。其中，钢筋混凝土衬砌成本低、施工方便；钢管衬砌安全可靠、成本较高。通常输水隧洞的衬砌设计主要考虑工程区地质构造条件、抗抬理论经验准则和水力劈裂准则等（李永松等，2006；尹健民等，2008）。其中，水力劈裂准则即最小主应力准则，要求引水洞线上任一点的内水压力都不大于岩体中的最小主应力。因此，工程区最小主应力是输水隧洞衬砌设计的重要技术参数。若不考虑最小主应力或主应力偏低，均会给工程后期运营带来不安全因素，甚至造成巨大损失。例如，河南某抽水蓄能电站输水隧洞采用钢筋混凝土衬砌，由于电站运行过程中渗漏量较大，对输水隧洞的上斜井采用了内套钢衬处理措施（王洋和朱建峰，2012；陈冬冬和牛正威，2017），大幅增加了运行维护成本，故依据地应力测试结果合理选择输水隧洞衬砌形式，对水电工程后期运营维护非常重要。工程区测点的最小水平主应力为最小主应力（即 Sh=3），故最小主应力值 3为 6.7911.32MPa。而 枢 纽 工 程 的 最 大 水 头 PH约 为 4.62MPa，显 然PHSvSh，为走滑型应力状态。（2）工程区最大水平主应力方向为 NE43NE70.5，平均为 NE59.5，与所在区域震源机制解、GPS 位移资料研究结果一致。Rb（3）通过 2 个地应力孔 330506m 范围内 8 组岩石样品室内岩石力学测试，获得饱和岩石单轴抗压强度为 35107MPa；岩石饱和单轴强度与最大主应力比值（/m）为3.545.81，属于中高应力水平。（4）从主应力方向考虑，工程区最大主应力方向平均为 NE59.5，地下厂房长轴线方向位于 NE29.5NE89.5之间，有利于厂房的围岩稳定。（5）枢纽工程最大水头 PH约 4.62MPa（即 PH3），基于水力劈裂准则可知，岩体本身具有足够抵抗最大内水压力的能力，输水隧洞具备采用钢筋混凝土衬砌的条件，且能满足输水隧洞的稳定性。此次测试属于工程预可研阶段初步掌握地应力状态。主要围绕水电工程关键部位开展了 2 个孔的地应力测试工作，获得了地应力实测数据，基本能够代表工程区的地应力状态，但要精细化了解工程区地应力状态及其分布特征，需要增加地应力测试、数值模拟等工作。随着地下厂房勘探平硐开挖和详勘阶段勘探工作的深入，工程区地应力测孔数量增加和地应力反演分析，能够更加全面地了解工程区的地应力分布状态及其分布规律。在地下厂房布置设计和输水隧洞衬砌形式选择方面，文章仅从地应力因素考虑，未结合地下枢纽工程设施的围岩类别、地质构造、节理裂隙等因素进行综合分析，可在下步工作中开展。致谢：研究工作得到山西省水利水电勘测设计研究院有限公司的郝永刚正高级工程师、张许平正高级工程师、刘占平工程师和相关技术人员的大力支持。同时，也得到中国地质科学院地质力学研究所彭华老师、马秀敏老师的悉心指导，在此表示衷心感谢！ReferencesBAIJP,PENGH,MAXM,etal.，2013.Hollowinclusionstraingaugegeo-stress measuring instrument in deep borehole and its applicationexampleJ.Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，32（5）：902-908.（inChinesewithEnglishabstract）BAOLH,DUY,GUOQL,etal.，2017.In-situstressmeasurementandre-searchontectonicstressfielddistributionlawofChengdu-Lanzhourail-wayJ.JournalofGeomechanics，23（5）：734-742.（inChinesewithEnglishabstract）BROWNET,HOEKE，1978.Trendsinrelationshipsbetweenmeasuredin-situstressesanddepthJ.InternationalJournalofRockMechanicsandMiningSciences&GeomechanicsAbstracts，15（4）：211-215.CAIMF,QIAOL,LIHB,1995.Rock-stressmeasurementprinciplesandtechniquesM.Beijing:SciencePress:1-27.(inChinese)CAIMF,PENGH,MAXM,etal.，20