蒲石河抽水蓄能電站地下廠房圍巖地質條件分析

田作印，鄭以寶，楊宗玲，王寶文，李 凱

（中水東北公司地質處,吉林 長春 130021）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站為Ⅰ等工程，工程規模為大（1）型，樞紐中主要建筑物有上、下庫壩、地下廠房及輸水系統。地下廠房裝機4×300 MW，主副廠房洞室開挖尺寸為173.3 m×25.7 m×54.6 m（長×寬×高），主變洞室開挖尺寸為132.6 m×20.4 m×24.4 m（長×寬×高），尾閘室開挖尺寸為96.2 m×12.9 m×22.3 m（長×寬×高），三者布置緊密，洞室縱橫交錯，構成了一個結構極為復雜的地下建筑群。

2 地質概況

地下廠房系統深埋于黃草溝右側第一條NEE向支溝溝尾山體內，地面高程260～325 m，該段沖溝寬約30 m，切割深度50～70 m，兩側山坡坡度約30°～40°。廠房樞紐區基巖主要為新鮮混合花崗巖，穿插有閃長玢巖巖脈，巖石新鮮、堅硬，上覆巖體較厚。斷層破碎帶較發育，寬度多較小，傾角較陡，其走向多與廠軸交角較大。巖石節理局部較發育，多以陡傾角為主，其主要節理走向與廠軸交角亦較大，多呈閉合、微張或鈣質膠結。廠房區地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內的裂隙水，主要受大氣降水補給，以脈狀或網狀貯存于斷層帶及裂隙內。地下水位埋深約40～55 m。

3 洞室圍巖穩定分析

影響地下洞室穩定性的因素主要分為三大類：第一類是通過圍巖應力狀態而影響地下洞室圍巖穩定，第二類主要是巖體中地下水的賦存、活動條件，第三類是巖石的強度和結構面組合。蒲石河地下廠房屬堅硬脆性巖體大跨度的地下工程，影響圍巖穩定的破壞模式為結構面控制的三維塊體破壞，結構面對圍巖穩定性的影響，不僅決定于巖體結構面本身的特征，還與結構面的組合及其與周邊洞室的方位有密切關系。

地下廠房樞紐地段，由新鮮、堅硬的混合花崗巖組成。頂拱全長173.3 m，樁號0-070.9～0+102.4 m。其中樁號0-070.9～0-010 m段節理較發育，有15條斷層破碎帶通過，為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，其中Fj34，fc16，fc4斷層部位圍巖穩定性差，開挖時發生塌方；樁號0-010～0+080 m段巖體較完整，節理局部較發育，為Ⅱ類圍巖；樁號0+080～0+102.4 m段巖體完整，節理不發育，為Ⅰ類圍巖。

上游邊墻樁號0-070.9～0-050 m段，巖體較完整，節理不發育，為Ⅱ類圍巖；樁號0-050～0+025 m段，節理、斷層、巖脈發育，受斷層、巖脈及節理切割影響，巖體完整性差，開挖多處掉塊，為Ⅲ類圍巖；樁號0+025～0+070 m段巖體一般較完整，局部節理發育，圍巖整體穩定，為Ⅱ類圍巖；樁號0+070～0+094.9 m段，局部節理發育，其中δπc3、δπc9走向與邊墻夾角較小，在巖錨梁附近出露，圍巖穩定性差，為Ⅲ類圍巖。

下游邊墻樁號0-070.9～0-050 m段，巖體較完整，節理、斷層不發育，未見有不利于邊坡穩定的結構面組合存在，為Ⅱ類圍巖。樁號0-050～0+015 m段，該段分布有主變運輸洞、1號母線洞、1號尾水支洞。此段圍巖節理以陡傾角為主，部分微張，局部節理呈X型組合切割。

下游邊墻樁號0+015～0+065 m段，巖體局部完整性差，節理較發育，見有8條閃長玢巖巖脈和9條斷層破碎帶，斷層寬度多小于20 cm，其中Fj34-1寬30～50 cm，延伸較長在3號尾水支洞附近被fc50截斷，fc50高程6 m以上寬度小于20 cm，高程6 m以下破碎寬度寬60～80 cm。雖未見有較大不利結構面組合存在，但是巖體完整性較差，樁0+020～0+030 m巖錨梁部位有δπc24巖脈與邊墻平行切割，局部見有沿節理、巖脈掉塊，對邊墻穩定不利，為Ⅲ類圍巖。

綜上所述，廠房主機間頂拱巖體完整，未見有較大斷層通過和不利軟弱結構面組合體存在，為Ⅰ，Ⅱ類圍巖，分別占12.93%和占51.93%，圍巖穩定條件良好；而副廠房與安裝間頂拱受Fj34，F16斷層影響，圍巖穩定性較差，主要為Ⅲ—Ⅳ類圍巖，占35.14%。廠房上、下游邊墻巖體節理發育，巖體欠完整，尤以下游邊墻因受Fj34，F59等斷層及與其平行的一組節理切割影響，巖體完整性差。上游邊墻Ⅱ類圍巖占39.75%，Ⅲ類占60.25%；下游邊墻Ⅱ類圍巖占30.64%，Ⅲ類占30.16%，Ⅳ類占39.2%。邊墻經錨固后一般無較大的穩定問題。

3.1 地下廠房樁號0-30～0-50 m地段

該部位下游邊墻布置有主變運輸洞，見有Fj34，f16，f4，f26，f25，f45 等數條斷層出露。頂拱開挖時沿斷層滲水和塌方。對該部位繪制赤平投影圖進行分析如下：

①取 Fj34，f26，f16，f4 組合（見圖 1）進行分析，結構面在頂拱形成楔形體，組合塊體在頂拱部位沿Fj34斷層面滑動，塊體不穩定。

圖2 赤平投影圖

②取 Fj34，f45，J33組合進行分析（見圖 2），Fj34，f45，J33構造在主變運輸洞頂構成三棱椎體，該塊體沿節理J33向臨空面方向滑動，故Fj34，f45，J33組合不穩定，在主變運輸洞與廠房下游邊墻交叉口塌方。

3.2 地下廠房樁號0-5～0+5 m地段

該部位下游邊墻8～20 m高程布置有1號母線洞，下游邊墻-8～-15 m高程布置有1號尾水支洞。廠房下游邊墻走向N80°W，母線洞洞軸線為N10°E，尾水支洞洞軸線為N10°E。該部位發育有 f2，f20，f38，fj34-1 等斷層。

1）1號母線洞與廠房下游邊墻交叉部位取f2，f20，f38，Fj34-1組合分析（見圖 3），結構面在頂拱形成形成楔形體，向臨空面面滑動，對廠房與1號母線洞交叉口穩定不利。

2）1號尾水支洞與廠房下游邊墻交叉部位取Fj34、J33、J14 組合分析（見圖 4），結構面在頂拱形成向臨空面滑動的三棱錐體，開挖時發生塌方。

4 建議支護措施

4.1 地下廠房樁號0-30～0-50 m為塌方地段

圖3 赤平投影圖

圖4 赤平投影圖

施工時建議對塌方段采取如下支護處理方案：

1）混凝土回填。對樁號0-25～0-50 m塌方區采用了回填混凝土。

2）預應力錨索。在主變運輸洞樁號0-24.5～0-45.5 m段側壁及頂拱共設置了10根預應力錨索加固，邊墻錨索長23.9 m，頂拱長30 m。

3）對穿錨桿。在廠房安裝間下游墻廠房樁號0-04.15～0-031.35段之間，對穿錨桿將廠房下游墻與主變搬運洞、主變洞間巖體對穿，共設置36根，長度分別為30.0～47.5 m。對穿錨桿設置高程為8.2～23.2 m。

4）強錨桿加固。錨桿長度12 m，錨深10.6 m。具體為廠房下游邊墻樁號0-055.5～0-045.3 m布置24根，高程8.2～23.2 m；廠房下游邊墻樁號0-045.3～0-020.55 m 布置 36根，高程 8.2～30.2 m；在主變運輸洞右側邊墻布置45根。

5）工字鋼鋼拱架支護。對主變運輸洞樁號0-25～0-50 m，采用B型鋼拱架支護；對塌方段外0-7.6～0-25.0 m段采用A型鋼拱架支護。

6）混凝土襯砌。對主變運輸洞樁號0-7.6～0-50 m進行混凝土襯砌。

7）加厚貼壁混凝土墻：考慮到塌方對廠房拱角及巖錨梁有一定影響，在廠房樁號0-055.5～0-045.3 m、高程7.1～24 m段下游邊墻擴挖0.85 m，加設貼壁混凝土墻；在廠房樁號0-045.3～0-020.55 m、高程7.1～22.6 m段下游邊墻也擴挖0.85 m，將原0.8 m貼壁混凝土墻曾至1.65 m（含噴護15 cm）。

8）固結灌漿。對廠房樁號0-007～0-053 m間的下游邊墻，在廠房上層排水廊道向下打孔進行固結灌漿。經過3年多的觀察，處理后，該段塌方段處于穩定狀態。

4.2 地下廠房樁號0-5～0+5地段

該部位下游邊墻8～20 m高程，布置有1號母線洞，下游邊墻-8～-15 m高程，布置有1號尾水支洞。廠房下游邊墻走向N80°W，母線洞洞軸線為N10°E，尾水支洞洞軸線為N10°E。該部位發育有f2，f20，f38，fj34-1等斷層。開挖時地質建議對此部位及時采取鋼支撐和噴混凝土支護處理，經處理后在整個開挖過程未發生變形，圍巖整體穩定。

5 結語

根據以上分析，得出以下認識和結論：

1）廠房軸線布置的方向應充分考慮最大主應力方向和構造的產狀。

2）結構面的分析對廠房穩定至關重要，蒲石河洞室圍巖穩定主要受軟弱結構面的發育分布及組合特點所控制。尤其在洞室交叉部位，受結構面及相連洞室開挖等影響，多處發生掉塊、塌方等地質現象。

3）圍巖穩定分析中假設結構面產狀不發生變化，結構面切割塊體均為剛體。

4）蒲石河抽水蓄能電站地下廠房巖體質量整體較好，Ⅰ類和Ⅱ類圍巖占50%以上，Ⅲ類圍巖占約37%，Ⅳ類圍巖約11%。