CCS水電站廠房區(qū)地應(yīng)力特征

張黨立 姚 陽 楊繼華 婁國川 魏 斌

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引 言

對工程而言，地應(yīng)力具有較強(qiáng)的工程意義，對地應(yīng)力認(rèn)識(shí)不足或處理不當(dāng)，可產(chǎn)生諸多工程地質(zhì)問題，如基坑變形、邊坡破壞、地下洞室?guī)r爆等，地應(yīng)力對巖體的滲流也有一定影響，并影響對地下洞室圍巖類別的判定，進(jìn)而對工程設(shè)計(jì)有重大影響。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國約半數(shù)的水電站工程采用地下場房，在大型水電工程中，地下廠房采用的比例更高。

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站位于科卡河上，總裝機(jī)容量1 500MW，是該國戰(zhàn)略性能源工程，也是世界上規(guī)模最大的沖擊式機(jī)組水電站。CCS水電站年均發(fā)電量約87億（kW·h），是中國公司在海外獨(dú)立承擔(dān)設(shè)計(jì)的規(guī)模最大的水電工程之一。該工程主要水工建筑物主要由有首部樞紐、輸水隧洞、調(diào)蓄水庫、壓力管道及地下廠房等組成。地下廠房洞室群由主廠房、主變室、母線洞、上層排水廊道、下層排水廊道、尾水洞、通風(fēng)洞、進(jìn)場交通洞、高壓電纜洞等洞室群組成。

厄瓜多爾科卡科多辛克雷（Coca Codo Sinclair，簡稱CCS）水電站采用地下廠房，主廠房尺寸212.00 m×26.00 m×46.80 m（長×寬×高），頂拱高程646.80 m，底板高程600.00 m，上覆巖體厚度約124.00～260.00 m，廠房軸線為315°。

2 區(qū)域地質(zhì)概況

CCS水電站工程區(qū)位于科迪勒拉山系的東部斜坡，整體處于安第斯山脈至亞馬遜平原的過渡區(qū)段內(nèi)，地貌以中高山為主，地形起伏較大，地勢總體呈西高東低。地層主要為一單斜地層，巖層總體傾向NE，傾角大多為5～10°，西部地區(qū)為中生界變質(zhì)巖及侵入體，東部地區(qū)則主要為侏羅系Misahualli 火山巖及火山沉積巖，上覆白堊系沉積巖及第四系松散堆積物。

工程區(qū)屬安第斯山脈科迪勒拉山系，受強(qiáng)烈的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，地形起伏較大，原因主要有以下三個(gè)方面：構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成地臺(tái)上升；第四系以來頻繁的火山活動(dòng)以及河流形成過程中強(qiáng)烈的侵蝕切割作用。區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)主要位于工程區(qū)西部與東南部，在區(qū)域上大體可分為7 個(gè)地質(zhì)構(gòu)造單元，見圖1。廠房區(qū)位于Sinclair構(gòu)造帶內(nèi)。

3 地應(yīng)力場特征

3.1 古應(yīng)力場分析

地應(yīng)力是在漫長的地質(zhì)年代里，由于地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)等原因使地殼物質(zhì)產(chǎn)生了內(nèi)應(yīng)力效應(yīng)。古應(yīng)力場的判斷可以從共軛構(gòu)造（斷層、節(jié)理及褶皺等）分析。從圖1 可以看出，區(qū)域上看近以發(fā)育兩組較大的共軛斷層，即沿Salado河的斷層和沿Coca河的斷層，從這兩條區(qū)域斷層判斷，古應(yīng)力場為近EW向。

3.2 現(xiàn)代應(yīng)力場分析

影響地應(yīng)力的因素較多，主要有地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性、地形地貌、地下水、地溫及火山活動(dòng)等。工程區(qū)內(nèi)南、北發(fā)育兩座活火山，該兩座火山所產(chǎn)生的地質(zhì)運(yùn)動(dòng)使地殼呈NNW 向擠壓。所產(chǎn)生的最大主應(yīng)力方向?yàn)镹NW向。

廠房區(qū)主要發(fā)育有三組節(jié)理，分別為：①140～170°∠70～85°，整體平直粗糙，充填1～2 mm 鈣膜或閉合無充填，延伸較長，局部＞10.00 m，平均0.50～1.00 條/m。②230～260°∠70～80°，整體平直粗糙，充填方解石脈或者泥質(zhì)條帶，寬度2.00～3.00 mm，局部約10.00 mm，少數(shù)高嶺土化，延伸長度5.00～10.00 m，局部＞20.00 m。③40～50°∠5～15°，該組結(jié)構(gòu)面局部發(fā)育較集中，數(shù)量較少，延伸較長，＞20 m，充填2.00～3.00 mm巖屑或者無充填，平直粗糙，約1 條/m。該三組節(jié)理總體走向皆為NW 向，以文7 所介紹的方法對現(xiàn)代應(yīng)力進(jìn)行了分析，主應(yīng)力方向也呈NNW向。

3.3 地應(yīng)力實(shí)測

為了確定廠房地區(qū)的應(yīng)力狀態(tài)，采用水壓致裂法在4個(gè)鉆孔中進(jìn)行了地應(yīng)力測試，成見表1及圖2。

根據(jù)測試結(jié)果分析，廠房區(qū)最大主應(yīng)力為8.00～10.00 MPa，方向?yàn)?15～340°。該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力作用并不強(qiáng)烈，應(yīng)力值不高。

3.4 廠房區(qū)地應(yīng)力特征與地下廠房軸線布置

經(jīng)過對古應(yīng)力場及現(xiàn)代應(yīng)力場的分析，及鉆孔地應(yīng)力實(shí)測，廠房區(qū)地應(yīng)力具有以下特征：①區(qū)域整體應(yīng)力場為近EW向的應(yīng)力場；②受火山的影響，現(xiàn)代應(yīng)力場呈現(xiàn)NNW向?yàn)橹?；③廠房區(qū)最大主應(yīng)力為8.00～10.00 MPa，方向?yàn)?15～340°。該區(qū)的構(gòu)造應(yīng)力作用并不強(qiáng)烈，應(yīng)力值不高。

地下廠房的布置受工程總布置、地質(zhì)條件等因素影響。工程總體自西向東引水，且為了尾水排泄，此決定了廠房軸線方向宜在315～45°之間選擇。

據(jù)前述巖體節(jié)理根構(gòu)造面和地應(yīng)力情況綜合分析，確定廠房縱軸線方向?yàn)?15°，與節(jié)理裂隙有較大夾角，與最大主應(yīng)力方向平行，對廠房圍巖的穩(wěn)定有利。

根據(jù)施工開挖揭露，廠房區(qū)圍巖類別以Ⅱ類、Ⅲ類為主，開挖過程中未發(fā)現(xiàn)明顯的巖爆、片幫等工程地質(zhì)問題，說明廠房軸線的選擇是合理的。

4 結(jié) 語

地應(yīng)力的方向和大小水平對地下建筑物的布置有較大影響，為了減少地應(yīng)力對地下建筑物的影響，避免產(chǎn)生由于地應(yīng)力產(chǎn)生的工程地質(zhì)問題，對地下工程，特別是深埋地下工程，對地應(yīng)力的勘察要加以重視，前期勘察階段應(yīng)做好相應(yīng)的勘察工作。地下建筑物軸線布置一般應(yīng)與主應(yīng)力方向接近或小角度相較，以減小地應(yīng)力的影響。通過對厄瓜多爾CCS水電站工程區(qū)古應(yīng)力場、現(xiàn)代應(yīng)力場及廠房區(qū)地應(yīng)力實(shí)測結(jié)果，給地下廠房的工程布置提供了重要參考。