水電站氣墊式調(diào)壓室工程地質(zhì)條件初步評價(jià)

冉從彥， 張世殊， 紀(jì)海鋒

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 四川 成都 610072)

0 前 言

氣墊式調(diào)壓室是一種在巖體內(nèi)由巖壁和水面圍成的封閉式的氣室，并利用氣室高壓空氣形成“氣墊”抑制室內(nèi)水位高度和水位波動(dòng)幅值的水錘和涌波控制措施。自20世紀(jì)70年代以來，歐洲以及日本均進(jìn)行研究，特別是在地質(zhì)條件較好的挪威，已積累豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。進(jìn)入21世紀(jì)，氣墊式調(diào)壓室以其引水隧洞圍巖條件相對較好、有效降低引水隧洞工程量、布置靈活、節(jié)約投資等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被國內(nèi)水電行業(yè)所采納。本文以某電站為例，就氣墊式調(diào)壓室關(guān)鍵工程地質(zhì)問題進(jìn)行初步評價(jià)。

1 工程概況

某水電站采用無壩取水口，引水隧洞長約30 km，電站利用落差900 m，初擬裝機(jī)容量80萬kW，額定水頭864 m，最大引用流量106 m3/s。

電站推薦采用的氣墊式調(diào)壓室方案氣室底板高程2 300.00 m，推薦氣室斷面采用圓拱直墻型，開挖尺寸134.00 m×18.40 m×24.50 m(長×寬×高)。推薦方案氣墊式調(diào)壓室設(shè)計(jì)壓力6.00 MPa， 最大氣體壓力7.78 MPa、最小氣體壓力5.02 MPa。

2 基本地質(zhì)條件

某電站工程區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造背景較復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)較為強(qiáng)烈。調(diào)壓室位置地震基本烈度為Ⅸ度，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性差。

氣墊式調(diào)壓室位置的條形山體走向近NW向，山體較雄厚，表部植被發(fā)育，多為灌木及喬木，基覆分界一般位于2 300 m高程附近，以下主要為崩坡積堆積。調(diào)壓室底板位于的2 300 m高程山體厚度約2.74 km，調(diào)壓室水平埋深1 250 m(見圖1)，垂直埋深780 m，最小側(cè)向埋深約590 m(扣除強(qiáng)卸荷巖體厚度)。

圍巖為多雄拉巖組新鮮的條帶狀及眼球狀片麻巖，眼球狀片麻巖相對占優(yōu)，巖石堅(jiān)硬，飽和抗壓強(qiáng)度一般為70 MPa，最大可達(dá)100 MPa以上。

巖體中片麻理發(fā)育，為優(yōu)勢裂隙面，其產(chǎn)狀為N30°E/SE70°～80°；除片麻理外，還發(fā)育有其他三組裂隙：產(chǎn)狀為N30°～40°W/NE<60°～75°；N30°W/SW∠65°；SN/W<40°。除上述裂隙外，其他裂隙以順片麻理方向的長大裂隙及順層擠壓帶為主。

調(diào)壓室位置自然岸坡陡峻，坡表巖體風(fēng)化卸荷較為強(qiáng)烈，推測強(qiáng)卸荷巖體下限水平埋深約40 m，弱卸荷、弱風(fēng)化巖體下限水平埋深約60～80 m。

該區(qū)域常年降水充沛，地下水較豐富。調(diào)壓室位置地下水主要為裂隙水及孔隙潛水，主要受大氣降雨補(bǔ)給，自河岸向河床排泄。經(jīng)現(xiàn)場鉆孔高壓壓水試驗(yàn)分析，推測該位置巖體滲透系數(shù)平均值為0.472 5 lu，大值平均值為1.96 lu，小值平均值為0.162 2 lu。

圖1 氣墊式調(diào)壓室橫剖面示意(1 ∶10000)

3 工程地質(zhì)條件初步評價(jià)

3.1 巖體質(zhì)量及成洞條件

初擬氣墊式調(diào)壓室位置洞室圍巖質(zhì)量主要受巖石強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)面的切割組合、地應(yīng)力量值等影響，推測調(diào)壓室部位巖體結(jié)構(gòu)以“次塊狀～塊狀”為主，圍巖以Ⅲ類為主，部分為Ⅱ類，整體穩(wěn)定條件較好，總體具備成洞條件。受結(jié)構(gòu)面組合切割，局部存在塊體穩(wěn)定問題。調(diào)壓室垂直埋深約780 m，為高地應(yīng)力區(qū)，高地應(yīng)力對洞室圍巖的變形與穩(wěn)定影響也較為突出。

3.2 山體抗抬穩(wěn)定性

根據(jù)氣墊式調(diào)壓室所在部位的地質(zhì)橫剖面分析(見圖1)，初擬氣墊式調(diào)壓室位于岸坡下部山體內(nèi)，垂直埋深大于780 m，水平埋深大于1 250 m，與斜坡之間最小側(cè)向埋深為590 m(去掉了強(qiáng)卸荷巖體)。

根據(jù)氣墊式調(diào)壓室上覆巖體應(yīng)滿足的最小厚度經(jīng)驗(yàn)公式：

(1)

式中CRM——除去覆蓋層及全、強(qiáng)風(fēng)化、強(qiáng)卸荷巖體后的最小埋深厚度，m；

H0——?dú)鈮|式調(diào)壓室設(shè)計(jì)壓力，m；

γw——水的重度，N/m3；

Z0——?dú)馐以O(shè)計(jì)靜態(tài)工況的室內(nèi)水位，m；

γr——巖體重度，N/m3；

α——地形邊坡平均傾角,(°)，當(dāng)α>60°時(shí)，取α=60°；

F——經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，一般取1.3～1.5。

結(jié)合本設(shè)計(jì)方案，H0為最高發(fā)電水位與氣墊式調(diào)壓室初始水面高程之差，為616.2 m；γr取2.7 N/m3；γw取1.0 N/m3；經(jīng)驗(yàn)系數(shù)F取1.4；地形平均坡度α為32°。

由圖1可知，初擬的氣墊式調(diào)壓室與斜坡之間最小側(cè)向埋深為590 m，大于臨界厚度364 m，故現(xiàn)階段布置的氣墊式調(diào)壓室可滿足山體抗抬穩(wěn)定性要求。

3.3 圍巖抗劈裂穩(wěn)定性

按照相關(guān)規(guī)范要求，氣墊式調(diào)壓室抗劈裂地應(yīng)力條件為：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)滿足經(jīng)驗(yàn)公式：

σ3≥(1.2～1.5)γwPmax

(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，以水頭表示，m。

(1)自重應(yīng)力。垂直應(yīng)力用巖石的自重應(yīng)力進(jìn)行估算，按公式(3)進(jìn)行：

σV=γH

(3)

取γ=2.7×104N/m3，氣墊式調(diào)壓室最大垂直埋深為780 m，估算出最大垂直應(yīng)力為21 MPa。

(2)最小主應(yīng)力估算。在大多數(shù)情況下，最小主應(yīng)力與最大主應(yīng)力的比值一般為0.3～0.4，最小主應(yīng)力與中間主應(yīng)力的比值一般為0.4～0.6。本工程氣墊式調(diào)壓室自重應(yīng)力約為21 MPa，若以自重應(yīng)力作為中間主應(yīng)力σ2，取σ3和σ2的比值分別為0.4和0.6時(shí)，估算的氣墊式調(diào)壓室部位的最小主應(yīng)力值對應(yīng)為8.4 MPa 和12.6 MPa，平均為10.5 MPa。

(3)抗劈裂穩(wěn)定性評價(jià)。由上述分析可知，初擬氣墊式調(diào)壓室部位σ3為8.4～12.6 MPa，氣墊式調(diào)壓室的氣室設(shè)計(jì)最大氣體壓力Pmax為7.78 MPa，σ3/Pmax=1.08～1.62，σ3平均值/Pmax=1.35，基本滿足σ3≥(1.2～1.5)γwPmax的要求，圍巖整體上發(fā)生劈裂破壞的可能性小。

3.4 圍巖抗?jié)B穩(wěn)定性

調(diào)壓室圍巖總體以微透水為主，但局部發(fā)育的裂隙密集帶和擠壓破碎帶具弱透水性，分析認(rèn)為很難滿足氣墊式調(diào)壓室圍巖閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定性要求；且調(diào)壓室位置總體上為條形山脊，地下水較難形成寬廣、連續(xù)、穩(wěn)定的地下水面，因此，本工程難以利用天然地下水位作為天然的抗?jié)B屏障，即天然條件下圍巖難以滿足圍巖閉氣和利用天然地下水位進(jìn)行水幕閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定要求。

4 結(jié)論及建議

初步評價(jià)認(rèn)為，圍巖具備修建氣墊式調(diào)壓室的工程地質(zhì)條件，但需注意裂隙組合及高地應(yīng)力引起的洞室圍巖穩(wěn)定問題；初擬氣墊式調(diào)壓室滿足山體抗抬穩(wěn)定性要求；初擬氣墊式調(diào)壓室部位圍巖整體上發(fā)生劈裂破壞的可能性小。

天然條件下圍巖難以滿足圍巖閉氣和利用天然地下水位進(jìn)行水幕閉氣的抗?jié)B穩(wěn)定要求，可采取鋼包閉氣，或研究灌漿后采用水幕鉆孔進(jìn)行人工水幕閉氣的可能性。

參考文獻(xiàn)：

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