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
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1、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:10.12
2、090/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
3、 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-situstresstestingtechnologywasusedtotesttwoborehole
4、s(500-meterand520-meterdeep)attheTaiyuanpumpedstoragepowerstationinShanxiProvince.Thein-situstressstateofcriticalareaswasobtained,andthegroundstresslevel,undergroundbuildinglayout,andliningformintheprojectareawereanalyzed.Theresultsshowthatthemaximumhorizontalprincipalstressrangesfrom10.98to18.09MPa
5、,theminimumhorizontalprincipalstressfrom6.79to11.32MPa,andtheverticalprincipalstressfrom9.61to13.57MPa.Comparedwiththehighandlowin-situstressvaluesatthenorthandsouthendsofShanxiProvince,respectively,themeasuredvaluesarebetween;Comparedwiththesimulatedin-situstressfieldintheQinshuiBasin,thetestresult
6、sarebasicallyconsistent.Theverticalstressvaluesarebetweenthemaximumhorizontalprincipalstressvaluesandtheminimumhorizontalprincipalstressvalues(SHSvSh),whichmeansthemaximumhorizontalstressatthemeasuringpointisthemaximumprincipalstressandisinthestrike-slipstressstate.ItslateralpressurecoefficientKavis
7、between0.92and1.09,reflectingthatthetectonicactionintheengineeringareaisnotintense.Intherangeof330506meters,thesaturateduniaxialcompressivestrengthofthetwoboreholesisbetwwen35and107MPa,withanaverageof63.79MPa,andtheratioofthesaturatedstrengthtothemaximumprincipalstress(/m)isbetween3.54and5.81,belong
8、ingtothemediumhighstresslevel.ThedirectionofthemaximumhorizontalprincipalstressintheprojectareaisNE43toNE70.5,andtheaverageisNE59.5,consistentwiththeregionalfocalmechanismsolutionandGPSdisplacementdata.Fromtheperspectiveofin-situstressorientation,theaveragedirectionofthemaximumprincipalstressintheen
9、gineeringareaisNE59.5,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
10、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
11、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
12、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.
13、,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
14、,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
15、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
16、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
17、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
18、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;4Hanhouli
19、ngtransverseuplift;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
20、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
21、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
22、图Fig.2Schematicdiagramofformationlithologyandlayoutofhubfacilitiesintheengineeringareaofpumpedstoragepowerstation(a)Schematicdiagramofstratumlithologyintheprojectareaofthepumpedstoragepowerstation;(b)Schematicdiagramofthepivotfacilitylayoutofthepumpedstoragepowerstation378地质力学学报https:/2023内、外的水位差影响,
23、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
24、;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;7dril
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