深圳抽水蓄能電站高壓岔管圍巖特征與針對性處理

王國軍，陳坤城

（廣東省水利電力勘測設計研究院，廣州 510635）

深圳抽水蓄能電站地處廣東省深圳市鹽田區和龍崗區交界處，毗鄰香港特別行政區，站址距深圳市中心約20 km。電站裝機容量1200 MW，為Ⅰ等大（1）型工程。電站高壓岔管由1 條主管和3 個60°卜形分岔支管組成，岔管斷面為圓形，采用鋼筋混凝土襯砌型式，主管長度67.262 m，最大管徑8.5 m，襯砌厚度0.8 m，設計最大靜水壓力5.3 MPa，設計最大動水壓力7.2 MPa。區域性斷裂——深圳大斷裂通過電站下庫，高壓岔管選址在深圳大斷裂上盤距離2 km 處，受其影響，開挖揭示圍巖條件雖然較優，且以完整的Ⅱ類圍巖為主，但也發育有次一級小斷層f382、f383，斷層之間節理密集，形成11 m寬硬、脆碎裂巖帶，導致圍巖強度下降，圍巖穩定問題突出，亟待解決[1]。

1 高岔圍巖特征

1.1 圍巖類別

根據地質素描資料，高岔圍巖巖性為燕山三期（γ52（2））微風化狀～新鮮狀中粗粒黑云母花崗巖夾長英質角巖，均為硬質巖，圍巖類別以Ⅱ類為主，累計長度56.262 m，占84%；次為Ⅲ類，累計長11 m，占16%；Ⅲ類圍巖位于斷層f382、f383 之間，巖體受擠壓呈碎裂狀，風化程度微風化～弱風化狀態，裂隙極發育，裂隙密度＞10條/m，總寬度11 m，規模大，延伸長，連通廠房，產狀N50°W/NE∠70°～75°，與高岔、廠房軸線近正交，影響范圍較大（見圖1）。施工開挖時，自然條件下，斷層帶串珠狀滲滴水，流量不大，為1～2 L/min，節理面微張開～閉合，滲透性一般。總體而言，高岔圍巖條件較優越，具備抵抗高水頭的地質條件，但Ⅲ類圍巖強度相對較弱，同時由于斷層帶巖體抗變形、抗劈裂及抗滲能力不強，難以抵擋高壓水頭沖擊，隱患突出，需進行針對性加強處理。為研究高岔圍巖長期高水頭作用下的穩定性，從而確保運行期高岔部位結構安全，在隧洞開挖完后，采用抗水力劈裂試驗和鉆孔變形試驗對斷層帶Ⅲ類圍巖及完整的Ⅱ類圍巖強度指標進行勘察復核。

圖1 高壓岔管圍巖類別及斷層裂隙示意圖

1.2 圍巖抗劈裂特征

采用水壓劈裂試驗測定圍巖抗劈裂能力。按1.2～1.4倍最大靜水頭壓力確定試驗壓力值，劈裂壓力取值采用最小劈裂壓力法，即流量明顯突變的起始點對應壓力為劈開壓力，共獲得有效試驗數據19組，不同類別巖體的代表性試驗成果表見表1，試驗壓力流量關系曲線圖見圖2～圖4[2]。

類別 Ⅱ類圍巖 斷層帶Ⅲ類圍巖 極個劈裂壓力/MPa巖石質量指標RQD值/%6.8 90 5.6 30～68別不利結構面4.6 88～100壓力/MPa 1.0 1.9 3.1 4.1 5 6.1 6.6 7.5 8.7 0.8 2.0 3.0 4.0 5.4 6.0 6.5 0.5 0.8 2.0 3.4 4.2 5.0 5.5流量/（L/min）15.1 20.8 23.1 23.9 24.3 25.1 25.4 27.7 35.8 10.5 25.2 27.3 28.7 30.1 32.9 38.5 9.1 14.0 24.5 30.1 32.9 40.6 47.6透水率/Lu 5.0 3.6 2.5 2.0 1.6 1.4 1.3 1.3 1.4 2.7 2.5 1.8 1.5 1.1 1.1 1.2 3.6 3.5 2.5 1.8 1.5 1.6 1.8

圖2 Ⅱ類圍巖試驗壓力～流量關系曲線圖

圖3 斷層帶Ⅲ類圍巖試驗壓力～流量關系曲線圖

圖4 極個別不利結構面試驗壓力～流量關系曲線圖

根據19組試驗數據，建立鉆孔巖芯巖石質量指標RQD 與不同圍巖抗劈裂值關系圖，繪制趨勢線L、P（見圖5）。

圖5中抗劈裂趨勢線L，采用16組數據，占總組數84%，具普遍代表性，從圖中可看出圍巖抗劈能力與巖石完整程度成正比，RQD 值越低，圍巖越破碎、不完整，抗劈裂值越小；RQD 值越高，圍巖越完整，抗劈裂值越高。可推導出公式：

式中：PL為劈裂壓力值，MPa；R為RQD值，%。

圖5 中抗劈裂趨勢線P，采用3 組數據，占比16%，所占比例少，僅代表個別不利結構面的抗劈裂屬性。當不利結構面穿過巖體時，抗劈裂PP趨勢線比降明顯變小，近乎水平狀，劈裂能力已經不隨圍巖完整程度RQD值變化，表明結構面對巖體強度起主導作用，只有通過工程措施，提高結構面抗劈裂強度，才能達到提高圍巖強度的目的。推導出公式：

式中：PP為個別不利結構面，劈裂壓力值，MPa。

1.2.1 Ⅱ類圍巖抗劈裂值PⅡ

Ⅱ類圍巖RQD 值=75%～100%，代入公式（1），可得出Ⅱ類圍巖抗劈裂值；PⅡ=6.2～6.8 MPa，取平均值PⅡ=6.5 MPa。

統計Ⅱ類圍巖實測6組試驗值，實測抗劈裂PⅡ=6.2～7.4 MPa，實測平均值=（6.2+6.2+6.2+6.7+7.4+6.8）/6=6.5 MPa。

公式（1）計算結果與實測數值一致，說明完整的Ⅱ類圍巖，具備抵抗6.5 MPa水頭壓力的能力，說明1.2倍最大內水壓力1.2×5.3 MPa=6.5 MPa作用下圍巖不會開裂。

高岔Ⅱ類圍巖為主，占比高達84%，說明高壓岔管位置選擇是正確的，這為高岔圍巖穩定創造了有利地質條件。

1.2.2 斷層帶Ⅲ類圍巖抗劈裂值PⅢ

Ⅲ類圍巖RQD =35%～75%，代入公式（1），可得出Ⅱ類圍巖抗劈裂值；PⅢ=5.2～6.2 MPa，取平均值PⅢ=5.7 MPa。

統計Ⅲ類圍巖實測抗劈裂10組試驗，PⅢ=5.1～6.5 MPa；PⅢ（實測平均值）=（5.2+5.3+5.7+5.6+6.5+6.3+6.5+5.1+5.4+5.6）/10=5.7 PMa。

斷層帶Ⅲ類圍巖實測值與公式計算一致，平均值為5.7 MPa，靜水工況下圍巖不開裂，但1.2 倍靜水頭6.5 MPa壓力下斷層帶會開裂，需抗劈裂處理。

1.2.3 極個別不利結構面抗劈裂值Pp

巖體結構面多種多樣，各向異性，個別結構面數量雖少，但影響力有時極大。不利結構面趨勢線P 表明，個別不利結構面常常導致圍巖抗劈裂值大幅降低，Pp值僅為4.2～4.6 MPa，不論在Ⅱ類內還是斷層帶Ⅲ類里，抗劈裂值基本無變化，遠小于靜水頭，巖體極易開裂。因此，需高度重視發育極少的、個別的不利結構面，并采取針對性極強的工程措施。

1.2.4 圍巖透水性

統計Ⅱ類圍巖透水率（典型透水率圖見圖6），完整的Ⅱ類圍巖，1.2 倍最大內水壓力（6.5 MPa）作用下或巖石劈裂后，透水率大多數介于1～2 Lu 之間，均小于2 Lu，符合法國建立的圍巖滲透性與襯砌型式經驗準則，認為高岔可采用鋼筋混凝土襯砌和高壓固結灌漿處理。

圖6 典型巖體透水率（Ⅱ類圍巖）

統計Ⅲ類圍巖斷層帶的透水性（典型透水率圖見圖7）和個別不利結構面的透水性（典型透水率圖見圖8），情況與Ⅱ類基本一致，透水率大多數q＜2 Lu，這說明，即使高壓固結灌漿壓力大于巖石劈裂壓力，巖體在劈開后透水率未發生大幅增加，證明劈開裂縫延展并不長，沒有形成完整的集中滲漏通道，巖石沒有整體破壞，僅局部開裂，這為采用高壓水泥固結灌漿、高壓化學灌漿提高圍巖強度提供了地質依據。灌漿時，斷層帶及極個別不利結構面需要特別注意，由于裂隙導水，巖石開裂后試驗壓力提高不上來（見圖8），試驗壓力達不到1.2 倍靜水頭，6.5 MPa 高壓時透水率可能超過2 Lu，達不到法國圍巖滲透性準則要求，需加強措施，在巖石開裂后繼續灌漿，灌漿壓力應達到6.5 MPa以上，固結填滿結構面縫隙，達到提高圍巖強度目的。

圖7 典型巖體透水率（Ⅲ類圍巖斷層帶）

圖8 典型極個別不利結構面透水率

1.3 圍巖變形特征

采用鉆孔變形試驗，測試高岔圍巖在不同壓力狀態下的變形特征。共獲得有效變形數據37組，繪制RQD值與變形模量E關系曲線（見圖9）。

圖9 RQD值～變形形模量E關系曲線圖

Ⅲ類圍巖斷層帶，有數據17 組，抗變形強度趨勢線E 坡降小，基本不隨RQD 值變化，由于巖體較破碎，抗變形能力較低，E=4.9～15.3 GPa，平均值為8 GPa。

Ⅱ類圍巖，有數據20 組，巖石變形模量則隨RQD值起伏較大，坡降增長快，巖石越完整，變形模量越大，E=14.4～53.5 GPa，平均值為25 GPa，說明Ⅱ類圍巖具有較好的抗變形能力。

在統計現場獲得有限試驗數據過程中，賦存陡傾角裂隙時的巖體變形模量普遍降低，陡傾角裂隙對試驗結果影響較大，本次試驗數據較為離散，巖體變形模量最大值、最小值變幅過大，分析認為采用平均值強度作為變形強度較為合適。

為準確研究高岔圍巖變形特征，對比前期設計階段勘探平洞內現場承壓板法變形測量結果（見表2）。本次鉆孔變形測孔布置于高岔左、右洞壁，為留有足夠側向埋深，測孔軸向與洞壁走向夾角大，與斷層帶結構面交角小，試驗荷載與結構面多正交，更易產生壓縮變形，測值比承壓板試驗要低些，說明巖體的抗變形性質巖體結構面起控制作用。綜合地質條件及兩種不同試驗方法，提出不同巖體變形值（見表2）。

圍巖類別II類III類（斷層帶）鉆孔變形試驗變形模量25 8承壓板試驗變形模量28 6～14變形模量建議值25 10

2 針對性處理措施

2.1 襯砌配筋加強

依據上述對高壓岔管部位的圍巖特征分析成果，結合施工期隧洞開挖后的地質素描展示圖，按透水隧洞結構設計原理，假定圍巖為彈塑性介質，混凝土襯砌為彈性介質，運用三維巖土有限元分析軟件MIDAS/GTS NX建立了高壓岔管內水外滲滲流場與彈塑性應力場耦合分析的有限元計算模型（見圖10）。并針對自承能力差的f382、f383 長約11 m的斷層影響帶范圍，數值模擬計算時圍巖參數按勘察復核后的Ⅲ類圍巖參數取值；其余部位按勘察復核后的Ⅱ類圍巖參數取值，具體取值見表3。在此基礎上，通過對施工期、運行期及檢修期不同工況的數值模擬計算，得出了高壓岔管內水外滲滲流場、襯砌變形、襯砌應力應變的分布情況及數值大小，對高壓岔管襯砌配筋進行了針對性的加強處理，岔口縱向和環向鋼筋，采用兩根一束的雙層配筋，同時將開挖支護時的系統錨桿外露段通過L 型鋼筋與高壓岔管襯砌鋼筋網相連，進一步改善外壓下的高壓岔管受力條件[3]。

圖10 高壓岔管三維有限元計算模型圖

類型泊松比容重/(kN/m3)II類圍巖Ⅲ類圍巖斷層碎裂巖變形模量/GPa 25 0.20凝聚力C＇/MPa 1.2內摩擦角f＇/（°）45抗壓強度/MPa 90.0抗拉強度/MPa 5.0 26.3透水率/Lu 3.0 10 0.25 0.9 40.0 75.0 3.0 26.0 3.0混凝土C30 30 0.17 14.3 1.4 25.0 3.0（開裂）0.9（未裂）

2.2 圍巖灌漿加強

針對上述高壓岔管段圍巖特征，岔管段圍巖以高壓劈裂式水泥固結+化學灌漿提高強度和完整性（見圖11），具體措施有：①頂拱120°范圍進行回填灌漿，灌漿壓力為0.5 MPa；②進行系統的水泥固結灌漿，每排24 孔、孔深7 m，灌漿孔排距1.5 m，灌漿壓力7.5 MPa；③進行系統的化學灌漿，每排24孔，孔深7 m，灌漿孔排距1.5 m，灌漿壓力7.5 MPa；④岔支管靠近引水鋼支管位置以及主管靠近下平洞位置各布置兩排帷幕灌漿，帷幕灌漿排距1.5 m，每排12～24孔，孔深7 m，灌漿壓力為3 MPa、4.5 MPa；⑤在上述系統灌漿基礎上，針對灌漿施工中出現的耗漿量超過50 kg/m的孔段，采取1+2或1+4原則進行加密灌漿，同時在分析斷層裂隙走向基礎上，布置加密灌漿孔大角度穿透斷層裂隙帶，確保斷層裂隙圍巖特性得到進一步加強；⑥對高岔主管、支管等關鍵部位的水泥固結灌漿孔，采用化學灌漿封孔，封孔入巖孔深1 m，灌漿壓力1 MPa。

圖11 高壓岔管系統水泥灌漿/化學灌漿平面布置圖

3 工程監測

由于采取針對性勘察和設計，高岔管經過3 年運行考驗，各項檢測指標正常（見圖12～圖14），鋼筋混凝土襯砌表面裂縫開度、圍巖應力應變值及滲壓滲流值均滿足要求，地下廠房總滲漏量僅為3.056 L/s，防滲效果良好[4]。

圖12 高壓隧洞測縫計J5-2測值過程線

圖13 高壓隧洞鋼筋計R5-2測值過程線

圖14 地下滲流場RS7、PS8滲壓

4 結語

深圳抽水蓄能電站勘察設計工作于1979 年開始，2018 年結束，前后近40 年，歷經多次規劃選點論證以及預可研、可研、施工圖階段等漫長研究過程，研究過程中始終堅持勘察程序，在前期論證基礎上，施工期根據開挖新情況不斷優化勘察方法和補充勘察工作，準確認識高岔圍巖不利地質條件，為設計、施工提供了可靠的地質依據。

基于圍巖穩定的透水隧洞設計，工程實踐證明，三維有限元計算方法對于研究高壓岔管圍巖穩定是可行的技術方法；在復雜地質條件下，高壓隧洞采用鋼筋混凝土襯砌型式，圍巖采用灌漿加強，效果良好。