抽蓄電站地下廠房位置與軸線選擇的設(shè)計(jì)思路

劉寅 馮飛

（中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安710065）

1 概述

本文所涉及抽蓄電站輸水線路總長度為3178m，距高比為6.00。地下廠房系統(tǒng)采用中部偏尾部式布置方式。電站單機(jī)容量為300MW，裝機(jī)臺(tái)數(shù)為4 臺(tái)，總裝機(jī)容量為1200MW，采用立軸單級(jí)混流可逆式蓄能機(jī)組。地下廠房洞室群由主廠房、母線洞、主變洞、220kV 電纜出線洞、尾閘洞、進(jìn)廠交通洞、通風(fēng)兼安全洞、排水廊道、排風(fēng)排煙豎井及施工支洞等組成。主廠房洞的開挖尺寸為173.5m×24.3m×56.30m（長×寬×高）。

2 工程地質(zhì)條件

地下廠房布置于上壩線以上230m 的左岸山體內(nèi)，與主變室和尾閘室呈平行布置，地下廠房洞距離坡外約870m，地下廠房上覆巖體厚度396m～486m，水平埋深約710m，深埋地下。根據(jù)地面測繪及平硐編錄資料，主廠房及主變室位置地層巖性為微新花崗巖，巖體呈弱～微風(fēng)化。地下廠房部位斷裂構(gòu)造不發(fā)育，巖體完整性好，硐室圍巖穩(wěn)定，以Ⅲ類圍巖為主，少量Ⅱ類。

地下廠房處于地下水位以下，地下水位高程約1825m～1835m，高于頂拱約135m～145m。地下水為基巖裂隙水，主要賦存在斷層帶及裂隙密集帶部位。地下水活動(dòng)可能較強(qiáng)，主要呈滴水或線狀流水，斷層帶集中性涌水現(xiàn)象可能較多。同時(shí)，下水庫蓄水后，也可能存在向地下廠房的滲漏的問題。

主要發(fā)育的裂隙有三組：①組走向NE80°～NW280°，傾向SE/NE，高傾角為主，一般70°～85°，較發(fā)育，一般寬20cm～30cm，面較平直、較光滑，充填碎裂巖、巖粉、泥質(zhì)等，代表斷層為f31、f32、f41 等；②組走向NW310°～330°，傾向NE/SW，中陡傾角為主，一般30°～75°，發(fā)育，個(gè)別規(guī)模相對較大，一般寬1cm～5cm，充填碎裂巖、斷層泥等；③組走向NE60°～NE80°，傾向SE，中陡傾角為主，一般50°～90°，較發(fā)育，寬度小于1cm，面較平直、較光滑，充填碎裂巖、斷層泥等。同時(shí)發(fā)育多組節(jié)理，延伸較短，但分布較廣。走向多與層面平行或垂直，發(fā)育間距0.5m～4cm，傾角一般25°～40°，部分陡傾。巖體總體較完整，呈中厚層～次塊狀結(jié)構(gòu)，局部斷層影響帶、節(jié)理密集帶碎裂狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)鉆孔及平硐資料，未發(fā)現(xiàn)高地應(yīng)力造成的餅狀巖芯和探硐巖爆現(xiàn)象，初步判斷工程區(qū)地應(yīng)力水平屬低～中等水平。廠房部位上覆巖體厚度396m～486m，按巖體厚度和密度2.6g/cm3計(jì)，巖體自重應(yīng)力σh=12.7MPa～14.0MPa，屬中等應(yīng)力水平。

圖1 地下廠房斷裂等密度圖

3 地下廠房位置及軸線選擇原則

地下廠房在選定的中部偏尾部開發(fā)方案的基礎(chǔ)上，結(jié)合廠房區(qū)地質(zhì)條件及輸水發(fā)電系統(tǒng)布置，進(jìn)一步優(yōu)選廠房位置及軸線方向。廠房位置及軸線方向選擇時(shí)主要遵循以下原則：

（1）廠房洞室群和引水高壓岔管應(yīng)盡量置于圍巖穩(wěn)定的Ⅱ類、Ⅲ類圍巖內(nèi)；避開區(qū)域性大的斷裂及規(guī)模較大的斷層破碎帶。

（2）廠房埋深不宜過大，避免產(chǎn)生過高的地應(yīng)力。

（3）廠房軸線方向與主要結(jié)構(gòu)面走向應(yīng)構(gòu)成較大的夾角。

（4）在高地應(yīng)力區(qū)，廠房洞室縱軸線與最大主應(yīng)力水平投影方向的夾角宜采用較小的角度。

（5）洞室群離庫岸應(yīng)預(yù)留足夠的距離以滿足防滲及樞紐建筑物的布置要求。

（6）在地質(zhì)條件允許的情況下，廠房位置、洞室縱軸線方選擇應(yīng)兼顧輸水發(fā)電系統(tǒng)布置，使工程總體布置合理、順暢。

4 地下廠房位置選擇

本抽蓄電站輸水發(fā)電系統(tǒng)整體巖性劃分明顯，以A 大斷裂為分界，上游均為花崗巖，巖體總體較完整，呈中厚層～次塊狀結(jié)構(gòu)，斷層裂隙較發(fā)育，單規(guī)模均較小，成洞條件較好，A 大斷裂斷裂下游巖性為二迭系砂巖泥巖，總體較差，不利于大型洞室的穩(wěn)定A 大斷裂上游側(cè)花崗巖結(jié)構(gòu)面不發(fā)育，三組結(jié)構(gòu)面寬度均較小，部分為短小斷續(xù)延伸的硬性結(jié)構(gòu)面，對廠房穩(wěn)定性影響有限，不控制廠房位置的選擇。因此本工程廠房洞群布置選擇避開A大斷裂，將廠房洞室群布置于花崗巖區(qū)內(nèi)，并且考慮進(jìn)場交通、通風(fēng)、運(yùn)行管理等因素，廠房位置盡量靠近下庫庫岸。

選定主廠房位置位于A 大斷裂影響帶上游200m，距下庫進(jìn)出水口約800m，避開了上游砂巖條帶以及下游A 大斷裂的影響，并縮短了輔助洞室的長度，根據(jù)地面地質(zhì)測繪及平硐勘探結(jié)果，選定廠房位置部位出露巖性為較堅(jiān)硬的花崗巖，巖體呈弱～微風(fēng)化，斷裂構(gòu)造少發(fā)育，巖體較完整，呈塊狀～次塊狀結(jié)構(gòu)，局部斷層影響帶、節(jié)理密集帶為碎裂狀結(jié)構(gòu)。地下廠房圍巖以Ⅲ類圍巖，主要是以Ⅲ1 類圍巖為主，成洞條件較好。

5 地下廠房軸線選擇

在擬定地下廠房軸線時(shí)，一般認(rèn)為，軸線應(yīng)盡量平行最大主應(yīng)力方向或呈小角度斜交，與主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角，這樣對頂拱、邊墻穩(wěn)定有利。同時(shí)軸線應(yīng)滿足各樞紐建筑物的布置協(xié)調(diào)和運(yùn)行要求。

從區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場看，根據(jù)鉆孔、平硐資料及地應(yīng)力試驗(yàn)結(jié)論，工程區(qū)地應(yīng)力水平屬低～中等水平，區(qū)域構(gòu)造主應(yīng)力場方位為NE35°，1100m 深處的花崗巖探硐也未見明顯的高地應(yīng)力現(xiàn)象，總體來說地應(yīng)力方位對廠軸線選擇無控制性影響。但按廠房軸線選擇原則考慮，廠房軸線優(yōu)先選擇與主應(yīng)力方向NE35°一致或呈小角度（小于10°）相交，廠房軸線宜為NE25°～NE45°

從結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況看，地下廠房洞室群的主要結(jié)構(gòu)面最發(fā)育的有三組（工程地質(zhì)條件中已詳細(xì)闡述），三組結(jié)構(gòu)面規(guī)模均不大，對地下洞室圍巖穩(wěn)定性影響較小。其中第③組結(jié)構(gòu)面部分為短小且斷續(xù)延伸的硬性結(jié)構(gòu)面，對洞室穩(wěn)定影響最小。因此廠區(qū)內(nèi)結(jié)構(gòu)面雖總體不控制廠房軸線的選擇，但按廠房軸線選擇原則考慮，廠房軸線選擇宜與①組走向NE80°～NW280°結(jié)構(gòu)面以及②組走向NW310°～330°結(jié)構(gòu)面大角度相交（大于45°），廠房軸線宜為NE15°～NE35°。

因此廠房軸線方向在兼顧結(jié)構(gòu)面和地應(yīng)力方位，同時(shí)考慮與輸水線路布置相協(xié)調(diào)，便于于機(jī)電設(shè)備的布置等因素，優(yōu)先考慮采用斜進(jìn)廠方式。斜進(jìn)廠方向與廠房軸線的夾角初選為60°～80°范圍，對應(yīng)廠房軸線范圍為NE20°～NE40°。

圖2 廠房軸線與結(jié)構(gòu)面走向以及地應(yīng)力主應(yīng)力方向相互關(guān)系

為更好的優(yōu)選出合適的廠房軸線，可以在上述斜進(jìn)廠與廠房軸線夾角的合理范圍內(nèi)對廠房軸線進(jìn)行敏感性分析。軸線方向的調(diào)整對地下廠房三維整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果（位移、應(yīng)力、塑性區(qū)等）影響不大，而是通過斷層與地下廠房相對位置改變，從而導(dǎo)致塊體的形狀、大小和位置均發(fā)生變化，使地下廠房圍巖的局部穩(wěn)定性存在差異。因此塊體穩(wěn)定性問題是軸線方向優(yōu)選的主要依據(jù)。

根據(jù)敏感性分析計(jì)算的結(jié)果，對塊體可能出露的位置、大小、安全系數(shù)綜合比較，表明當(dāng)廠房軸線方向?yàn)镹E30°時(shí)，三大洞室的塊體體積小于其他兩種方案，塊體穩(wěn)定系數(shù)較大，最終采用廠房軸線方向?yàn)镹E30°。

6 結(jié)論

本文涉及抽蓄電站的地下廠房地質(zhì)條件較為鮮明，巖性劃分比較有特點(diǎn)。綜合考慮實(shí)際地質(zhì)條件，包括地質(zhì)巖性、地應(yīng)力情況，結(jié)構(gòu)面發(fā)育情況，以及結(jié)合水工布置條件，確定了地下廠房的較佳位置和較佳軸線方向，為結(jié)合地質(zhì)條件判定抽蓄電站地下廠房位置與軸線選擇提供了設(shè)計(jì)思路。下一步將在現(xiàn)有的工作基礎(chǔ)上，根據(jù)世界開挖所揭露的地質(zhì)條件和監(jiān)測分析成果，進(jìn)一步完善支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)。