某水電站地下廠房位置及軸線選擇

中國(guó)電建集團(tuán)華東勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310014

1 工程概況

該水電站安裝總?cè)萘繛?20MW的2臺(tái)沖擊式機(jī)組，平均年發(fā)電量約為1.094×109kW·h。工程樞紐主要由擋水建筑物、匯洪建筑物、引水發(fā)電建筑物等組成，輸水線路總長(zhǎng)約20km。由于在隧洞開挖中揭露出一條寬204m的Ⅰ級(jí)構(gòu)造（即F1斷層），且F1斷層上下游的地質(zhì)情況有較大變化，其上下游的巖性及主要結(jié)構(gòu)面的方向均有所改變，根據(jù)所揭露的地形、地質(zhì)條件以及樞紐布置情況，地下廠房的位置布置在F1斷層上游較為合適。因此，地下廠房位置及軸線選擇的主要依據(jù)為F1斷層上游已開挖所揭露的地質(zhì)信息，并結(jié)合廠區(qū)地應(yīng)力試驗(yàn)成果及相關(guān)業(yè)主方前期提供的資料。

2 地下廠房位置及軸線選擇原則

（1）廠房軸線方向選擇應(yīng)結(jié)合輸水系統(tǒng)洞室的布置，盡可能將樞紐布置順暢，使工程總體布置合理。（2）地下廠房位置應(yīng)盡可能布置在圍巖完整、微風(fēng)化—新鮮巖石的區(qū)域，盡量避開主要的斷層破碎帶，并使廠房和其上游的高壓岔管滿足最小巖石覆蓋厚度要求。（3）廠房軸線方向與主要結(jié)構(gòu)面走向應(yīng)盡量構(gòu)成較大的交角。（4）廠房縱軸線與最大水平地應(yīng)力方向應(yīng)盡量構(gòu)成較小的夾角，但鑒于該工程地應(yīng)力不大，其不屬于控制性因素。

3 廠址區(qū)工程地質(zhì)條件

（1）地形地貌。①?gòu)S址區(qū)近地表總體埋深為200～400m，廠房最大高程達(dá)500m（尾水方向），山坡地形坡度約為50°～60°。進(jìn)廠交通洞沿線地形以平緩坡為主，一般坡度為25°～35°，其中進(jìn)口段坡度約為15°，沿線最大高程達(dá)600m，進(jìn)口段最低高程只有325m，最大高差約為275m。②沿線植被茂盛。③擬開挖廠房區(qū)山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，具有較好的廠房布置條件。

（2）地層巖性。廠址區(qū)分布有PR1tp地層及aQ地層，主要巖性為黑云母片麻巖、花崗片麻巖、片麻巖等。

（3）地層構(gòu)造。①?gòu)S址區(qū)發(fā)育一條Ⅰ級(jí)斷層（F1），出露寬度達(dá)204m。②F1斷層上游廠址區(qū)共發(fā)育6條構(gòu)造，揭露的構(gòu)造規(guī)模均較小。

（4）水文地質(zhì)。根據(jù)地下水點(diǎn)統(tǒng)計(jì)，廠址區(qū)地下水均以滲滴水為主，局部洞段滲流水或淋雨?duì)顫B滴水，總體地下水不甚發(fā)育。

4 廠址位置選擇

4.1 廠房區(qū)與F1斷層相互關(guān)系

原方案主變洞布置在F1斷層構(gòu)造帶內(nèi)，該斷層帶地表顯示為一條大沖溝，沖溝內(nèi)常年流水，為灰—灰黑色片麻巖和灰白—白色片麻巖巖性界線，上盤由一系列NW向構(gòu)造組成，單條NW向構(gòu)造寬度為1～2m，產(chǎn)狀為N35°～40°WNE∠75°～80°，具有蝕變性質(zhì)，一般兩側(cè)影響帶最寬達(dá)10m左右，帶內(nèi)巖體較破碎，充填碎裂巖、碎粉巖，夾綠泥石、巖屑，兩側(cè)同產(chǎn)狀節(jié)理平行發(fā)育，并沿?cái)鄬訋B流水，水量約為0.5L/s，因長(zhǎng)期受地下水影響，形成較大規(guī)?？逅Ｏ卤P由一系列近SN向構(gòu)造組成，單條構(gòu)造寬度為4～5m，構(gòu)造帶內(nèi)巖石蝕變，綠泥石化、糜棱化，局部碳化，膠結(jié)差。地下廠房右側(cè)約一半在F1斷層構(gòu)造帶內(nèi)，斷層帶內(nèi)巖體自穩(wěn)性差，不具備修建大型地下廠房的條件。為避開F1斷層，綜合考慮已揭露的地質(zhì)情況及廠址區(qū)水力布置條件，廠房位置擬在原方案位置處向上游側(cè)上移85m。

4.2 廠址區(qū)工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

（1）地形地貌。擬建廠房區(qū)山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，具有較好的廠房布置條件。（2）地層巖性。擬上移廠房區(qū)巖性較單一，為PR1tp地層的灰白—白色變粒巖夾灰黑色角閃石片麻巖，巖體呈新鮮—微風(fēng)化，圍巖呈穩(wěn)定—基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差，具有較好的成洞條件。（3）地質(zhì)構(gòu)造。①?gòu)S址區(qū)共發(fā)育6條構(gòu)造，構(gòu)造規(guī)模均較小。②通過構(gòu)造統(tǒng)計(jì)，廠址區(qū)的優(yōu)勢(shì)構(gòu)造為NNW（N10°～25°W）向。③根據(jù)節(jié)理統(tǒng)計(jì)，廠址區(qū)主要發(fā)育有產(chǎn)狀分別為N40°～65°ENW∠61°～68°和N15°～30°WSW∠38°～52°的兩組節(jié)理，容易在頂拱形成共軛節(jié)理。④在擬建廠址區(qū)出露一條節(jié)理密集帶，產(chǎn)狀為N25°WSW∠54°，總寬度約為2～3m，間距為5～10cm，該節(jié)理帶內(nèi)巖體破碎。（4）水文地質(zhì)條件。目前揭露洞段地下水不甚發(fā)育，只有局部構(gòu)造發(fā)育處兩側(cè)潮濕或少量滲滴水，預(yù)測(cè)廠址區(qū)以干燥為主，地下水總體不發(fā)育。（5）圍巖分類。通過對(duì)已揭露洞段圍巖分類統(tǒng)計(jì)顯示，Ⅱ類圍巖超過92%，洞段巖體完整性為較好—好，強(qiáng)度高，裂隙為不發(fā)育—中等發(fā)育，圍巖穩(wěn)定，僅局部斷層帶發(fā)育部位或不利結(jié)構(gòu)面組合洞段圍巖穩(wěn)定性差及圍巖不穩(wěn)定段需要加強(qiáng)支護(hù)。

5 廠房軸線選擇

（1）新布置廠址區(qū)地形條件、巖性條件、構(gòu)造條件以及水文地質(zhì)條件均滿足地下廠房的布置，但是受二洞室水力條件的限制，其東西向移動(dòng)的余度較小，廠址區(qū)的布置應(yīng)避開主要構(gòu)造的影響。（2）選擇軸線時(shí)主要考慮其與主要結(jié)構(gòu)面和最大主地應(yīng)力的方向與廠房軸線之間夾角。

5.1 結(jié)構(gòu)面

廠址區(qū)共發(fā)育4條構(gòu)造，均為NNW（N10°～25°W）向，且以陡傾角為主，只發(fā)育一條中傾角。裂隙不甚發(fā)育，主要發(fā)育有產(chǎn)狀分別為N40°～65°E NW∠61°～68°和N15°～30°W SW∠38°～52°的兩組裂隙。

結(jié)合揭露的構(gòu)造及裂隙可知：（1）充分考慮NNW（N10°～25°W）向結(jié)構(gòu)面和優(yōu)勢(shì)走向面，片麻理和構(gòu)造方向基本一致。（2）綜合統(tǒng)計(jì)，N40°～65°E向和N10°～25°W向?yàn)閮?yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面，結(jié)合傾角方向，最佳軸線角度應(yīng)該與優(yōu)勢(shì)結(jié)構(gòu)面大角度相交，因此最有利廠房軸線應(yīng)該為最有利軸線N70°～90°W走向。（3）鑒于廠房預(yù)布置不可能進(jìn)行較大的調(diào)整，目前擬定軸線方向（N1.1°E）與主要構(gòu)造及片麻理方向夾角較小，那么N10°～15°E走向?yàn)橄鄬?duì)合理的一個(gè)軸線走向，該走向與主要裂隙交角為30°～40°，建議廠房軸線按N15°E控制。

5.2 地應(yīng)力

根據(jù)地質(zhì)力學(xué)分析，垂直褶皺軸線等主構(gòu)造方向的應(yīng)力一般是當(dāng)?shù)貐^(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)的最大主應(yīng)力，在低地應(yīng)力地區(qū)，宜選擇洞室縱軸與較大水平主應(yīng)力的方向垂直，這樣有利于克服拱頂出現(xiàn)拉應(yīng)力，避免側(cè)壁發(fā)生嚴(yán)重變形或失穩(wěn)。

根據(jù)廠址區(qū)地應(yīng)力測(cè)試成果，地應(yīng)力水平為中等偏低，最大主應(yīng)力為8.7～14.72MPa，方向?yàn)?30°～158°，與目前擬定軸線夾角23°～51°，將軸線轉(zhuǎn)至N15°E后將夾角增大至38°～66°，能較好地克服拱頂?shù)睦瓚?yīng)力。

6 結(jié)論

（1）擬開挖廠址區(qū)山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，水平埋深達(dá)1700m，具有較好的廠房布置埋深條件。

（2）擬建地下廠址區(qū)圍巖較單一，為灰白—白色變粒巖。圍巖分類主要以Ⅱ類為主，占洞段92%以上。巖體為新鮮—微風(fēng)化，圍巖為穩(wěn)定—基本穩(wěn)定，局部穩(wěn)定性差，具有較好的成洞條件。

（3）經(jīng)實(shí)測(cè)廠址區(qū)最大主應(yīng)力量值為8.7～14.72MPa，方向?yàn)?30°～158°，屬中等偏低地應(yīng)力區(qū)。開挖過程中可能局部發(fā)生巖爆，但其量級(jí)為輕微，地應(yīng)力不是廠房布置的主控因素。

（4）廠址區(qū)圍巖以弱透水為主，且均位于地下水位以下，其地下水類型主要為構(gòu)造裂隙水。目前開挖段均以干燥為主，局部沿?cái)鄬悠扑閹蓚?cè)有少量滲滴水。

（5）為避開廠區(qū)揭露的Ⅰ級(jí)構(gòu)造、節(jié)理密集帶對(duì)廠房洞室群的影響，將廠房上移85m，上移后擬建廠址區(qū)為PR1tp地層灰白—白色變粒巖夾灰黑色角閃石片麻巖，巖體堅(jiān)硬，呈新鮮狀，巖體完整性為較好—好，強(qiáng)度高，圍巖類別以Ⅱ類為主，占92%以上，Ⅰ類及Ⅲ類圍巖次之，局部斷層破碎帶處為Ⅳ圍巖，說(shuō)明廠房區(qū)圍巖的工程地質(zhì)條件良好，僅局部有潛在的不穩(wěn)定體，具備大型地下洞室的成洞條件。

（6）從地質(zhì)條件分析，同時(shí)考慮主要結(jié)構(gòu)面和最大主地應(yīng)力方向，地下廠房軸線的布置方向以N80°W左右較為合適，但該方向與山體呈大角度相交，水工難以布置，且與已開挖洞室難已結(jié)合?？紤]到該方案的地應(yīng)力量級(jí)為中等到低，對(duì)廠房穩(wěn)定的影響相對(duì)較小，因此以主廠房避開主要斷層和節(jié)理密集帶的影響為前提，同時(shí)考慮主要結(jié)構(gòu)面的方向（NNW向、NE向）與廠房軸線的交角進(jìn)行地下廠房布置，廠房軸線按N15°E控制是合適的。