劉錄君, 田作印, 鄭以寶, 季 聰, 楊宗玲

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

荒溝抽水蓄能電站深埋地下廠房位置研究

劉錄君, 田作印, 鄭以寶, 季 聰, 楊宗玲

(中水東北勘測設計研究有限責任公司,吉林 長春 130021)

抽水蓄能電站大跨度深埋地下廠房位置的選定關系到工程設計方案科學、合理的重要問題。采用科學的工程地質勘察手段,查明廠房區(qū)工程地質條件是關系到地下廠房設計方案成立的重要工作。通過取得的工程地質資料客觀評價地下廠房工程地質條件,對地下廠房位置比選及廠房軸線方向確定起到?jīng)Q定性作用。

地下廠房;深埋;地應力;工程地質勘察

荒溝抽水蓄能電站位于黑龍江省海林市境內,距牡丹江市約130 km,距蓮花水電站約45 km。該電站系以三道河右岸的山間洼地作為上水庫,正常蓄水位652.50 m,已建的蓮花水庫作為下水庫,正常蓄水位218.00 m。電站裝機1 200 MW,是一座大型水電站。其樞紐建筑物主要由上水庫擋水主壩、庫尾埡口擋水副壩、輸水隧洞、上下游調壓井和中部地下廠房等組成。

該電站地下廠房布置于輸水隧洞中部的山體內,埋深達300～310 m。長150.5 m,寬24 m,高53.4 m。為典型的深埋大跨度地下洞室。工程地質條件復雜[1]。

1 工程地質勘察工作布置

1.1 地質探硐及硐內原位試驗

為查明地下廠房洞室群工程地質條件及地應力特征,于該范圍內布置地質探硐。主探硐PD01長1 331.4 m,進口布置于下水庫進(出)水口1#輸水隧洞與2#輸水隧洞之間,橫向貫穿廠房、主變室及尾閘室頂部巖體,高程自199.8 m降至183.4 m。于PD01主探硐樁號0+1 245 m處,沿地下主廠房軸線方向,垂直于主探硐各布置一個支硐。編號分別為PD04、PD05。與PD01主探硐呈“十”字形交叉。PD04支硐長94 m,PD05支硐長95 m,底板高程182.1～182.4 m(圖1)。

圖1 地質探硐地應力及巖體變形測試點位置分布圖Fig.1 Distribution map of ground stress of geological exploratory adits and test point of rock mass deformation

為了查明地下廠房洞室?guī)r體變形特征參數(shù),在PD01主探硐巖體內分別進行了三個點的巖體地應力測試和六個點的巖體變形模量測試工作。在PD04、PD05支硐巖體內分別進行了兩個點的巖體地應力和三個點的巖體變形模量測試。此外在主硐與支硐內還進行了長度1 000 m的地震波測試。

地下廠房地應力測試結果見表1,巖體變形測試結果見表2。

表1 地下廠房地質探硐地應力測試結果

表2 地下廠房新鮮巖體變形試驗結果表

1.2 鉆探及孔內原位試驗

在地下廠房附近共布置2個機鉆孔,鉆孔編號分別為ZK17、ZK46?？咨罘謩e為426.45 m、321.32 m,終孔直徑59 mm。ZK17鉆孔劈裂試驗自孔底往上逐段進行,共進行了14段劈裂試驗,只有2段劈裂成功。ZK46鉆孔劈裂試驗自孔底往上逐段進行,共進行了4段劈裂試驗(表3)。

表3 地下廠房鉆孔水壓劈裂地應力測試結果

通過地下廠房附近2個深鉆孔的水壓劈裂試驗和地質探硐內3個點的應力解除法測試。前者測試結果是:最大主應力為10.32～13.38 MPa,方向為N10°～12°E,近水平;最小主應力為6.58～8.90 MPa,巖體抗張強度7.95 MPa。后者測試結果是:最大主應力為12.2 MPa,方向為N71°W,近水平;最小主應力為5.7 MPa。兩者應力值相近,方向卻近于直交。經(jīng)綜合分析,應力解除法所得的最大主應力方向N71°W,與該區(qū)構造應力方向基本吻合。工程區(qū)NNE走向的斷層較發(fā)育,擠壓特征明顯,亦說明近東西向擠壓應力起主導作用。因此,可認為最大主應力方向為近N71°W。

2 地下廠房位置比較及選定

根據(jù)PD01地質探硐揭露的地質情況,對地下廠房位置進行了比選。

2.1 樁號1+325 m處地下廠房位置工程地質條件

布置于輸水隧洞中部的山體內,埋深325～334 m,為新鮮花崗巖,巖質堅硬、完整,縱波波速達5.0～5.4 km/s,為Ⅱ類圍巖。巖體中節(jié)理較發(fā)育,根據(jù)對PD01地質探硐內廠房軸線上、下游各一倍廠房寬度范圍內的單位體積節(jié)理數(shù)統(tǒng)計結果:該部位單位體積節(jié)理數(shù)為1.06條/m3。主要發(fā)育走向①N0°～20°W,②N50°～65°W和③N75°～85°E三組節(jié)理。節(jié)理間距一般為0.2～0.5 m,多呈閉合狀態(tài)。其中第①、②組節(jié)理分別與廠軸斜角和交角較小(交角29°～49°和1°～16°)。這兩組節(jié)理與偶有分布緩傾角節(jié)理相互切割組合后,對廠房邊墻穩(wěn)定不利。第③組節(jié)理與廠軸線交角較大,對廠房邊墻穩(wěn)定影響不大。據(jù)PD01地質探硐揭露,該部位未發(fā)現(xiàn)有斷層出露。節(jié)理發(fā)育情況詳見圖1。廠區(qū)地下水高于頂拱約307～309 m,外水壓力較大。

圖1 樁號1+325 m附近節(jié)理玫瑰花圖Fig.1 Rose diagram of joints of stake NO.1+325 m

2.2 樁號1+245 m處地下廠房位置工程地質條件

地下廠房埋深325～334 m,為新鮮花崗巖,巖質堅硬、完整,縱波波速達5.0～5.3 km/s,為Ⅱ類圍巖。巖體中節(jié)理不甚發(fā)育,根據(jù)對PD01地質探硐內廠房軸線上、下游各一倍廠房寬度范圍內的單位體積節(jié)理數(shù)統(tǒng)計結果:該部位單位體積節(jié)理數(shù)為0.23條/m3。主要發(fā)育①走向N75°～85°W,②N45°～50°E,③N75°～85°E,④N75°～85°E的四組節(jié)理,節(jié)理間距一般為0.5～2.5 m,多呈閉合狀態(tài)。其中第①、②組節(jié)理最為發(fā)育,第③、④組節(jié)理不發(fā)育。第①節(jié)理與廠房軸線斜角(26°～36°),該組節(jié)理與偶有分布緩傾角節(jié)理相互切割組合后,可能局部構成不穩(wěn)定塊體,對廠房邊墻穩(wěn)定有一定影響,但由于節(jié)理數(shù)量不多,又多趨閉合,估計影響不會太大。其它三組節(jié)理與廠房軸線交角較大,對廠房邊墻穩(wěn)定影響不大。緩傾角節(jié)理只偶有分布,延伸不長,也不致對頂拱穩(wěn)定帶來大的影響。據(jù)PD01地質探硐揭露,該部位發(fā)現(xiàn)有f33、f34兩條裂隙狀小斷層,寬僅3～5 mm,延伸不長。按其出露位置、產(chǎn)狀及延伸情況分析,對頂拱及邊墻穩(wěn)定均無大的影響。節(jié)理分布及發(fā)育情況見圖2。廠房主要結構面與廠房邊墻赤平投影分析見圖3。

2.3 地下廠房位置比較及選定

PD01地質探硐樁號1+325 m與樁號1+245 m兩處廠房位置相比,均為新鮮、堅硬、完整的Ⅱ類花崗巖圍巖。

圖2 樁號1+255 m附近節(jié)理玫瑰花圖Fig.2 Rose diagram of joints of stake NO.1+255 m

圖3 地下廠房邊墻穩(wěn)定性赤平投影圖Fig.3 Stereographic projection of side wall stability①地下廠房邊墻;②走向N80°W,傾向NE,傾角70° 節(jié)理;③走向N50°E,傾向NW,傾角65° 節(jié)理;④走向N30°W,傾向NE,傾角80° f33斷層;⑤走向N55°W,傾向SW,傾角70° f34斷層。

樁號1+325 m比樁號1+245 m節(jié)理更發(fā)育,單位體積節(jié)理數(shù)分別為1.06條/m3、0.23條/m3。從節(jié)理發(fā)育程度分析,樁號1+245 m優(yōu)于樁號1+325 m。

從兩部位節(jié)理玫瑰花圖1、圖2可以看出:樁號1+325 m有兩組與廠房軸線交角較小的節(jié)理,樁號1+245 m只有一組與廠房軸線交角較小的節(jié)理,從結構面對廠房邊墻穩(wěn)定影響分析,樁號1+245 m優(yōu)于樁號1+325 m。因此,就地質條件而言,地下廠房選定在PD01地質探硐樁號1+245 m附近較合適。

3 地下廠房軸線的確定

廠房軸線的確定主要從以下兩方面考慮:一是使廠房區(qū)最大主應力方向與廠房軸線交角較小;二是使廠房區(qū)主要地質結構面走向與廠房軸線交角較大。對地下廠房軸線N49°W,向NW、NE方向偏轉進行比較工作。

據(jù)廠房部位2個深鉆孔的水壓劈裂試驗和地質探硐內5個點的應力解除法測試結果:最大主應力方向為近N71°W,與廠房軸線交角為22°。

據(jù)PD01、PD04、PD05地質探硐揭露:地下廠房區(qū)影響邊墻穩(wěn)定的節(jié)理走向N75°～85°W的節(jié)理。斷層主要有f33(走向N21°～30°W)、f34(走向N55°～67°W)、f31(走向EW)、f32(走向N15°W)。

如果廠房軸線向NW向偏轉,廠房軸線與最大主應力方向交角變小,與NWW向的節(jié)理交角也變小。NWW向的節(jié)理與廠房軸線交角變小,對邊墻穩(wěn)定不利。

如果廠房軸線向NE向偏轉,廠房軸線雖然與NWW向的節(jié)理交角變大,對邊墻穩(wěn)定有利,但是廠房軸線與f33、f32兩斷層交角變小,對邊墻穩(wěn)定不利。另一個不利因素是廠房軸線與最大主應力方向交角變大。

綜合地質條件分析,地下廠房軸線確定為N49°W合適。

4 結語

(1) 抽水蓄能電站地下廠房洞室群的特點通常是埋深大、跨度大、勘察工作難度大,如何查明地下廠房區(qū)工程地質條件是一個重要的地質課題。

(2) 本電站地下廠房洞室群主要采用鉆探與地質探硐相結合的勘察手段,合理地布置各種試驗工作,查明廠房區(qū)地質構造及地應力的方向,為論證地下廠房位置及廠房軸線方向提供科學的地質依據(jù)。

[1] 劉錄君.荒溝抽水蓄能電站可行性研究報告[R].長春:中水東北勘測設計研究有限責任公司,2010.

(責任編輯：陳文寶)

Study of Site Selection of Deep Underground Powerhouse inHuanggou Pumped Storage Power Station

LIU Lujun, TIAN Zuoyin, ZHENG Yibao, JI Cong, YANG Zongling

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,DesignandResearchCo.,LTD.,Changchun,Jilin130021)

The site selection of deeply buried large-span underground powerhouse of a pumped storage power plant is an important issue that concerns whether it is scientific and rational for a project design. So,to indentify the engineering geological conditions by using scientific engineering geological investigation is an important work related to whether the underground plant design program can be established. In this article,an objective evaluation of geological conditions for the underground plant is provided through gained geological data,which plays a decisive role in determining the location and axial direction of underground powerhouse.

underground powerhouse; deeply buried; ground stress; engineering geological investigation

2015-06-10;改回日期:2015-07-10

劉錄君(1972-),男,高級工程師,工程地質專業(yè),從事工程地質勘察設計工作。E-mail:1340760789@qq.com

TV731; P642

A

1671-1211(2016)01-0096-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601017

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.014.html 數(shù)字出版日期:2015-12-17 09:12