三峡工程永久船闸二期开挖后岩体应力动态变化实例分析

在本实例中，对实测数据整理采用一个重要措施，就是利用围压加载试验成果对解除应变实测值进行修正。

三峡工程永久船闸开挖后，因开挖卸荷的影响，船闸区的岩体应力场受到扰动，岩体应力重新分布。为了准确了解船闸区岩体应力状态的动态变化情况，长江科学院于1999年8—10月在船闸南坡3号排水洞（底板高程113m）相应于二闸室和三闸室部位的3个水平向钻孔中进行了岩体应力测量，以研究船闸施工开挖完成后岩体应力的动态变化。测量钻孔ZK3位于三闸室部位，距闸室直边墙约36m左右，钻孔方向与船闸轴线垂直，为上倾6°的近水平孔，具体布置如图3-40。钻孔ZK3获得4个测点的三维岩体应力实测资料，最大测深为9.8m。

图3-40　ZK3测孔位置示意图

今以钻孔ZK3测点K3-1（测深为6.95m）为例，来说明如何利用围压加载试验成果对解除应变实测值进行修正。

岩体应力测量采用长江科学院自行研制的CKX-97型空心包体式钻孔三向应变计，应变丛的布置极角为0°，120°，240°，每个应变丛中应变片的倾斜角为0°，45°，90°，120°。应变计安装角为-90°。测量元件应变片并非直接粘贴在钻孔岩壁上，修正系数K1，K2，K3和K4由测量钻孔内径2R，应变计内径2R1，应变片嵌固部位半径ρ，和岩体的弹性模量E、泊松比μ，环氧树脂层的弹性模量E1、泊松比μ1确定。综合考虑岩体力学现场试验，岩石弹性常数取值为E=55GPa，μ=0.2。另外，2R=36.5mm，2R1=30mm，ρ=16.25mm，E1=3GPa，μ1=0.36，从而计算得到K1=1.153 755，K2=1.159 504，K3=1.095 146，K4=0.867 452。

各应变片原始解除应变实测值列于表3-22的第一行中。现场测量完成后，对内含应变计的中空岩心进行围压加载试验，最高压力为6MPa，围压加载试验曲线（同向应变片的平均）见图3-41。

图3-41　围压加载试验曲线

1）对解除应变实测值的修正［44］［45］

围压加载试验实测资料表明，顺轴向（φ=0°）布置的3个应变片1＃、5＃、9＃的测值较大且非常离散，说明该测点顺轴向布置的3个应变片实测到的解除应变实测值不可靠，所以在岩体应力实测数据处理的计算中删去，选取剩下的9个解除应变实测值进行统计计算。所以在表3-22的第一行和表3-21的计算中没有列出3个顺轴向应变片的解除应变实测值。

利用围压加载试验的成果来修正解除应变实测值，从而提高应力测量的精度，长江科学院建议的修正方法具体步骤如下：

（1）对围压加载试验获得的同向应变测值取平均值；

（2）将同向应变测值的平均值减去该向每个应变测值，得到该向每个应变测值偏离其平均值的相对误差；

（3）将同向应变测值的平均值除其与每个同向应变测值的相对误差，得到该应变测值的修正系数；

（4）将岩体应力测量获得的每个解除应变实测值乘以各自相应的修正系数，得到该解除应变实测值的修正值；

（5）将每个解除应变实测值与其修正值相加，得到修正后解除应变实测值。然后按常规方法计算。

围压加载试验在最高压力6MPa下各应变片测值（除去3个顺轴向的应变片测值），同向应变片测值的平均值及其与同向应变片测值的相对差和各应变片测值的修正系数列于表3-21。各应变片原始解除应变实测值及其修正量和修正后的解除应变实测值列于表3-22。

表3-21　围压加载试验在最高压力下各应变片测值和它的修正系数

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表3-22　原始解除应变实测值和修正后的解除应变实测值（／×10-6）

作为计算实例，把修正前实测的解除应变实测值表3-22第一行输入到数据处理的计算机程序中进行计算（计算机源程序参见《岩体地应力与工程建设》附录［46］），计算成果以表格形式输出，列于表3-23。表3-23共有32行5列（如果12个解除应变实测值参加统计计算，则为32行9列）。第1行为舍弃的残差较大的解除应变实测值序号（以DIS表示），第2行为实测值的标准误差（以RR表示），第3～14行为每一个应变观测值的残差（以R1，R2，…R12表示），第15～20行为6个实测的应力分量σx，σy，…τzx（以XX，YY，…，ZX表示），第21～23行为最大和最小水平主应力及最大水平主应力方向σH，σh，βH（以SH，SI，AH表示），第24～26行为3个实测的主应力σ1，σ2，σ3的量值（以S1，S2，S3表示），第27～32行为3个主应力的倾角和方位角α1，β1，α2，β2，α3，β3（以A1，B1，A2，B2，A3，B3表示）。表3-23有5条纵列，第1列为各物理量的注解符号，第2列为舍弃不合理的1号、5号、9号解除应变实测值后，由剩下的9个解除应变实测值参加统计计算的各项数据，第3列为舍弃不合理的1号、5号、9号解除应变实测值和残差较大的4号解除应变实测值后，由剩下的8个解除应变实测值参加统计计算的各项数据……最后一列为舍弃不合理的1号、5号、9号解除应变实测值和残差较大的4号、8号、12号解除应变实测值后，由剩下的2号、3号、6号、7号、10号、11号6个解除应变实测值参加统计计算的各项数据。从表3-22可知各纵列的计算结果基本一致，说明各应变片（除了3个顺轴向应变片）对岩体应力状态作了相同的描述，因此可选用第二纵列的各项数据作为岩体应力的实测成果（尽量包含较多实测数据的统计计算结果）。

修正前后实测的6个应力分量的量值以及水平面上最大、最小水平主应力的量值、最大水平主应力的方位角列于表3-24，3个主应力的量值及其倾角、方位角列于表3-25。

表3-23　ZK3-1测点实测资料（修正前）整理成果表

注：应力单位：MPa；角度单位：°；应变单位：×10-6。

表3-24　修正前后实测的6个应力分量的量值以及水平面上最大、最小水平主应力的量值、最大水平主应力的方位角

表3-25　修正前后实测的3个主应力的量值及其倾角、方位角

由表3-24和表3-25可知，实测的岩体主应力σ1和σ2都为水平向，倾角在10°范围内，σ3为铅垂方向，倾角在78°以上。修正后的岩体应力与修正前的岩体应力相差还是较大的，正应力分量的量值修正量的绝对值平均为0.80MPa，水平主应力量值的修正量平均为0.89MPa，最大水平主应力方位角修正量为-5°。主应力的量值修正量的绝对值平均为0.85MPa，σ1和σ2倾角和方位角的修正量都比较小，倾角在8°范围内，方位角在5°范围内，σ3因近铅垂向，方位角变化会较大，表上的修正量是参考值。

2）永久船闸基岩开挖完成后岩体应力的动态变化分析

永久船闸基岩开挖前，1993年12月至1994年2月在船闸南坡曾进行了4个深钻孔的地应力测量，其中采用套芯应力解除法的2496号钻孔和采用水压致裂法的2514号、2508号钻孔，正处于三闸室部位。与南3号排水洞（高程113m）相对应的测段，2496号钻孔为测深138.23m（高程123.27m），2514号和2508号 钻 孔 为 测 深83.95m和53.74m（高 程115.11m和112.67m）。2496号钻孔相对应测段（测深138.23m）的三维地应力实测结果与南3号排水洞船闸二期开挖完成后实测的岩体应力列于表3-26。2514号、2508号钻孔相对应测段（测深分别为83.95m，53.74m）未进行破裂缝定向记录，也即未测定最大水平主应力方位，最大水平主应力和最小水平主应力的量值分别为9.09MPa和6.13MPa，7.8MPa和7.0MPa。

表3-26　三峡工程永久船闸开挖完成后岩体应力的动态变化

由表3-26可知，二期开挖完成后岩体应力比未扰动的地应力有很大变化，大主应力的量值有所增加，增值为1.14MPa，中、小主应力的量值有所降低，降值分别为1.79MPa，1.57MPa，最大水平主应力的量值有所增加，增值为1.43MPa，最小水平主应力的量值稍有降低，降值为0.18MPa，最大水平主应力方位角，由91.4°变化为189.1°，变化量达97.7°。与水压致裂法实测成果比较，最大水平主应力的量值增加较大，分别比2514号和2508号钻孔增加3.51MPa和4.80MPa，最小水平主应力的量值稍有变化，分别与2514号、2508号钻孔相差0.45MPa和-0.42MPa。

由表3-26可分析得出船闸二期开挖中岩体应力是如何进行动态变化的。二期开挖前地应力的状态：大主应力和小主应力呈缓倾角，倾角分别为18.4°和28.5°，方位角分别为86.9°和187.3°，船闸轴向为110°58′，基本上是顺船闸轴向和垂直船闸轴向（仅差24.07°和13.67°）；二期开挖完成后岩体应力的状态为：大主应力和中主应力呈近水平向，倾角分别为4.2°和-10.3°，方位角分别为189.4°和100.2°，为垂直船闸轴向和顺船闸轴向（仅差11.57°和10.77°）。由此可见，开挖前和开挖完成后岩体应力的变化，在垂直船闸轴线邻近方向上，由小主应力逐渐演变为大主应力，倾角由28.5°演变为4.2°，方位角由187.3°演变为189.4°（演变量，倾角为24.3°，方位角为2.1°）；在顺船闸轴线邻近方向上，由大主应力逐渐演变为中主应力，倾角由18.4°演变为-10.3°，方位角由86.9°演变为100.2°（演变量，倾角为28.7°，方位角为13.3°）。开挖前陡倾角的中主应力（倾角为55.1°）逐渐演变为开挖完成后近铅垂向的小主应力（倾角为78.8°）。另外，最大水平主应力方向，由开挖前近似顺船闸轴向（仅差19.57°）逐渐演变为开挖完成后垂直船闸轴向（仅差11.87°）。

船闸二期开挖后岩体应力的动态变化，是根据二期开挖完成后船闸基岩的形状决定。二期开挖后三闸室的基岩高程为92m，船闸直立边墙高为68m，而南3号排水洞洞底高程为113m，水平向距离闸室边墙为36m，测量钻孔未处于开挖的应力集中区，而接近开挖应力松动带的边缘。开挖完成后岩体应力中大主应力和中主应力近水平向（倾角为4.2°和-10.3°），方位角与船闸轴线相垂直和平行（仅相差11.57°和10.77°），最大水平主应力方向也与船闸轴线相垂直（也仅相差11.87°）。小主应力方向为近垂直向（倾角为78.8°）。总之，船闸开挖扰动了原始的地应力状态，船闸附近岩体应力状态的大主应力方向和最大水平主应力方向，由未受扰动地应力的近似顺船闸轴向逐渐演变为开挖完成后垂直船闸轴向，并且量值有所增加，符合一般岩体开挖应力状态的动态变化规律。