CCS水電站地下廠房圍巖分類方法研究

楊繼華，郭衛新，齊三紅，張黨立

(黃河勘測規劃設計有限公司，河南 鄭州 4 50003)

0 引言

水電工程地下建筑一般包括主廠房、主變室、引水洞、母線洞、尾水洞及交通洞等諸多地下洞室。隨著水電工程地下洞室規模的日益擴大，水電站地下洞室呈現出“大跨度、高邊墻、長軸線”的特點，洞室的工程地質問題日漸復雜和突出。因此，采用合理的方法對地下洞室圍巖進行分類是一項急需解決的問題。對于此問題，多位學者及工程人員結合具體工程采用不同的方法對地下洞室圍巖分類進行了研究［1-7］，并得出了一些有益的結論。文獻［1］介紹了目前國內外幾種圍巖分類方法及其相互關系，并以溪洛渡水電站導流洞為例，具體說明水電工程地下洞室圍巖如何分類，并對RMR法和Q系統分類結果進行了對比;文獻［2-4］分析了不同地應力、外水壓力條件下RMR法、Q系統、HC法及國標BQ分類法的適用性，并提出了水利水電地下洞室圍巖分類存在的主要問題及發展方向;文獻［5］以蒲石河抽水蓄能電站大型地下廠房為例，在分析巖體結構特征的基礎上采用國際BQ法對圍巖進行了分類;文獻［6］對比分析了RMR法與國標BQ法的特點，并在圍巖分類的基礎上確定了巖體力學參數;文獻［7］建立了巖質圍巖施工階段亞級分級指標體系。從以上研究可以看出，RMR法和Q系統分類法是目前國內外常用的圍巖分類方法，而國內規范中的圍巖分類方法，如BQ法、水電HC法在國外鮮有應用，值得向國外推廣應用。

本文以厄瓜多爾CCS水電站地下廠房洞群為工程實例，以主廠房中導洞開挖的地質資料為基礎，綜合分析目前國內外常用的幾種圍巖分類方法，采用RMR法、Q系統分類法對圍巖進行分類，同時以水電HC法對分類結果進行驗證，并對分類結果進行對比分析，探討水電HC法對國外工程的適用性。

1 工程概況

1．1 水電站概況

CCS水電站是厄瓜多爾最大的水電站，位于厄Sucumbios省境內的COCA河下游，為引水式電站。電站廠房類型為地下廠房，總裝機容量1 500 MW。地下廠房系統由主廠房、主變室、母線洞、引水洞、壓力管道、尾水洞、交通洞、排水廊道以及高壓電纜洞等洞室組成，見圖1。其中主廠房開挖斷面為城門洞型，開挖長、寬、高、分別為 212．8，27．5，50．0 m，走向 315°，垂直埋深150～300 m。

圖1 CCS水電站地下廠房洞室群三維布置圖Fig．1 3D layout of underground powerhouse caverns of CCS hydropower station

1．2 工程地質條件

CCS水電站廠房區構造相對簡單，地質調查沒有發現規模較大的斷層，但局部發育有小規模斷層及節理裂隙密集帶。廠房區內巖性主要為侏羅系-白堊系Misahualli地層(J-Km)青灰色、紫紅色及淺紅色火山凝灰巖，火山角礫巖及流紋巖等，巖體結構以整體塊狀、塊狀、次塊狀為主。廠房區地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于地層的節理裂隙中，廠區附近不存在穩定的地下水位，局部存在脈狀、帶狀地下水。區內的現今構造應力作用并不強烈，應力值不高，主應力方向為NW向，最大量值約9．5 MPa。

2 水電地下洞室圍巖分類常用方法

2．1 RMR 分類法

RMR分類［8-9］根據6個指標，即巖塊的單軸抗壓強度(R1)、巖石質量指標(R2)、節理間距(R3)、節理狀況(R4)、地下水狀況(R5)及修正系數(R6，洞室的方向關系確定)來確定巖體的綜合質量評分。把上述各個指標的巖體評分值相加起來就得到巖體的RMR值，RMR法評分與巖體等級的關系如表1所示。

表1 巖體質量的RMR評價分類Table 1 Classification of surrounding rock by RMR method

2．2 Q 系統法

Q系統法［10-12］以6個參數，即 Deere的質量指標、節理組數、最脆弱的節理粗糙度系數、最脆弱節理面的蝕變程度或充填情況、裂隙水折減系數和應力折減系數確定圍巖穩定性的巖體質量指標Q值。具體Q值與圍巖類別的對應關系見表2。

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2．3 HC 法

HC法［13］的工程地質分類分為初步分類和詳細分類，以評分的方式對圍巖進行評價。初步分類以巖石強度、巖體完整程度和巖體結構類型為依據，以巖層走向與洞軸線的關系、地下水條件為輔助依據。詳細分類以控制圍巖穩定的巖石強度、巖石完整程度、結構面狀態、地下水和主要結構面產狀5項因素之和的總評分為基本判據，圍巖強度應力比為限定判據。HC圍巖分類法同時考慮了高地應力對圍巖類別的影響。HC法圍巖類別與評分的對應關系如表3所示。

表3 HC法地下洞室圍巖詳細分類Table 3 Classification of surrounding rock by HC method

2．4 3種分類方法的優、缺點

HC分類法、Q系統法及RMR法均考慮了巖石強度、巖體的完整性、結構面的特征、地下水及地應力等因素，并采用了多個指標復合計算的方法，同時根據不同影響因素對圍巖穩定性影響的權重進行評分。但3種分類方法在特定的條件下均有一定的局限性，如HC分類法在高地應力條件下對圍巖類別采取了降級的處理方法，這樣會影響圍巖分類的精度，同時該方法沒有考慮高外水壓力的影響;Q系統法也有幾個方面的不足，沒有直接考慮巖石的強度，同樣沒有考慮高外水壓力對圍巖類別的影響;RMR法亦沒有考慮高地應力和高外水壓力的影響。3種圍巖分類方法均考慮了結構面的影響，但并沒有考慮不同組別結構面的不利組合這一因素的影響。

在地下洞室的圍巖分類中，如果采用單一的方法，所得結果往往因為分類方法的局限性造成誤差，因此，應采用多種分類方法對分類結果進行對比驗證，使誤差降到最低。

3 CCS水電站地下廠房圍巖分類

3．1 CCS水電站地下廠房圍巖分類標準

在CCS水電站主廠房開挖之前，設計單位沿廠房軸線方向進行了探硐勘察，并在探硐里進行試驗。但探硐洞徑遠小于廠房，在廠房中導洞開挖過程中，一些探硐中沒有出現的地質現象也隨著導洞的開挖推進依次揭露，因而依據探硐資料建立的圍巖分類也需要進一步的修正和完善，這對提高施工質量、保證施工完全及優化設計等都有重要的意義。

為了正確評價地下廠房洞群圍巖的穩定性，合理地選取圍巖的力學參數及支護類型，并考慮地下洞室區域地應力量值中等、外水壓力較低的特點，選取國際上通用的且對本工程適用性較好的RMR法、Q系統法及HC法進行對比驗證，對地下洞室圍巖進行分類。根據上述圍巖分類方法，將地下洞室圍巖劃分成5個大類。各類圍巖的分類特征見表4。

表4 CCS水電站地下洞室圍巖分類標準Table 4 Standard of classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

3．2 CCS水電站主廠房圍巖分類

通過廠房中導洞開挖的地質編錄及地質素描圖并參照表4的分類標準對廠房進行詳細的分段圍巖分類，分類結果見表5。以RMR法、Q系統法和HC法分類結果為基礎，對主廠房圍巖進行綜合評判，由表5及表4可以看出，地下廠房圍巖巖體新鮮、堅硬致密，巖石單軸飽和抗壓強度較高，裂隙不發育-中等發育，巖體呈整體塊狀-塊狀-次塊狀結構，地應力量值中等，地下水不活躍，圍巖穩定性較好，以Ⅱ、Ⅲ圍巖為主;局部出現的斷層及破碎帶為碎裂-散體結構，穩定性較差，為Ⅳ類圍巖;無Ⅰ類和Ⅴ類圍巖。

3．3 3種圍巖分類方法結果對比

圖2給出了RMR法、Q系統法及HC法3種不同分類方法各類圍巖所占比例的對比圖。從圖2可以看出:RMR法分類中，Ⅱ類圍巖占58．6%，Ⅲ類圍巖占36．1%，Ⅳ類圍巖占5．3%;Q系統法分類中，Ⅱ類圍巖占43．5%，Ⅲ類圍巖占45．9%，Ⅳ類圍巖占10．6%;HC法分類中，Ⅱ類圍巖占 48．2%，Ⅲ類圍巖占43．6%，Ⅳ類圍巖占8．2%。3種分類方法各類圍巖所占比例稍有差別，但彼此較為接近，這主要是因3種方法所選取的指標的側重點不完全不同，且部分定性或半定量指標依賴于地質人員的經驗?？傮w來說，3種方法都較好地評價了地下廠房區的圍巖特征。

3．4 圍巖分類方法相關性分析

圖2、圖3及圖4分別給出了RMR法和Q系統法、Q系統法和HC法、HC法和RMR法的相關性，可以看出，RMR法和Q系統法呈指數關系，Q系統法和HC法呈對數關系，HC法和RMR法呈線性關系，三者的相關系數別為0．786 2，0．822 9 和 0．920 8，3 類圍巖分類方法的相關性較高，表明3種分類對CCS水電站地下廠房圍巖分類具有較高的可比性和可參考性，分類結果的可靠性較高。

表5 CCS水電站廠房分段圍巖分類Table 5 Section-by-section classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

圖2 不同分類方法各類圍巖所占比例Fig．2 Proportions of surrounding rock classified by different classification methods

圖3 RMR法和Q系統法的相關性Fig．3 Correlation between RMR method and Q system

圖4 Q和HC分類法的相關性Fig．4 Correlation between Q system and HC method

圖5 HC和RMR分類法的相關性Fig．5 Correlation between HC method and RMR method

4 結論與體會

本文對水電工程常用的圍巖分類方法進行了綜合分析及討論，并采用RMR法、Q系統法及水電HC法對厄瓜多爾CCS水電站地下廠房進行了圍巖分類，最終以RMR法、Q系統法和HC法分類結果為基礎，采用專家經驗對主廠房圍巖進行綜合評判，得出各洞段的最終圍巖等級，主要得出了如下結論:

1)RMR法、Q系統法及水電HC分類法均運用了多個因素復合計算的方法，全面考慮了巖石的強度、巖體的完整性、結構面的特征、地下水及地應力等影響圍巖穩定性的因素。

2)CCS地下廠房以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部斷層破碎帶為Ⅳ類圍巖，無Ⅰ類和Ⅴ類圍巖，圍巖條件總體較好。3種分類方法中各類圍巖所占比例相差較小。

3)RMR法和Q系統分類法呈指數關系，Q系統法和HC法呈對數關系，HC法和RMR法呈線性關系，三者的相關系數別為 0．786 2，0．822 9，0．920 8，3 種圍巖分類方法的相關性較高。

4)對于水電地下工程圍巖分類，應選用在國際上有影響的且常用的2～3種分類方法進行分類，以便相互比較和驗證。

值得一提的是，水電HC圍巖分類方法在國內得到了廣泛的應用，但遠未達到國際通用的程度。在厄瓜多爾CCS水電站地下廠房洞室的施工過程中，地質工程師分別采用了RMR法、Q系統法及HC法對洞室進行了圍巖分類，并對結果進行了對比分析，所得結果得到了當地業主和咨詢專家的認可，這說明了HC法的合理性，同時也為中國規范向國外推廣應用積累了經驗。

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