佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房工程地質(zhì)分析

丁仕群（安徽省水利水電勘測設計院 蚌埠 233000）

科技論壇

佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房工程地質(zhì)分析

丁仕群
（安徽省水利水電勘測設計院 蚌埠 233000）

本文通過對佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房勘測資料的分析和研究，指出了佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房的主要工程地質(zhì)問題，介紹了地下廠房部位巖體分類及力學性參數(shù)取值方法，針對地下廠房工程地質(zhì)條件給出了結(jié)論與建議。

佛子嶺抽水蓄能電站 地下廠房 工程地質(zhì) 巖體分類

1 前言

為滿足安徽電網(wǎng)尤其是皖西地區(qū)電網(wǎng)的調(diào)峰、填谷和事故備用等需要，更好地發(fā)揮兩水庫的綜合效益，擬在佛—磨水庫間修建一座抽水蓄能電站，即佛子嶺抽水蓄能電站。利用已建磨子潭水庫作為上庫，佛子嶺水庫作為下庫，蓄能電站地下廠房設在磨子潭大壩左岸山體內(nèi)，安裝2臺80MW混流可逆式機組，總裝機容量160MW。

電站采用地下廠房，按首部式布置，主要有主廠房、副廠房、安裝間以及母線洞、母線廊道、電纜洞等輔助洞室組成，主廠房（包含安裝間）開挖尺寸：長80.9m，寬24.8m，最大開挖高度53.12m。廠房橫斷面形狀為城門洞形，頂拱高程126.5m，最低開挖高程73.38m。

2 地下廠房地質(zhì)概況

2.1巖性及斷裂

廠房處地表出露基巖均為前震旦系水竹河組地層，其巖性有花崗片麻巖（夾角閃石石英片麻巖）以及角閃斜長片麻巖。組成地下廠房的圍巖巖性均為角閃斜長片麻巖，局部夾綠泥石角閃片巖。綠泥石角閃片巖其產(chǎn)狀多數(shù)順層面（片麻理面），少數(shù)順斷層分布，厚度一般不超過2m，寬窄不一，透鏡狀分布，局部形成層間擠壓帶，在地表容易風化，在新鮮巖石中與圍巖接觸很好，其巖塊Rb>60MPa，屬堅硬巖石，但遇水有軟化現(xiàn)象。片麻理面產(chǎn)狀與原始巖層產(chǎn)狀近一致，且較為穩(wěn)定，為N25°~40°W，NE∠25°~45°，微—新鮮巖石片麻理面結(jié)合緊密。

地下廠房部位根據(jù)勘探揭露有斷層F10以及小斷層f28~f32。各斷層其走向多為NW或NWW向，傾向NE占多數(shù)，以陡傾角為主，而NE向斷層僅見F5。裂隙以N40° ~65°E組最為發(fā)育，地表張開，局部延伸較長，并形成地表的一系列陡壁面，另一組較發(fā)育的為N30°~50°W，SW ∠60°~70°，一般短小、閉合。廠房部位的裂隙玫瑰花圖（見圖1），巖體完整。可見地下深處的廠房圍巖裂隙不發(fā)育，巖體完整。

2.2巖體透水性

鉆孔壓水試驗資料表明，淺部巖層為弱—微透水，深部巖層為微—極微透水性。根據(jù)勘探平洞揭示，僅局部洞段沿斷層、小斷層有少量潮濕滴水、滲水，勘探洞大部分為干燥洞室，說明此類巖性在地下深部透水性微弱。

2.3巖體力學特征

廠房圍巖為角閃斜長片麻巖以及花崗片麻巖。試驗表明，巖石比重為2.67~3.06，容重為26.3~30.5kN/m3，孔隙率為0.2%~5.6%，吸水率為0.04%~0.42%，抗壓強度平均值為104.7~158.7MPa，彈性模量為61~67GPa，點荷載強度均大于60MPa，兩種巖石均為硬質(zhì)巖。兩種巖石聲波測試其微~新鮮巖塊縱波波速平均值為4917~5947m/s，縱波波速相差不大。巖體聲波測試，微—新鮮的角閃斜長片麻巖巖體縱波波速VP值較高為4767~5717m/s，且與微—新鮮的巖塊波速非常接近，說明巖體較為完整。

地下廠房洞室圍巖現(xiàn)場地應力值測試，最大水平主應力在2.9～5.3MPa之間，大部分小于5MPa，且Rc/σm ax>15 （Rc>100MPa），表明廠房區(qū)屬低水平應力區(qū)。最大水平主應力方向整體上約為N20°E，廠房長軸方向為N84°E，則實測最大水平主應力方向與廠房長軸夾角大，從地應力場最大水平主應力方向與洞軸線的關(guān)系看，不利于廠房和尾水洞圍巖穩(wěn)定性。但由于整個測試區(qū)應力量值低，且大、小水平主應力測值比較接近，則地應力對地下廠房及尾水洞的圍巖穩(wěn)定性影響不大。

圖1 廠房部位的裂隙圖

鑒于對巖（石）體室內(nèi)、外物理力學性試驗成果的分析和研究，結(jié)合該工程實際，提出該工程巖石的主要物理力學性指標建議值見表1。

表1 地下圍巖巖石主要物理力學性參數(shù)建議值表

表2 地下廠房洞室圍巖分類成果對比表

3 主廠房（機組間和安裝間）圍巖分類

由于地下主廠房洞室規(guī)模較大，屬高邊墻、大跨度的地下洞室，為提供較為準確和合乎實際的洞室圍巖類別。根據(jù)勘察資料，以巖質(zhì)類型、巖體結(jié)構(gòu)、巖體狀態(tài)、結(jié)構(gòu)面特征、地下水活動影響，結(jié)合巖體縱波速度、介質(zhì)特征等，對地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定綜合分類，初步分類主廠房絕大部分為Ⅰ類圍巖，整體穩(wěn)定，僅在F1、F10、f13等斷層帶附近為Ⅱ~Ⅲ類圍巖，基本穩(wěn)定~局部穩(wěn)定性差。按照《工程巖體分級標準》（GB50218-94）對工程巖體穩(wěn)定性的分級方法。主廠房巖體基本質(zhì)量指標修正值〔BQ〕為524~632，巖體基本質(zhì)量級別為Ⅰ~Ⅱ類，大部分屬堅硬~較堅硬的、完整~較完整巖體，僅在一些F1、F10、f13等斷層帶及其影響帶存在Ⅲ類完整性差的巖體。采用了“水電地下工程圍巖分類法”對地下廠房圍巖進行了詳細分類，水電地下工程圍巖分類結(jié)果，地下廠房西側(cè)墻為Ⅰ類圍巖，穩(wěn)定，東側(cè)墻及南側(cè)墻以Ⅰ類圍巖為主，局部夾Ⅱ類圍巖，整體穩(wěn)定~基本穩(wěn)定，北側(cè)墻及洞頂以Ⅰ~Ⅱ類圍巖為主，穩(wěn)定~基本穩(wěn)定，斷層帶存在Ⅲ類圍巖，局部不穩(wěn)定；廠房圍巖三種方法分類及評價成果見

表2，由表可見3種方法分類及評價結(jié)果基本一致，成果是較為合乎實際的。

4 主廠房（機組間和安裝間）圍巖穩(wěn)定性分析

地下主廠房巖性較單一，除部分沿斷層帶分布有綠泥石角閃片巖，厚度不大，其余絕大部分為完整~較完整的角閃斜長片麻巖，巖石堅硬，因此巖性對圍巖穩(wěn)定影響不大，影響廠房圍巖穩(wěn)定的主要是各種斷裂結(jié)構(gòu)面以及它們之間的組合關(guān)系。廠房附近揭露的斷層主要有F1、F10，小斷層有f13、f28~f32，其中規(guī)模稍大的有F1、F10和f13、F1與廠房長軸夾角小，對廠房頂拱穩(wěn)定有影響、F10對廠房的東邊墻、頂拱和北邊墻有影響，f13與廠房長軸夾角較大，與F10等結(jié)構(gòu)面組合，對廠房頂拱圍巖穩(wěn)定有影響；同時廠房尚發(fā)育有4組較為規(guī)則的裂隙結(jié)構(gòu)面。根據(jù)廠房斷裂面赤平投影圖分析各種結(jié)構(gòu)面之間組合塊體的穩(wěn)定性及可能出現(xiàn)的破壞形式。各主要結(jié)構(gòu)面與邊墻的赤平投影分析見圖2、圖3。

東端邊墻高度23.5m，F(xiàn)10斷層在該邊墻出露，由于傾向廠房外側(cè)，則對東端邊墻穩(wěn)定影響不大，從各種結(jié)構(gòu)面赤平投影圖可以看出，結(jié)構(gòu)面的組合交線均傾向廠房外側(cè)，對其穩(wěn)定有利，因此東端邊墻穩(wěn)定，基本上無不利的結(jié)構(gòu)面組合。

西端邊墻高度約為53m，未揭露斷層結(jié)構(gòu)面以及層面或?qū)娱g擠壓帶，根據(jù)所揭露的4組裂隙結(jié)構(gòu)面進行赤平投影，從投影圖中可以看出，不利結(jié)構(gòu)面組合有4種，分別為①~②、①~③、①~④、③~④，傾向廠房，其交線傾角為43° ~64°，具有不穩(wěn)定趨勢，但其中③結(jié)構(gòu)面發(fā)育少，短小閉合，則①~③、③~④所組成的不利結(jié)構(gòu)體很少，而①~②、①~④所組成的不利結(jié)構(gòu)體較為常見?？梢?，西端邊墻較穩(wěn)定，但局部可能出現(xiàn)傾向廠房的不利結(jié)構(gòu)體，不利結(jié)構(gòu)面組合較為常見的主要有①~②、①~④兩種，針對此類不穩(wěn)定體，在廠房的施工期間可對其進行清理或用錨桿加固處理。此外，層面裂隙或?qū)娱g擠壓帶與其他方向裂隙組合，對西邊墻穩(wěn)定不利。

圖2 東、西端邊墻結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

圖3 南、北端邊墻結(jié)構(gòu)面赤平投影圖

南端邊墻高度約為53~23.5m，長80.9m，揭露有f29、f31、f13、F10斷層，f29斷層規(guī)模小，結(jié)合較好，傾向廠房外側(cè)，對其整體穩(wěn)定無影響，f31、f13、F10斷層性質(zhì)較差，與廠房夾角約為40°~50°，傾向廠房，對南邊墻東端整體穩(wěn)定有一定影響，另外f13與F10在南邊墻東端頂部已切割出一個三角體，但其交線傾向廠房外側(cè)，對邊墻整體穩(wěn)定無影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)面赤平投影圖可以看出，不利結(jié)構(gòu)面組合主要為①~⑤，該結(jié)構(gòu)面所組成的結(jié)構(gòu)體較為常見，特別在F10斷層附近較常見。由上分析可知，廠房南邊墻東端在f31、f13、F10斷層出露部位可能出現(xiàn)圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象，其余部位整體穩(wěn)定。

北端邊墻高度約為53~23.5m，長80.9m，揭露F1、f32、f31、f13、F10斷層，除f32規(guī)模小，斷層帶結(jié)合較好外，其余工程地質(zhì)性質(zhì)較差，但由于傾向廠房外側(cè)，則對廠房北邊墻整體穩(wěn)定影響較小，另外F10與f13、f32與f13在北端邊墻頂部已切割出三角體，組合交線均傾向廠房，但其交線傾角較緩，為17°~20°，穩(wěn)定性尚可?？梢钥闯?，不利結(jié)構(gòu)面組合主要有5種，其中①~②’、④~⑤所組成的不利結(jié)構(gòu)體較常見，而①~③、②’~③、③~④所組成的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體分布稀少?？梢?，北端邊墻雖出露斷層相對較多，但由于斷層傾向廠房外側(cè)，則斷層對廠房北邊墻整體穩(wěn)定影響不大，而由F10與f13、f32與f13切割出的三角體，交線較緩，交線傾角一般小于結(jié)構(gòu)面內(nèi)摩擦角，屬基本穩(wěn)定，不利結(jié)構(gòu)面僅①~②’、④~⑤所組成的不穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體分布較為常見。

主廠房頂拱角閃斜長片麻巖片麻理結(jié)合緊密，原始層面不發(fā)育，則層面（片麻理）對廠房頂拱圍巖穩(wěn)定影響不大，因此，影響頂拱圍巖穩(wěn)定的主要是斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面組合塊體形狀。廠房頂拱出露規(guī)模相對較大的斷層有F1、F10、f13，規(guī)模較小的斷層有f29、f30、f31、f32，就單條斷層來講，F(xiàn)1、F10、 f13斷層對廠房頂拱圍巖穩(wěn)定影響較大，特別是F1斷層與廠房主軸夾角小，在廠房頂拱延伸較長；而從斷層的相互組合關(guān)系來看，f29~F1、f32~f31、f13~F10已在廠房頂拱切割出不利三角塊體，但由于f29、f32斷層規(guī)模小，性質(zhì)稍好，則由f13~F10所組成的不利三角塊體穩(wěn)定性最差。從裂隙與斷層、裂隙與裂隙結(jié)構(gòu)面相互組合切割來看，結(jié)構(gòu)面絕大部分為陡傾角，少量為中等傾角，不同產(chǎn)狀的裂隙結(jié)構(gòu)面組數(shù)較多，則可能在廠房頂拱出現(xiàn)一些鍥形和錐形不穩(wěn)定分離體，但由于頂拱圍巖大部分裂隙不發(fā)育，為完整~較完整巖體，則這些不穩(wěn)定體出現(xiàn)幾率不多，僅可能在一些斷層如F1、f13等斷層附近分布較多。

5 建議

主廠房頂拱角閃斜長片麻巖片麻理結(jié)合緊密，原始層面不發(fā)育，則層面（片麻理）對廠房頂拱圍巖穩(wěn)定影響不大，影響其穩(wěn)定的主要是斷層、裂隙等結(jié)構(gòu)面組合塊體形狀。F1、F10、f13斷層對廠房頂拱圍巖穩(wěn)定影響較大，從斷層相互組合來看f13~F10所組成的不利三角塊體穩(wěn)定性差，在施工期間可能失穩(wěn)，而從裂隙與斷層、裂隙與裂隙結(jié)構(gòu)面相互組合切割來看，廠房頂拱可能出現(xiàn)一些鍥形和錐形不穩(wěn)定分離體，但分布幾率不多。施工期間針對斷層附近圍巖的不穩(wěn)定以及由斷層切割出的不利結(jié)構(gòu)體，應及時采取錨噴或掛網(wǎng)錨噴，而對由裂隙所組成不穩(wěn)定體，可對其清除或用錨桿加固，由于廠房頂拱跨度大，建議對頂拱進行全部的鋼筋混凝土襯砌