孟元媛

（山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，山西 太原 030024）

1 工程概況

平魯?shù)叵卤谜臼且S入晉工程北干線的一座揚(yáng)水泵站，位于大梁水庫(kù)右岸壩肩西南山體下1號(hào)隧洞北側(cè)，主要建筑物有地下廠房、檢修閥室、高壓進(jìn)出水井、電纜井、交通洞及地面附屬建筑物。主廠房呈矩形，長(zhǎng)41 m、寬17 m、高22 m，底高程1 258.2 m，頂高程1 280.7 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

平魯?shù)叵卤谜镜靥幤紧斚蛐蔽饕睃S土丘陵區(qū)，大梁水庫(kù)右岸山梁壩肩處，山坡平緩，坡度10°，地面高程1 430～1 437 m，地表多為黃土覆蓋，場(chǎng)地南側(cè)分布一條近東西走向較大黃土沖溝，寬5～15 m，深2～8 m，溝底出露少量石炭系太原組砂巖。巖層N30°～40°E，傾向 SE，傾角 3°～5°。

2.2 地層巖性

泵站區(qū)分布地層為古生界奧陶系中統(tǒng)，石炭系中統(tǒng)、上統(tǒng)基巖，第三系和第四系土層。奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組二段厚層～巨厚層灰?guī)r，灰白色、隱晶致密狀，夾豹皮狀灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，弱風(fēng)化～新鮮，完整性好，局部裂隙發(fā)育破碎。該組灰?guī)r地層為地下泵站廠房主要圍巖，層頂高程1 325.52～1 331.84 m，勘探最大揭露厚度103 m，未揭露層底，與上覆石炭系地層不整合接觸。石炭系中統(tǒng)本溪組巖性主要為粉紅色、灰白色薄層、中厚層細(xì)砂巖、粉砂巖，夾炭質(zhì)頁(yè)巖、暗紫色泥巖和鋁土頁(yè)巖，灰?guī)r，底部粗砂巖含黃鐵礦?？碧浇衣逗穸?0～28 m，層底高程1 324.14～1 331.84 m。石炭系上統(tǒng)太原組巖性主要為灰白、肉紅色中厚層細(xì)砂巖、粗砂巖、含粒砂巖，夾暗紫色泥巖、炭質(zhì)頁(yè)巖、鋁土巖、煤層，底部為一層含礫石英粗砂巖?？碧浇衣逗穸?9～92 m，層底高程1 344.03～1 350.71 m。第三系上新統(tǒng)為紫紅色黏土、見鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及含礫夾層，密實(shí)、較硬，分布于站址區(qū)坡腳地段，山腰以上分布不連續(xù)。第四系中更新統(tǒng)為黃土狀亞黏土，呈棕黃色、稍濕、硬，可塑，含少量鈣質(zhì)結(jié)核和風(fēng)化砂巖碎塊，厚1.0～2.70 m。第四系上更新統(tǒng)為黃土層亞砂土，呈灰黃色、干～稍濕、松散，粉粒含量高，具大孔隙和垂直節(jié)理，厚5.2～11.0 m。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

地下泵站地處平魯向斜西翼次一級(jí)舒緩褶皺高家坡向斜核部，構(gòu)造形跡多被黃土掩埋，僅在泵站附近西側(cè)井西煤礦巷道內(nèi)揭露斷層一條，斷距11 m，斷層距泵站場(chǎng)區(qū)約200 m。

灰?guī)r地層構(gòu)造裂隙發(fā)育程度中等，裂隙間距2 m，局部密集，裂隙以陡傾角為主，緩傾角少見；砂頁(yè)巖地層裂隙較發(fā)育，間距1 m，局部密集。

2.4 地下水

泵站地區(qū)地下水按埋藏類型有奧陶系巖溶裂隙水、石炭系層間裂隙水和第四系孔隙水。奧陶系巖溶裂隙水水位埋深在泵站地下廠房底板以下約100 m，石炭系層間裂隙水主要分布在風(fēng)化殼和砂巖含水層裂隙中，水量不大，第四系孔隙水主要分布在N2紅黏土頂部，屬上層滯水，水量有限。通過(guò)對(duì)石炭系地層水樣水質(zhì)分析可知，該層地下水對(duì)普通水泥無(wú)腐蝕性。

2.5 巖體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

地下泵站及附屬建筑物圍巖為奧陶系灰?guī)r和石炭系砂頁(yè)巖。鉆孔巖芯中灰?guī)r的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果如下：顆粒密度 2.73～2.82 g/cm3，平均值 2.77 g/cm3；塊體干密度 2.68～2.75 g/cm3，平均值 2.73 g/cm3，飽和時(shí)密度2.70～2.77 g/cm3，平均值2.74 g/cm3；孔隙率0.26%～3.32%，平均值1.62%；吸水率0.08%～1.19%，平均值0.55%；干抗壓強(qiáng)度47.77～116.87 MPa，平均值81.75MPa，小值平均值68.92MPa；飽和抗壓強(qiáng)度24.77～97.10 MPa，平均值 60.40 MPa，小值平均值 43.53 MPa；干彈性模量31.75～84.77 GPa，平均值62.51 GPa，小值平均值50.59 GPa，大值平均值71.45 GPa；飽和彈性模量20.68～66.77 GPa，平均值46.76 GPa，小值平均值32.84 GPa，大值平均值52.32 GPa；干泊松比0.18～0.30，平均值0.25，小值平均值0.21，大值平均值0.29；飽和泊松比0.22～0.34，平均值0.29，小值平均值0.25，大值平均值0.33。

2.6 巖體聲波測(cè)試

砂巖及泥巖等波速平均值為2 680 m/s，完整性系數(shù)0.43；灰?guī)r波速平均值為5 100 m/s，完整性系數(shù)0.77。通過(guò)對(duì)地下泵站鉆孔聲波測(cè)試可知，該泵站砂巖及泥巖完整性、均一性較差，灰?guī)r等相對(duì)完整，均一性較好。

2.7 地應(yīng)力測(cè)試

通過(guò)ZKZ梁92-18鉆孔水壓致裂法進(jìn)行巖體地應(yīng)力測(cè)試，測(cè)試全部在奧陶系上馬家溝組灰?guī)r中進(jìn)行，測(cè)試結(jié)果見表1。

表1 ZKZ梁92-18孔地應(yīng)力測(cè)試成果

從表中可以看出，地下泵站巖體中以水平構(gòu)造應(yīng)力為主，最大水平主應(yīng)力σH隨深度增加而增大，但變化幅度不大，σH∶σh∶σv=3.41∶1.78∶1，平均最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E34.8°。

地下廠房高程1258.2～1280.7m，測(cè)試高程1262～1 280 m，最大水平應(yīng)力11.72 MPa，地應(yīng)力偏高。

2.8 巖體的滲透性

為了解泵站巖體的滲透性，對(duì)石炭系和奧陶系地層進(jìn)行鉆孔壓水試驗(yàn)，共完成壓水試驗(yàn)160段次，其中，石炭系太原組43段、本溪組35段，地層巖性均為砂頁(yè)巖，兩巖組地層的透水率差別不大，透水率平均值7.59～8.61 Lu，砂巖裂隙較為發(fā)育，透水性稍大；奧陶系灰?guī)r地層82段，透水率平均值3.36 Lu，透水性主要受裂隙和巖溶發(fā)育影響。

3 工程地質(zhì)問(wèn)題與評(píng)價(jià)

3.1 地質(zhì)問(wèn)題

第一，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題。由于洞室跨度較大，巖層分布平緩，應(yīng)考慮層狀結(jié)構(gòu)巖層與裂隙切割對(duì)頂拱圍巖穩(wěn)定影響，洞室?guī)r壁與裂隙平行或角度近于平行時(shí)應(yīng)考慮邊墻圍巖片幫穩(wěn)定。

第二，地下廠房長(zhǎng)軸方向選擇。地下廠房最大水平應(yīng)力為11.72 MPa，圍巖為厚層灰?guī)r，飽和抗壓強(qiáng)度均不低于60 MPa，巖石強(qiáng)度與地應(yīng)力比值為5.1，巖體強(qiáng)度對(duì)圍巖穩(wěn)定起控制、主導(dǎo)作用，地應(yīng)力對(duì)地下廠房圍巖穩(wěn)定影響不大。在地應(yīng)力分布狀況對(duì)地下廠房圍巖影響不大的情況下，需要考慮構(gòu)造裂隙對(duì)地下廠房圍巖的穩(wěn)定影響，根據(jù)地下廠房?jī)山M主要裂隙NE40°～60°和 NW290°～310°構(gòu)造裂隙對(duì)地下廠房圍巖的穩(wěn)定影響，建議廠房長(zhǎng)軸選擇與兩組主要裂隙不小于30°夾角方向?yàn)橐恕?/p>

第三，開挖（涌）滲水問(wèn)題。奧陶系灰?guī)r地下水埋藏于地下廠房圍巖底板以下，上覆石炭系地層中含有少量層間裂隙水，該層中分布的泥頁(yè)巖屬相對(duì)隔水層，因此地下廠房開挖基本無(wú)水，預(yù)計(jì)開挖滲水量5～10 m3/h。

第四，外水壓力問(wèn)題。地下廠房上覆為石炭系地層，砂巖中僅含有少量層間裂隙水，水量微弱，該層中泥頁(yè)巖屬相對(duì)隔水層，與奧陶系灰?guī)r無(wú)水力聯(lián)系，對(duì)地下廠房構(gòu)不成外水壓力影響。

3.2 圍巖地質(zhì)參數(shù)建議

地下泵站廠房圍巖主要為奧陶系上馬家溝組二段厚層～巨厚層灰?guī)r、豹皮灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，巖層平緩分布，厚度較穩(wěn)定，圍巖中裂隙、溶隙和溶洞總體不是很發(fā)育，未見有構(gòu)造斷裂及地下巖溶裂隙水。綜合地下廠房等建筑物的工程地質(zhì)條件、圍巖風(fēng)化程度，并考慮設(shè)計(jì)建筑物的類型和圍巖的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果，圍巖地質(zhì)參數(shù)建議值：密度2.7 g/cm3，飽和抗壓強(qiáng)度 60 MPa，彈性模量 10～12 GPa，泊松比 0.28，單位彈性抗力系數(shù)30～40 MPa/cm。綜合考慮圍巖地層巖性、結(jié)構(gòu)面發(fā)育程度、巖石強(qiáng)度、巖體完整性及地下水分布等因素，由于跨度較大，需噴混凝土，建議對(duì)其進(jìn)行系統(tǒng)錨桿加鋼筋網(wǎng)支護(hù)。