工程实例应用分享

锦屏二级水电站位于四川凉山雅砻江干流上，装机容量4 400MW。电站利用雅砻江150km大河湾的巨大天然落差截弯取直开挖隧洞引水发电。水电站引水隧洞由4条相互平行，开挖直径达13m的有压引水隧洞组成，洞长16.658～16.675km，洞间中心距60m。在引水隧洞右侧60m附近还布置了平行于引水隧洞的2条辅助洞，洞宽5.5～6.0m，高4.5～5.0m。4条引水隧洞，平均埋深1 610m，最大埋深2 525m，埋深大于1 500m的洞段长度占全洞长度的75%。

工程区长期以来地壳急剧抬升，雅砻江急剧下切，山高、谷深、坡陡。地貌上属地形急剧变化地带。因此，原储存于地层深处的大量能量，在地壳迅速抬升后，虽经剥蚀作用使部分能量释放，但仍保留很大部分，因而本地区是地应力相对集中地区，有较充沛的弹性能储备。从区域上分析，工程区位于川藏交界处临近主要的构造带，构造应力强度较高。根据勘探平洞和辅助洞的地应力实测资料，地应力最大量值达42～46MPa。勘探孔钻探时由于高地应力被释放，钻孔岩心均成饼状化，见图2-14。

图2-14　饼状岩心

2.7.3.1　局部应力解除窄缝试验槽的布置

窄缝试验槽布置在辅助洞A洞（方向NE125°）桩号AK08+850m的2＃试验支洞内。洞型为近似3×3m2方形洞，测区围岩为坚硬白云岩。在试验支洞的洞壁上布置了垂直向、水平向和-45°斜向的3个窄缝槽，见图2-15。测量仪表采用常用的位移计，测柱布置在槽中垂线离槽边5cm的位置上，计身通过连接杠杆固定在离槽1m多之远的固定柱上。凿槽采用连续排钻法，深度约50cm左右，成槽后槽的形状见图2-16。实测资料表明当窄缝深度达到1／3～1／2左右槽宽时，凿槽的局部应力已完全解除。实例中窄缝槽长为0.71m，0.65m和0.90m，槽的深长比为0.70，0.77和0.56，都可认为凿槽的局部应力达到完全解除。

2.7.3.2　窄缝局部应力解除的试验结果

凿槽局部应力解除引起的位移实测值见表2-3（向槽方向位移为负），其中3＃槽凿槽位移过程曲线见图2-17。

图2-15　窄缝槽布置示意图

图2-16　成槽后槽的形状

图2-17　3＃槽凿槽的位移过程曲线（从左端向右端凿槽）

表2-3　窄缝局部应力解除的位移值

先行对径向位移分量vρ单独计算，即把表2-3的位移测值作为初值，根据式（2-71）求得的二维应力状态，按式（2-70）推求切向位移分量vθ，然后与表2-3的位移测值进行比较，再逐步调正和修正，最后得到与表2-3实测位移一致的合位移w。调正后的径向位移、切向位移和合位移如表2-4。最后得到的由凿槽局部应力解除获得的岩壁上大、小主应力及大主应力方向列于表2-6。(www.xing528.com)

表2-4　计算调正后的径向位移、切向位移和合位移

2.7.3.3　窄缝法弹模试验和它的拓宽应用

对3个窄缝槽进行现场岩体弹模试验，压力钢枕的最高压力为16MPa，测试结果见表2-5，其中3＃槽压力—位移曲线见图2-18。

在现场窄缝法岩体弹模试验的拓宽应用中，拓宽应用的法向压力Pi，也列于表2-5的最后一列。由此最后一列可知，拓宽应用的法向压力高达62MPa，压力钢枕要施加如此高的压力，目前一般的加工条件还不能达到。

表2-5　窄缝法弹模试验成果和它的拓宽应用的法向压力

图2-18　3＃槽窄缝弹性模量试验曲线

按式（2-80）计算得到σx=23.32MPa，σy=61.92MPa，τxy=5.27MPa，由此得到岩壁上的大、小主应力及大主应力方向，也列于表2-6。

由表2-6可知，洞壁上围岩二维应力状态，窄缝局部应力解除法的实测成果与现场窄缝法岩体弹模试验拓宽应用的实测成果非常一致，大主应力、小主应力和大主应力方向仅相差4.19MPa、0.99MPa和1.22°。虽然窄缝法岩体弹模试验拓宽应用还是虚拟的一种方法，但其实测成果还是能够与窄缝局部应力解除法的实测成果相互印证。

表2-6　岩壁上二维应力状态实测成果

由窄缝局部应力解除法与窄缝法岩体弹模试验拓宽应用的实测成果可知，测量部位岩壁上的二维应力状态，大主应力为辅助洞横截面的切线方向，量值达60MPa左右，小主应力为辅助洞的轴线方向，量值达22MPa左右。因为是岩壁上围岩二维应力测量，与三维地应力测量没有可比性。

只要在该部位凿3个以上不同方向的窄缝槽，同时测量由凿槽引起的变形，就可测定此洞壁上的二维应力状态，简捷又方便。洞壁上的窄缝槽采用特殊角布置形式，例如在工程应用实例中3个窄缝槽以垂直向、水平向和45°斜向布置，可大大简化计算公式，有利于该方法的实施和应用。

接着进行现场窄缝法岩体弹模试验，利用它的试验成果，设想继续提高压力钢枕的压力，使它所引起的变形能完全抵消由凿槽局部应力解除引起的变形，测得假设的窄缝槽中垂线方向的拓宽应用法向应力，然后推求出洞壁上围岩应力。