湖南省桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性分析

王斌，董志宏，刘元坤，韩晓玉，艾凯，齐放

摘要：为研究湖南桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性，在工程区开展了高压压水试验和地应力测试，定量描述了隧洞围岩在高内水压力作用下的渗透特性，分析了整个工程区特别是重要工程部位的岩体应力状态，在此基础上根据围岩条件、抗抬理论准则、最小主应力准则、渗透准则评价了高压引水隧洞的渗透稳定性。结果表明：① 工程区水平主应力大小总体上随深度的增加而增大，3个主应力之间的关系为SH>SZ>Sh，属于走滑型应力状态，钻孔附近地壳浅表层的最大水平主应力方位平均为NW32°，高压岔管及厂房区域属中等-低地应力区。高压压水试验结果显示隧洞围岩属于弱至微透水岩体；② 高压引水隧洞各洞段具有足够的埋深条件，满足抗抬理论准则，同时隧洞围岩的抗渗透能力及抗水力劈裂能力均较好，基本满足钢筋混凝土衬砌方案的要求。

关键词：抽水蓄能电站； 高压引水隧洞； 地应力测量； 高压压水试验； 隧洞稳定性

中图法分类号：TV672；TV221                    文献标志码：A                DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.03.008

文章编号：1006-0081（2024）03-0047-07

0引言

随着电力供需矛盾日益突出，电网调峰填谷任务日趋繁重，抽水蓄能电站建设因其利于电力资源的可持续开发而得到了快速发展［1］。抽水蓄能电站工作水头较高，常采用高压引水隧洞及高压岔管结构，其围岩往往存在高渗压差、高水力梯度引发的渗透破坏或失稳问题。岩体的透水率及劈裂临界压力是渗流分析及渗控效应评价的基础参数，其与节理裂隙的空间展布情况、岩层结构以及原地应力状态相关［2］。其中，隧洞围岩最小主应力大小既决定围岩抗水力劈裂能力，又是决定高压隧洞及高压岔管能否采用钢筋混凝土衬砌的依据。为了准确掌握岩体在高渗压作用下的渗透特性和渗透稳定性，中国许多已建和在建的抽水蓄能电站均对引水系统围岩进行了现场高压压水试验和地应力测量。周敏等［3］对呼和浩特抽水蓄能电站高岔区岩体进行了钻孔高压压水试验，获得了岩体在不同压力作用下渗透特性的变化规律。蒋中明等［4］结合黑麋峰抽水蓄能电站岩体高压压水试验的渗压及变形测试成果，采用多孔连续介质耦合理论，研究了试验区岩体在压水加压和卸压过程中的孔隙压力和位移变化过程。李永松等［5］针对阳江抽水蓄能电站高压隧洞稳定性问题，在隧洞围岩中开展了高压压水试验，证明了高压隧洞各洞段围岩能完全承受内水压力，给出了采用钢筋混凝土衬砌方案的建议。前人研究成果为了解高压引水隧洞在内水压力作用下岩体的稳定性提供了诸多方法和思路，但大部分研究仅侧重于利用高压压水试验结果计算岩体的透水率，进而研究岩体的渗透特性，较少根据工程区的围岩等级、高压引水隧洞上覆岩体厚度、最小主应力与内水压力的关系等对高压引水隧洞的渗透稳定性进行综合研究。桂阳抽水蓄能电站发电额定水头413 m，输水系统总长约3 826 m，地下厂房区地面高程420～520 m，洞室群埋深350～450 m，相比其他抽水蓄能电站具有输水系统线路长、地下厂房位置埋深大及承受水头压力大的特点，在工程设计中需着重考虑引水隧洞稳定性对电站建设运行的影响。

为了研究湖南省桂阳抽水蓄能电站安全运行时引水线路的围岩稳定性，在工程区地下厂房深钻孔开展了高压压水和地应力试验，并结合工程设计方案定量描述了隧洞围岩在高内水压力作用下的渗透特性，分析了重要工程部位的岩体应力分布。在此基礎上，根据围岩条件、抗抬理论准则、最小主应力准则、渗透准则，全面评价了高压引水隧洞的渗透稳定性，并基于上述结果，讨论了引水隧洞管线的衬砌方案。研究成果可为在建抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性分析提供参考。

王斌 等湖南省桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞稳定性分析

1工程概况

湖南桂阳抽水蓄能电站发电额定水头413 m，初拟装机容量为4×300 MW，总装机容量1 200 MW，发电小时数6 h，枢纽工程由上水库、下水库、输水系统建筑物、地下厂房洞室群、开关站等组成，为日调节电站。输水系统总长约 3 538.1 m，其中引水系统长1 904.2 m，尾水系统长1 633.9 m（图1），地下厂房洞室群埋深350～380 m。工程区位于大义山南部地区华南褶皱系的湘桂褶皱带内，岩性主要为燕山期黑云母花岗岩，属坚硬岩类，围岩类别以Ⅰ、Ⅱ类为主，断层破碎带以Ⅲ类为主，局部夹少量Ⅳ类。

2水压致裂地应力测量方法及结果

水压致裂地应力测量方法是国际岩石力学学会于2003年发布的测定岩石应力的建议方法之一［6］，该方法不需要岩石的力学参数参与计算，并具有操作简便、测试周期短、测试深度大和测试结果可靠等特点，在水电工程、交通工程、能源工程中得到了广泛应用，取得了许多研究成果［7-10］。此次研究中的深钻孔位于湖南省桂阳抽水蓄能电站工程区地下厂房位置，钻孔终孔深度为415.1 m，静水位为30.0 m。钻探岩心揭示岩性为燕山期灰白色黑云母花岗岩，钻孔岩心整体较完整，节长10～200 cm。现场测量主要在100 m以下展开，采用单回路水压致裂地应力测量系统，共计完成12段有效压裂测试和3段有效印模测试。获得的有效压裂曲线均较标准，具有比较明显的破裂压力，且裂缝重张、闭合所对应的压力点清晰明确，可用以确定各压力参数值和水平主应力值。

由实测所得的压力-时间记录曲线可直接得到岩石的破裂压力Pb、瞬时关闭压力Ps以及裂缝的重新张开压力Pr，再根据水压致裂法原理［6］计算出最大水平主应力SH以及垂向应力SZ：

Sh=Ps（1）

SH=3Ps-Pr-P0（2）

SZ=ρgh（3）

式中：Sh为最小水平主应力，MPa；P0为孔隙压力，MPa；ρ为岩石密度，kg/m3；g为重力加速度；h为上覆岩石埋深，m。

利用公式（2）计算最大水平主应力时，Ps的取值误差将放大SH的结果。目前，比较常用的Ps取值方法有单切线法、dp/dt法、dt/dp法、Mauskat方法等［11-12］，本文采用单切线法、dp/dt法、dt/dp法判读关闭压力参数并取平均值［13］。水压致裂地应力测试结果见表1，具体地应力测量压裂曲线见图2。

2.1水平主应力随深度变化规律

基于表1测量结果，在114.3～412.0 m测量深度范围内，统计测段的最大水平主应力为7.6～13.2 MPa，最小水平主应力为4.8～8.8 MPa，垂向应力为3.0～10.9 MPa，各测点的应力分布规律较明显，应力量值随深度呈线性增加。测试深度范围内最大水平主应力方向侧压系数SH/Sz为1.0～2.5，岩体水平应力总体大于垂向应力，随着深度增加，侧压系数总体变小，最小水平应力与垂向应力在量值上逐渐接近，表明垂向应力的作用加强。高压岔管及厂房区域（孔深330～388 m段）最大水平主应力为9.6～11.9 MPa，最小水平主应力值为7.2～8.3 MPa，垂向应力为8.7～10.3 MPa，属中等至低地应力区。对测深范围内结果进行线性拟合，获得水平主应力量值随孔深（H）变化关系如式（4）～（5）所示，并给出研究区的主应力值随深度变化曲线（图3）。整体来看，ZK1钻孔中最大与最小水平主应力值均随测量深度的增加而增加，最大水平主應力值随深度增加的梯度为0.015 0 MPa/m，最小水平主应力值随深度增加的梯度为0.011 9 MPa/m，其线性回归方程为

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为钻孔深度；R2为回归方程相关系数。

为了更好地认识研究区现今的应力状态，将测试结果同南北地震带北段、华北地区、青藏地块以及中国大陆整体的地应力状态研究成果进行了对比分析（表2）。结果表明：研究区总体应力水平低于中国大陆、华北地区及南北地震带北段的应力水平，主要原因可能是研究区地应力状态的形成受区域断裂的影响，是局部构造和区域构造应力场共同作用的结果。由Anderson断层理论［18］，结合图3判断，电站工程区地壳浅部3个主应力间的关系总体表现为SH>SZ>Sh，反映了工程区以水平应力为主导的应力场特征，地应力结构有利于走滑断层的发育和活动。

2.2最大水平主应力方向

采用水压致裂印模系统获得研究区最大水平主应力方向值，结果见表1，应力方向的分布范围为N26°W～N40°W，主应力方向分布较为集中。对比基于GPS观测获得的该区地壳现今速度场方向［19］，发现两者基本一致。已有研究表明，中国构造应力场的分布与其周围板块的动态效应密切相关。中国大陆板块受到外部板块（印度板块和太平洋板块）的推挤，推挤速度为每年数厘米，同时受到了西伯利亚板块和菲律宾板块的约束。在这样的边界条件下，板块发生变形，产生水平挤压应力场。从中国华南区域主压应力场的方向可以看出［20］，湖南地区主要受菲律宾海板块NWW向的推挤作用，其次才受太平洋板块向西俯冲的影响，从菲律宾板块与中国大陆板块的碰撞边界开始，整个华南应力场主要表现出NW～NWW向，与GPS资料显示华南地区现今最大主压应力方向为NW（NWW）～SE（SEE）相吻合。因此本文实测的最大水平主应力方向（NW）与工程区附近的区域应力场方向表现一致。

3高压压水试验方法及结果

高压压水试验是一种在钻孔中进行的岩体原位高压渗透试验，其目的是测定在实际水头压力下岩体的透水率和渗透特性［2］。为研究引水隧洞围岩在高水头作用下的透水性和渗透稳定性、确定围岩承载能力，对工程区ZK1钻孔进行了高压压水测试。测试采用双止水栓塞循环式试验方法。基于NB/T 35113-2018《水电工程钻孔压水试验规程》高压压水试验最多采用11个压力阶段（孔口压力），分别为1.2，2.4，3.6，4.8，6.0，7.0，6.0，4.8，3.6，2.4，1.2 MPa。根据试验测定的压力P和流量Q计算各试验孔段的岩体透水率（q），确定P-Q曲线类型。试验结果见表3，P-Q曲线见图4。

高压压水试验结果显示，265.3～269.7 m测段，声波测试波速Kv为5 025 m/s，为完整岩体，岩心未见明显裂隙发育，透水率范围为0～1.28 Lu；280.3～284.7 m测段，声波测试岩体完整性系数为0.76，为完整岩体，岩心未见明显裂隙发育，透水率为0～0.84 Lu；292.3～296.7 m测段，声波测试Kv为5 025 m/s，为完整岩体，岩心裂隙发育0.5条/m，透水率为0～1.47 Lu；307.3～311.7 m测段，声波测试Kv为3 803 m/s，为完整岩体，岩心裂隙发育1～3条/m，透水率为0～1.49 Lu；319.3～323.7 m测段，声波测试Kv为4 896 m/s，为完整岩体，岩心裂隙发育1～3条/m，透水率为0～0.42 Lu；331.3～335.7 m测段，声波测试Kv为5 017 m/s，为完整岩体，岩心未见明显裂隙发育，透水率范围为0～0.57 Lu；346.3～350.7 m测段，裂隙较发育，透水率范围为0～1.47 Lu；367.3～371.7 m测段，声波测试Kv为4 840 m/s，为完整岩体，岩心未见明显裂隙发育，透水率范围为0～2.14 Lu；382.3～386.7 m测段，声波测试Kv为5 019 m/s，为完整岩体，岩心未见明显裂隙发育，透水率范围为0～1.46 Lu；402.5～406.7 m测段，裂隙较发育，透水率范围为 0～1.65 Lu。

综上，采用测试孔段最大分级压力计算的透水率范围为0.42～2.14 Lu（图5），测试深度范围岩性主要为微风化-新鲜黑云母花岗岩。按照岩体渗透性分级（透水率0.1～1.0 Lu为微透水，1.0～10.0 Lu为弱透水），得到微透水孔段3段，弱透水7段，因此该钻孔所在位置岩体整体为弱透水地层。P-Q曲线类型不统一，其中319.3～323.7 m测段为C型（扩张型），即升压曲线凸向P轴，降压曲线与升压曲线基本重合，反映出该测段岩体在长时间的高压作用下，尽管发生了变形，但并非为不可恢复的永久变形，P-Q曲线仍处于弹性范围内。其余测段为D型（冲蚀型），即升压曲线凸向P轴，降压曲线与升压曲线不重合，呈顺时针环状，这种岩体变形是永久性、不可逆的，主要是由于裂隙中的充填物被冲蚀调整，导致岩层发生了非弹性变形。

根据水力学计算和管路压力损失试验，本工程所用试验管路为内径约70 mm的绳索取芯钻杆，在最大流量状态下，测试系统管路沿程损失接近0，因此管路压力损失不计。按照最小劈裂压力Pmin的取值方法，即节理开始张开、流量明显启动时的对应压力，在265.0～406.7 m深度范围内，各测段最小劈裂压力的范围为6.7～9.2 MPa，均大于工程对应高程位置的1.2倍最大毛水头（6 MPa），满足抗劈裂要求。

4高压隧洞稳定性分析

4.1围岩条件

高压引水隧洞的围岩要承受相对较大的上覆岩体自重、初始地应力以及高内水压力的作用，其承担内水压力的能力主要与2个因素相关：① 围岩与衬砌材料的变形互馈性，互馈条件越好，围岩承担内水压力的能力越大；② 围岩变形模量与衬砌材料的弹性模量之比，比值越大即代表围岩承担内水压力的能力越大［5］。该抽水蓄能电站高压隧洞通过的围岩岩性主要为印支期-燕山早期的黑云母花岗岩，岩体主要呈中深相岩基或岩株产出，岩体完整（表4）。枢纽区5 km范围内断层构造不发育，工程区构造形迹以规模不大的断层和节理为主，主要为Ⅲ级结构面，个别发育有Ⅱ级结构面，工程地质条件较好，利于高压引水隧洞围岩稳定。

4.2抗抬理论准则

抗抬理论准则指高压引水隧洞沿线必须有足够厚度的上覆岩体，且最小上覆岩体厚度不包括全、强风化岩体：高压引水隧洞上覆岩体自重大于或等于内水压力，以保证围岩在最大内水压力作用下不发生抬动［21］。该准则主要用于地质条件较好、岩体坚硬完整、节理裂隙不发育的硬岩工程区，计算公式如下：

γrDcosα >KγwH

式中：γr，γw分别为岩体和水的重度，kN/m3，分别取26.4 kN/m3和10 kN/m3；D为最小覆盖厚度，m；H为最大内水压力水头，m；K为安全系数；α为坡面倾角。

挪威、瑞典等国的设计经验是隧洞覆盖比达到0.6～1.0，相当于KN＝1.5以上的安全系数，这一标准现已广泛用于各类工程实践。湖南桂阳抽水蓄能电站高压引水隧洞位于花岗岩体中，地表风化层较薄，因此从地表计算覆盖厚度D，分别对上平段、上斜段、中平段、下斜段中点，下平段及高压岔管段中点进行估算，计算结果见表5。可以看出，由于地形坡度一般为10°～31°，隧洞侧向围岩厚度等于或大于垂直厚度，因此从地形条件上，高压引水隧洞具有足够的埋深条件，满足抗抬理论准则。

4.3最小主应力准则

裂隙岩体的承载能力，即劈裂临界压力与节理裂隙的空间展布情况、岩层结构以及原地应力状态紧密相关［2］。在原地应力、实际水头压力长时间作用下，抽水蓄能电站的调压井、高压岔管、输水隧洞围岩内的各组裂隙是否会产生水力劈裂关系到衬砌结构与围岩稳定。最小主应力准则建立在岩体中存在构造应力和自重应力的基础上，其原理是高压引水隧洞围岩某一点最小主应力σ3大于该点相应的内水压力P0，并有1.2～1.3倍的安全系数，从而保证内水压力不会劈裂围岩，并由此确定隧洞的衬砌结构类型。湖南桂阳抽水蓄能电站在下平段及高压岔管位置，最大净水头为474 m，最小主应力与内水静水头之比约为1.8，满足抗劈裂要求，在高压岔管位置建议采用钢筋混凝土衬砌方案。

4.4围岩渗透性评价

围岩渗透性评价是在高压水流的长时间作用下，评价围岩是否会产生渗透变形破坏。根据SL 279-2002《水工隧洞设计规范》，钢筋混凝土衬砌高压引水隧洞围岩宜为Ⅰ、Ⅱ类不透水或微透水围岩，或经高压灌浆后围岩透水率小于1.0 Lu，且满足渗透稳定要求。该抽水蓄能电站根据高压岔管附近钻孔高压压水试验成果（表3），岩体透水率在0.42～2.14 Lu之间，平均透水率为 1.27 Lu，属于弱至微透水岩体，说明高压岔管及厂房部位围岩具有较好的抗渗透性能，岩体裂隙不易与周边裂隙贯通。此外，Ⅱ、Ⅲ类围岩的水力劈裂临界压力（按最小劈裂压力Pmin判别）一般在6.7～9.2 MPa之间，平均为7.8 MPa，说明高压管道沿线围岩的抗渗透能力及抗水力劈裂能力均较好，基本满足钢筋混凝土衬砌方案的工程地质及水文地质条件要求。

5结论

通过对湖南桂阳抽水蓄能电站工程区开展高压压水及地应力测试，并结合围岩条件、抗抬理论准则、最小主应力准则、围岩渗透性评价4个方面，分析了该电站高压引水隧洞稳定性，得出以下结论。

（1） 工程区水平主应力大小总体上随深度的增加而增大，3个主应力之间的关系为SH>SZ>Sh，屬于走滑型应力状态，钻孔附近地壳浅表层的最大水平主应力方位平均为NW32°，高压岔管及厂房区域属中等至低地应力区。高压压水试验结果显示隧洞围岩属于弱至微透水岩体。

（2） 高压引水隧洞各洞段具有足够的埋深条件，满足抗抬理论准则，同时隧洞围岩的抗渗透能力及抗水力劈裂能力均较好，基本满足钢筋混凝土衬砌方案的工程地质及水文地质条件要求。

参考文献：

［1］毕宏伟，胡少华，乔彤.高水头抽水蓄能电站高压岔管围岩非线性渗流分析及渗透稳定性研究［J］.水利水电技术，2018，49（6）：171-178.

［2］安其美，赵仕广，丁立丰，等.单回路双栓塞止水压水技术及其应用［J］.水力发电学报，2004，（5）：50-53.

［3］周敏，王忠福，张旭柱.高压压水试验在呼和浩特抽水蓄能电站中的应用［J］.工程勘察，2011，39（8）：55-59.

［4］蔣中明，冯树荣，陈胜宏，等.裂隙岩体高压压水试验水-岩耦合过程数值模拟［J］.岩土力学，2011，32（8）：2500-2506.

［5］李永松，尹健民，艾凯.阳江抽水蓄能电站高压隧洞稳定性分析［J］.人民长江，2009，40（9）：68-70.

［6］HAIMSON B C，CORNET F H.ISRM suggested methods for rockstress estimation-Part 3：hydraulic fracturing（HF）and/orhydraulic testing of pre-existing fractures（HTPF）［J］.International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences，2003，40（7/8）：1011-1020.

［7］HAIMSON B C，RUMMEL F.Hydrofracturing stress measurements in the Iceland research drilling project drill hole at Reydarfjordur，Iceland［J］.Journal of Geophysical Research：Solid Earth，1982，87（B8）：6631-6649.

［8］ZOBACK M D，APEL R，BAUMGRTNER J，et al.Upper-crustal strength inferred from stress measurements to 6 km depth in the KTB borehole［J］.Nature，1993，365：633-635.

［9］费万堂，张练，马雨峰，等.丰宁抽水蓄能电站地下厂房初始地应力场反演［J］.人民长江，2020，51（增1）：112-116.

［10］职承杰，李建贺，张传健.高地应力软岩隧洞开挖扰动特征与规律研究［J］.水利水电快报，2021，42（3）：34-41.

［11］AAMODT L，KURIYAGAWA M.Measurement of instantaneous shut in pressure in crystalline rock［C］∥Workshop on Hydraulic Fracturing Stress Measurements.Monterey：US National Commission on Rock Mechanics，1981，218（4）：715-716.

［12］HAYASHI K，HAIMSON B C.Characteristics of shut-in curves in hydraulic fracturing stress measurements and determination of in situ minimum compressive stress［J］.Journal of Geophysical Research，1991，96（B11）：18311-18321.

［13］MENG W，CHEN Q C，ZHAO Z.Characteristics and implications of the stress state in the Longmen Shan fault zone，eastern margin of the Tibetan Plateau［J］.Tectonophysics，2015，656：1-19.

［14］黄禄渊，杨树新，崔效锋，等.华北地区实测应力特征与断层稳定性分析［J］.岩土力学，2013，34（增1）：204-213.

［15］杨树新，姚瑞，崔效锋，等.中国大陆与各活动地块、南北地震带实测应力特征分析［J］.地球物理学报，2012，55（12）：4207-4217.

［16］王艳华，崔效锋，胡幸平，等.基于原地应力测量数据的中国大陆地壳上部应力状态研究［J］.地球物理学报，2012，55（9）：3016-3027.

［17］景锋，盛谦，张勇慧，等.中国大陆浅层地壳实测地应力分布规律研究［J］.岩石力学与工程学报，2007，26（10）：2057-2062.

［18］ANDERSON E M.The dynamics of faulting［J］.Transactions of the Edinburgh Geological Society，1905，8（3）：387-402.

［19］WANG Q.Present-day crustal deformation in China constrained by Global Positioning System measurements［J］.Science，2001，294（5542）：574-577.

［20］谢富仁，陈群策，崔效锋，等.中国大陆地壳应力环境基础数据库［J］.地球物理学进展，2007，22（1）：131-136.

［21］谷兆棋，李新新，郭军.挪威水电工程经验介绍［M］.挪威：泰比亚出版公司，1985.

（編辑：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