小天都水電站氣墊式調(diào)壓室工程地質(zhì)勘察研究

蔡仁龍　冷鴻斌

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都　610072)

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小天都水電站氣墊式調(diào)壓室工程地質(zhì)勘察研究

蔡仁龍冷鴻斌

(中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川 成都610072)

【摘要】小天都水電站采用氣墊式調(diào)壓室方案，除了開展常規(guī)地質(zhì)勘察工作外，著重進(jìn)行了巖體質(zhì)量及成洞條件研究、山體抗抬穩(wěn)定性研究、地應(yīng)力及圍巖抗劈裂穩(wěn)定性研究、巖體滲透性與圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性研究，總結(jié)出了在高山峽谷地區(qū)引水式電站建氣墊式調(diào)壓室的勘察工作方法與經(jīng)驗(yàn)。

【關(guān)鍵詞】氣墊式調(diào)壓室；工程地質(zhì)條件；地應(yīng)力；高壓壓水試驗(yàn)；水力劈裂試驗(yàn)

1概述

小天都水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)。電站采用“一坡到底”高壓不襯砌引水隧洞和氣墊式調(diào)壓室方案，是以發(fā)電為主的閘壩高水頭引水式電站。

該電站主體工程于2003年6月8日開工建設(shè)，2005年12月3日實(shí)現(xiàn)第一臺(tái)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，2007年3月竣工，2008年9月28日通過竣工驗(yàn)收。氣墊式調(diào)壓室運(yùn)行情況良好。引水隧洞—壓力管道沿線生態(tài)環(huán)境保護(hù)良好。

2基本地質(zhì)條件

氣墊式調(diào)壓室、壓力管道和地下廠房布置于瓦斯河右岸的河道凸岸山體內(nèi)，側(cè)向埋深300～450m，巖性為晉寧—澄江期斜長(zhǎng)花崗巖及少量灰綠巖脈。

廠址區(qū)未發(fā)現(xiàn)區(qū)域性斷裂通過，僅發(fā)育小斷層及裂隙。廠址區(qū)距鮮水河斷裂帶最短距離約13km，距大渡河斷裂帶最短距離約12km。

廠址區(qū)巖體風(fēng)化、卸荷較強(qiáng)，據(jù)廠房PD2平洞資料，水平深度0～20m為強(qiáng)卸荷帶，0～15m為弱風(fēng)化上段，15～44m為弱風(fēng)化下段。

廠址區(qū)地下水為松散堆積層孔隙水和基巖裂隙水，據(jù)PD2平洞及洞內(nèi)鉆孔揭示，0+680以里巖體透水性微弱，地下水不發(fā)育。其他洞室施工開挖揭示，僅局部位置出露地下水較豐，大多地段為浸水—濕潤(rùn)或干燥。

可研及專題研究階段，在PD2平洞0+353～0+727采用水壓致裂法做了5組地應(yīng)力測(cè)量，其最大主應(yīng)力σ1=12～22.76MPa，屬中等—高地應(yīng)力。同時(shí)，在地應(yīng)力試驗(yàn)點(diǎn)附近分別做了高壓壓水試驗(yàn)、階撐試驗(yàn)各5組，試驗(yàn)結(jié)果多滿足設(shè)計(jì)要求。

3巖體質(zhì)量及成洞條件研究

3.1巖(石)體物理力學(xué)特性

對(duì)廠區(qū)巖體進(jìn)行了物理力學(xué)試驗(yàn)工作。試驗(yàn)成果表明：廠區(qū)斜長(zhǎng)花崗巖各項(xiàng)物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)間相關(guān)關(guān)系良好，干密度為2.73～2.79g/cm3，濕抗壓強(qiáng)度為127～213.3MPa，彈性模量為42.7～63.7GPa，屬堅(jiān)硬巖。裂隙較發(fā)育，局部銹面的四組巖樣，軟化系數(shù)為0.62～0.74；新鮮、完整的E0— 4巖樣，軟化系數(shù)為0.90。這表明斜長(zhǎng)花崗巖水理性質(zhì)較為明顯，受巖石結(jié)構(gòu)、巖體裂隙發(fā)育影響，巖石遇水后強(qiáng)度均有不同程度降低。

巖體變形試驗(yàn)共進(jìn)行了4組，均布置在PD2平洞壁上。0+264.5弱卸荷巖體E0=7.16GPa，E=12.9GPa；0+266.2斷層帶巖體較破碎，加載方向與斷層面平行，E0=1.68GPa，E=2.75GPa；0+280.2斷層影響帶巖體完整性較差，E0=3.55GPa，E=5.86GPa；0+254.2巖體新鮮、完整，E0=20.2GPa。

斷層帶強(qiáng)度試驗(yàn)布置在PD2平洞0+293～0+295位置，斷層帶以碎裂巖、糜棱巖、斷層泥為主。試體中80%～90%面沿糜棱巖剪切，10%～20%面沿碎裂巖剪切；試驗(yàn)結(jié)果為：抗剪斷強(qiáng)度f′=0.53，c′=0.16MPa，抗剪強(qiáng)度f=0.53，c=0.07MPa。

3.2氣室圍巖地應(yīng)力狀態(tài)與巖體抗劈裂性及巖體滲透性

氣墊式調(diào)壓室的位置及布置方案，根據(jù)勘探、試驗(yàn)揭示的地質(zhì)條件變化，進(jìn)行比較和調(diào)整。到技施階段，根據(jù)引水隧洞末段、壓力管道及其右側(cè)的調(diào)壓室交通洞施工開挖所揭示的工程地質(zhì)條件與原勘探平洞PD2所揭示的工程地質(zhì)條件進(jìn)行對(duì)比分析，并開展了相應(yīng)的設(shè)計(jì)研究后，從地應(yīng)力、覆蓋、滲透性方面，結(jié)合水工布置的需要，最終確定將氣墊式調(diào)壓室布置于(隧)5+961～(管)0+060范圍段右側(cè)巖體中(見圖1)。

技施階段，在壓力管道(管)0+40～0+50處、氣墊式調(diào)壓室0+80端墻及右邊墻0+3～0+8巖體質(zhì)量較差處，采用水壓致裂法做了地應(yīng)力測(cè)試、高壓壓水試驗(yàn)、階撐試驗(yàn)各3組，現(xiàn)將試驗(yàn)成果簡(jiǎn)述如下。

a.地應(yīng)力測(cè)試成果。3組地應(yīng)力測(cè)試成果見表1。

表1　各測(cè)點(diǎn)空間地應(yīng)力計(jì)算結(jié)果(水壓致裂法)

根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試成果：?氣室2個(gè)測(cè)點(diǎn)7號(hào)、8號(hào)的應(yīng)力場(chǎng)的基本格架相同，方位角65°～71°，傾向SW—SWW，傾角12°～35°，表明測(cè)點(diǎn)附近以水平應(yīng)力為主；?對(duì)比氣室2個(gè)測(cè)點(diǎn)成果，7號(hào)測(cè)點(diǎn)的地應(yīng)力值明顯高于8號(hào)測(cè)點(diǎn)，可能是8號(hào)測(cè)點(diǎn)巖體質(zhì)量較差的原因。

圖1　小天都水電站氣墊式調(diào)壓室區(qū)1795m高程地質(zhì)平切面圖

b.水力階撐試驗(yàn)結(jié)果。6號(hào)測(cè)點(diǎn)在3個(gè)孔內(nèi)共選擇了9個(gè)試驗(yàn)段，各試驗(yàn)段段長(zhǎng)2.0m。水力階撐試驗(yàn)結(jié)果顯示：各測(cè)段裂隙的階撐壓力值大多超過6.8MPa，只有3個(gè)測(cè)段稍低，小于5.50MPa，說明總體上測(cè)點(diǎn)各測(cè)段內(nèi)的裂隙抵御高水頭壓力的能力較強(qiáng)。

7號(hào)測(cè)點(diǎn)7個(gè)測(cè)試段中，僅有1段出現(xiàn)嚴(yán)重漏水現(xiàn)象，致使最高壓力僅能升至1.0MPa，表明該測(cè)試段中含有張開性原生裂隙，并與周邊裂隙連通。其余6個(gè)測(cè)段的階撐壓力最小值為4.70MPa，最大值為12.0MPa，其平均值為8.45MPa，表明總體上7號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的巖體抵御高水頭壓力的能力較強(qiáng)。

8號(hào)測(cè)點(diǎn)9個(gè)測(cè)段中，有4段的階撐壓力小于或等于3MPa，其余5個(gè)測(cè)段的階撐壓力皆在7.148.06 MPa之間。總體來看，7號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的巖體抵御高水頭壓力的能力強(qiáng)于8號(hào)測(cè)點(diǎn)。

c.高壓壓水測(cè)試結(jié)果。6號(hào)測(cè)點(diǎn)在鉆孔5～15m深度內(nèi)，三個(gè)鉆孔的透水率低，透水率小于1.0Lu；15～28m透水率小于1.5Lu，只有YZK1平孔和YZK3垂直孔各有一段透水率在2.5～3.0Lu，壓力升不到6MPa。

7號(hào)和8號(hào)2個(gè)測(cè)點(diǎn)共取得了39個(gè)測(cè)段的試驗(yàn)結(jié)果(見表2)。

表2　7號(hào)、8號(hào)高壓壓水試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

從表2可以看出，7號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的巖體高壓透水率明顯低于8號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的巖體。需要指出的是，7號(hào)測(cè)點(diǎn)的ZK-5鉆孔(平孔)與8號(hào)測(cè)點(diǎn)的ZK-7鉆孔(平孔)方位基本一致，但它們的測(cè)試結(jié)果卻相差很大，由此可以說明8號(hào)測(cè)點(diǎn)附近的巖體完整性較差，裂隙發(fā)育。

對(duì)于7號(hào)測(cè)點(diǎn)，靠近洞壁的范圍內(nèi)，巖體完整性較差，透水率較高。對(duì)于ZK-5平孔的2.8～5.8m測(cè)段，壓力最高升至0.5 MPa，對(duì)應(yīng)的透水率為10.0Lu；6號(hào)平孔的2.80～7.80m測(cè)段嚴(yán)重漏水，無壓力顯示。除靠近洞壁附近的測(cè)段以及ZK-5平孔的23.28～26.28m測(cè)段以外，三個(gè)鉆孔其他測(cè)段巖體完整性較好，透水率較低，壓力皆能升至5.0MPa，巖體透水率皆小于1.0Lu。另外需要指出的是，在ZK-5鉆孔21～26m左右的深度范圍內(nèi)存在一組或數(shù)條原生裂隙，該組裂隙閉合性較差，且連通性較強(qiáng)，高壓壓水試驗(yàn)最高壓力升至2MPa，對(duì)應(yīng)的透水率為2.5Lu。

對(duì)于8號(hào)測(cè)點(diǎn)，3個(gè)鉆孔的測(cè)試結(jié)果顯示了和鉆孔方位的明顯相關(guān)性。其中ZK-7平孔，巖芯多處破碎，裂隙發(fā)育。在進(jìn)行的8個(gè)測(cè)段高壓壓水試驗(yàn)過程中，除10.50～13.64m在1MPa、3MPa、5MPa時(shí)均不漏水外，其余深度段均由于測(cè)段裂隙漏水嚴(yán)重，最大壓力值范圍在0～2.6MPa。

3.3氣室圍巖分類及工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

依據(jù)洞室圍巖巖性、巖體結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、地應(yīng)力狀態(tài)、水文地質(zhì)條件、洞室埋深以及巖體(石)物理力學(xué)性質(zhì)等地質(zhì)因素，按水電系統(tǒng)分類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)氣墊式調(diào)壓室圍巖進(jìn)行分段分類。

Ⅱ類圍巖：巖體呈塊狀結(jié)構(gòu)，洞室圍巖基本穩(wěn)定，局部可能產(chǎn)生掉塊。

Ⅲ類圍巖：巖體呈次塊狀結(jié)構(gòu)，洞室圍巖局部穩(wěn)定性差。

Ⅳ類圍巖：巖體呈鑲嵌碎裂或碎裂結(jié)構(gòu)，洞室圍巖不穩(wěn)定。

氣室?guī)r性為晉寧—澄江期斜長(zhǎng)花崗巖，濕抗壓強(qiáng)度多在200MPa以上，濕抗拉強(qiáng)度7.0～8.7MPa，巖石致密、堅(jiān)硬。巖體中無較大斷層分布，主要為小斷層、擠壓帶和裂隙，總體較完整，以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為次塊狀，以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，巖體質(zhì)量較好，具備良好的成洞條件。

4氣室埋深與山體抗抬穩(wěn)定性研究

按氣室位置選定原則，在避開深切沖溝、Ⅰ級(jí)與Ⅱ級(jí)結(jié)構(gòu)面、巖溶發(fā)育區(qū)、軟巖等不利地段的基礎(chǔ)上，將氣墊式調(diào)壓室布置于山體雄厚、地形完整，邊坡穩(wěn)定、無較大規(guī)模斷層通過、中硬—堅(jiān)硬巖等地段。

為滿足山體抗抬穩(wěn)定性要求，氣室應(yīng)有足夠的埋深。氣墊式調(diào)壓室抗抬埋深條件主要從洞室埋深條件來評(píng)價(jià)，要求巖體不能因隧洞的內(nèi)水壓力、內(nèi)氣壓力或水幕壓力過高致使圍巖產(chǎn)生上抬破壞，上覆巖體厚度應(yīng)滿足以下經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

所選氣室位置山體雄厚，基巖水平埋深450～500m，上覆巖體厚455～520m，除去弱卸荷、弱風(fēng)化巖體厚度，側(cè)向最小埋深283.4m，上覆巖體厚250～290m(見圖2)。

根據(jù)氣室布置，底板高程1787m，此處靜水頭為392.5m，加上負(fù)荷變化時(shí)的壓力上升，氣室的內(nèi)水壓力約4.35MPa，上部水幕壓力約4.85MPa。取花崗巖天然密度2.7g/cm3，平均坡度40°，當(dāng)洞室側(cè)向最小埋深CRM>189.8m時(shí)，即可滿足要求。現(xiàn)擬位置CRM≈283.4m、γrCRMcosα≈5.86MPa，求得F=1.49。故所選調(diào)壓室位置的側(cè)向及上覆巖體最小厚度能滿足上述經(jīng)驗(yàn)公式的要求。

圖2　小天都電站氣墊式調(diào)壓室上覆巖體厚度示意圖

5地應(yīng)力與圍巖抗劈裂穩(wěn)定性研究

氣室抗劈裂地應(yīng)力條件：要求巖體不能因隧洞的內(nèi)水壓力、內(nèi)氣壓力或水幕壓力過高致使圍巖產(chǎn)生水力劈裂或氣壓劈裂破壞，氣墊式調(diào)壓室?guī)r體最小主應(yīng)力σ3應(yīng)滿足如下經(jīng)驗(yàn)公式：

(2)

式中σ3——巖體最小主應(yīng)力，N/m2；

γw——水的重度，N/m3；

pmax——?dú)馐覂?nèi)最大氣體壓力，mH2O。

該工程在PD2平洞不同深度及壓力管道、氣室內(nèi)分別進(jìn)行了3組應(yīng)力解除法地應(yīng)力測(cè)試和8組水壓致裂法地應(yīng)力測(cè)試，結(jié)果顯示：隨埋深增加地應(yīng)力值增大，氣室位置最小主應(yīng)力為σ3=5.39～8.96MPa，為氣墊式調(diào)壓室內(nèi)氣壓力4.48MPa的1.20～2.0倍，滿足式(2)的要求。

6巖體滲透性與圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性研究

為滿足圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性要求，氣墊式調(diào)壓室宜設(shè)置在不低于Ⅲ類、不透水或微透水圍巖中。根據(jù)透水率的不同選擇采用圍巖閉氣、水幕閉氣或罩式閉氣的防滲形式，采用圍巖閉氣的巖體透水率一般要求在0.1～0.001Lu范圍內(nèi)，采用水幕閉氣的巖體透水率一般要求小于1Lu，采用罩式閉氣的巖體透水率一般要求小于5Lu。

該工程在PD2平洞不同深度及壓力管道、氣室內(nèi)進(jìn)行了高壓壓水試驗(yàn)、水力階撐試驗(yàn)各8組。試驗(yàn)表明：洞深525m以外，部分試段不起壓，巖體以弱透水為主，局部微透水；洞深670 m以內(nèi)，巖體以微透水為主，一般小于0.5Lu。水力階撐試驗(yàn)表明：洞深525m以外，裂隙的階撐壓力一般小于2.5MPa，表明裂隙的閉合性差，連通性較好；洞深670m以內(nèi)，裂隙的階撐壓力一般大于5MPa，部分大于10MPa，表明裂隙的閉合性好，連通性較差。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，氣室選擇在0+670以內(nèi)，采用水幕閉氣防滲形式。

7結(jié)語

a.小天都水電站氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)理念，提出在高山峽谷地區(qū)建引水式電站，采用“一坡到底”高壓不襯砌引水隧洞—?dú)鈮|式調(diào)壓室方案，取消引水隧洞沿線特別是至調(diào)壓室的施工道路，不需修盤山公路，大大減少對(duì)地表植被的破壞，有利于環(huán)境保護(hù)。同時(shí)，縮短引水隧洞長(zhǎng)度，減少了工程量并縮短工期，有效地解決了場(chǎng)內(nèi)交通、環(huán)保、工期和施工難度等問題。

b.氣墊式調(diào)壓室原則上布置于山體雄厚、地形完整、邊坡穩(wěn)定、無深切沖溝地段。氣室在較完整的非巖溶硬質(zhì)巖體內(nèi)，結(jié)構(gòu)面連通性差，無大的結(jié)構(gòu)面發(fā)育，巖體質(zhì)量較好，不低于Ⅲ類圍巖。

c.氣墊式調(diào)壓室應(yīng)有足夠的埋深，其最小覆蓋厚度以上的巖體重力應(yīng)大于氣室內(nèi)

d.氣墊式調(diào)壓室布置區(qū)圍巖最小主應(yīng)力應(yīng)大于氣室內(nèi)靜水頭壓力、設(shè)計(jì)氣壓及水幕設(shè)計(jì)水壓，以滿足圍巖抗劈裂穩(wěn)定性要求。氣墊式調(diào)壓室?guī)r體最小主應(yīng)力σ3應(yīng)滿足式(2)要求。

e.為滿足圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性要求，氣墊式調(diào)壓室宜設(shè)置在不低于Ⅲ類、不透水或微透水圍巖中。根據(jù)透水率的不同選擇采用不同的防滲形式。

參考文獻(xiàn)

[1]GB 50287—2006水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2006.

[2]DL/T 5414—2009水電水利工程地下建筑物工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)程[S].北京:中國電力出版社,2009.

[3]QJ/HCEC 0602—2012 A/O水電站氣墊式調(diào)壓室工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)定[S].成都：中國水電顧問集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,2012.

[4]施裕兵，許明軒，曾聯(lián)明.自一里水電站氣墊式調(diào)壓室工程地質(zhì)研究方法[J].水電站設(shè)計(jì)，2004(2).

[5]楊飛.水電站氣墊式調(diào)壓室布置設(shè)計(jì)[J].中國水能及電氣化，2012(8).

Research on air cushion surge chamber engineering geological

prospecting of Xiaotiandu Hydropower Station

CAI Renlong, LENG Hongbin

(HydrochinaChengduInvestigationandDesignInstitute,Chengdu610072,China)

Abstract:Xiaotiandu Hydropower Station adopts air cushion surge chamber plan. It not only develops conventional geological prospecting work, but also focuses on the research of rock quality and holes formation condition, mountain lifting resistance stability, ground stress and surrounding rock crack resistance stability, rock permeability and surrounding rock stability. Survey work methods and experience of building air cushion surge chamber on water diversion power station in mountain valley areas are summarized.

Key words:air cushion surge chamber; engineering geological conditions; ground stress; high pressure water pressure test; hydraulic fracture test

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.010

中圖分類號(hào)：TV732.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-8241(2015)11-0066-05