楊志川 尹軍 龐云銘 張煥強(qiáng) 陳金龍

摘要：通過分析潛在工程地質(zhì)問題，為旭龍水電站地下廠房圍巖支護(hù)設(shè)計提供地質(zhì)依據(jù)，應(yīng)用現(xiàn)場調(diào)查、室內(nèi)外試驗和三維數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對地下廠房圍巖穩(wěn)定問題及相應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入分析。結(jié)果表明：圍巖以花崗巖等硬巖為主，巖石類別主要為Ⅱ類，少量Ⅲ類。潛在工程地質(zhì)問題主要包括不穩(wěn)定塊體、緩傾角結(jié)構(gòu)面、小夾角長大結(jié)構(gòu)面、局部高地應(yīng)力、洞室涌水等，可能引起局部圍巖片幫、掉塊、崩落或塌方等變形破壞；大方量不穩(wěn)定塊體可能導(dǎo)致部分洞段整體失穩(wěn)；洞室涌水會降低局部圍巖穩(wěn)定性，不利于施工。研究成果明確了旭龍水電站地下廠房主要工程地質(zhì)問題，為圍巖開挖和支護(hù)設(shè)計提供了理論支持。

關(guān)鍵詞：地下廠房； 工程地質(zhì)問題； 圍巖變形破壞； 局部高地應(yīng)力； 旭龍水電站

中圖法分類號：TV221.2

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.005

文章編號：1006-0081（2024）05-0026-05

0 引言

水電站地下廠房一般具有埋深大、跨度大、邊墻高等特點，研究地下廠房圍巖潛在的穩(wěn)定性問題和機(jī)理，對于高山峽谷大型高拱壩水電站支護(hù)設(shè)計和提高工程安全性具有重要意義［1］。

傳統(tǒng)的洞室圍巖穩(wěn)定性分析是根據(jù)地質(zhì)條件劃分圍巖類別，相應(yīng)的系統(tǒng)支護(hù)不能滿足大跨度地下工程安全要求，應(yīng)根據(jù)不同的圍巖穩(wěn)定問題和機(jī)理以及不同的工程部位進(jìn)行專項設(shè)計。劉沖平、肖云華等［2-3］在烏東德電站地下廠房高邊墻陡傾順向巖體變形研究中，歸納總結(jié)了沉積巖地層中高邊墻地下廠房圍巖穩(wěn)定問題。劉思杰等［4］在白鶴灘水電站地下廠房巖體變形機(jī)理研究中，提出了噴出巖地層中廠房巖體的失穩(wěn)模式。然而，侵入花崗巖與沉積巖和噴出巖的地層地質(zhì)條件差異較大，目前較缺乏侵入花崗巖地層中地下廠房圍巖穩(wěn)定問題的分析和探討，相應(yīng)支護(hù)設(shè)計的理論依據(jù)有待進(jìn)一步探索。

為解決上述問題，本文在塊體穩(wěn)定性研究［5-7］的基礎(chǔ)上，針對性地開展地應(yīng)力測試、廠房頂拱先導(dǎo)孔等技術(shù)應(yīng)用，為以侵入花崗巖為主要圍巖的地下廠房圍巖破壞機(jī)理和類型研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過三維數(shù)值模擬方法進(jìn)行分析，為提高地下廠房圍巖的安全性、穩(wěn)定性和保障水電站的穩(wěn)定運(yùn)行提供支撐。

1 工程概況

旭龍水電站開發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主，兼顧促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展。壩址多年平均流量990 m3/s，多年平均徑流量313億m3。水庫正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，調(diào)節(jié)庫容1.26億m3；設(shè)計洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，總庫容約8.47億m3。水電站裝機(jī)容量2 400 MW，多年平均年發(fā)電量約105.14億kW·h。

地下廠房系統(tǒng)布置于右岸，總體為引水隧洞單機(jī)單洞，尾水隧洞二機(jī)一洞，主廠房、主變洞、調(diào)壓室三大洞室相互平行布置。主要建筑物有進(jìn)水口、引水隧洞、主廠房、母線洞、主變洞、尾水隧洞、尾水調(diào)壓室、尾水出口及開關(guān)站等，見圖1。主廠房開挖尺寸為204 m×27.7 m（29.9 m）×79.2 m。

2 工程地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)位于金沙江右岸，屬中高山地貌，為走向與金沙江流向基本一致的多級高聳山脊，高程自枯水位2 150 m至二級岸坡坡頂4 000 m左右。主廠房外側(cè)端墻距岸邊距離265 m，洞室埋深260～420 m。

圍巖主要為三疊紀(jì)印支期侵入花崗巖（γ15）、中元古界雄松群三段（Pt2x3）混合巖及少量斜長角閃巖脈體，微新巖體，花崗巖與混合巖分界面焊合良好，呈硬性接觸。巖體單軸飽和抗壓強(qiáng)度80～110 MPa，變形模量20～30 GPa，巖體聲波測試縱波波速Vp均值為5.3 km/s。與地下廠房相關(guān)的斷層中，規(guī)模較大的為F1斷層（Ⅱ級結(jié)構(gòu)面），其余規(guī)模為Ⅲ、Ⅳ級結(jié)構(gòu)面，以與金沙江大角度相交的陡傾斷層為主。

最大水平主應(yīng)力范圍主要為8.2～21.1 MPa，最大水平主應(yīng)力方向一般為N51°～66°E（平均N57°E）。地應(yīng)力總體為中等應(yīng)力水平，局部應(yīng)力集中部位為高應(yīng)力水平，且具有隨機(jī)分布特征［8-9］。

水文地質(zhì)結(jié)構(gòu)總體屬裂隙型網(wǎng)絡(luò)狀，局部受斷層影響，形成脈狀透水帶，微新巖體大部分透水性較弱，屬相對隔水巖體。山體內(nèi)地下水位較低，近岸地段地下水位基本與江水一致，向岸坡內(nèi)地下水位緩慢抬升。

3 主要工程地質(zhì)問題

地下廠房洞室群布置于微新巖體中，塊狀構(gòu)造，較完整至完整，圍巖類別以Ⅱ類為主，部分為Ⅲ類，洞室成洞和穩(wěn)定條件整體較好。主要工程地質(zhì)問題有不穩(wěn)定塊體、緩傾角結(jié)構(gòu)面、小夾角長大結(jié)構(gòu)面、局部高地應(yīng)力、洞室涌水等［10-11］。

3.1 不穩(wěn)定塊體

通過對廠房區(qū)發(fā)育的斷層、裂隙性斷層、長大裂隙以及洞室分布區(qū)平洞揭露的優(yōu)勢裂隙的研判，將其作為塊體邊界分析其組合切割模式，利用BM_GeoModelerS2019構(gòu)建三維地質(zhì)模型，對洞室頂拱及邊墻的塊體進(jìn)行搜索及穩(wěn)定性分析，將塊體分為半定位塊體、隨機(jī)塊體2類。其中，主廠房區(qū)半定位塊體發(fā)育6處（圖2及表1），體積750～2 800 m3，主要分布于頂拱及起拱線一帶，可能產(chǎn)生的主要破壞模式為塌頂、滑塌及掉塊。隨機(jī)塊體易在拱頂形成，為錐形楔體或斜錐形楔體的塊體，以掉塊破壞為主；在邊墻上則以傾倒、片狀剝落、滑塌破壞為主。

地下廠房主廠房、主變洞和尾水調(diào)壓室頂拱跨度大，開挖臨空面易形成可動關(guān)鍵塊體，系統(tǒng)支護(hù)難以滿足其穩(wěn)定性要求，關(guān)鍵塊體邊界條件的確定至關(guān)重要。由于重力是塊體失穩(wěn)的直接原因，因此關(guān)鍵塊體在支護(hù)設(shè)計階段不考慮結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，僅作為安全余度考慮。

3.2 緩傾角結(jié)構(gòu)面

廠房區(qū)圍巖主要為侵入巖，裂隙發(fā)育隨機(jī)性強(qiáng)。隨著洞室開挖，頂拱下部臨空，上部遇緩傾角結(jié)構(gòu)面切割，頂拱部位巖體易發(fā)生變形破壞，潛化破壞模式以塌頂、掉塊為主，見圖3。

前期勘探平洞揭露緩傾角結(jié)構(gòu)面如圖4所示，傾角一般為5°～25°，延伸長度多大于50 m，裂隙寬1～10 cm，充填泥鈣質(zhì)、云母，沿裂面普遍風(fēng)化加劇，鐵錳質(zhì)浸染呈黃褐色。尾水調(diào)壓室、尾水隧洞區(qū)域受此影響，局部穩(wěn)定性較差，頂拱部位易產(chǎn)生變形破壞。

3.3 小夾角長大結(jié)構(gòu)面

小夾角長大結(jié)構(gòu)面主要是指陡傾長大裂隙與洞室邊墻夾角小于30°。廠房區(qū)陡傾裂隙主要發(fā)育2組裂隙（圖5）：① NE組，走向35°～55°，傾向SE為主；② 近南北向，主要傾向W，部分傾向E。

第①組裂隙與主廠房、主變洞、尾水調(diào)壓室軸線呈小角度相交，夾角3°～20°，易于邊墻形成錐形楔體、薄板，不利于洞室圍巖穩(wěn)定，圍巖潛在的主要破壞模式為滑塌、傾倒及剝落。

第②組裂隙與引水隧洞、母線洞、尾水隧洞和部分附屬洞室軸線呈小角度相交，夾角5°～25°，易于洞壁形成錐形楔體、薄板，不利于洞室圍巖穩(wěn)定，圍巖潛在的主要破壞模式為滑塌、傾倒及剝落。

3.4 局部高地應(yīng)力

廠房區(qū)地應(yīng)力為中等地應(yīng)力水平，其最大主應(yīng)力方向與廠房軸線方向呈小角度相交，其巖石強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σm一般為6.1～11.0，局部區(qū)域小于7，存在局部地應(yīng)力集中引起的圍巖穩(wěn)定問題。前期鉆孔部分見餅狀巖心，勘探平洞出現(xiàn)片幫剝落，均為應(yīng)力釋放現(xiàn)象，見圖6～7。

工程區(qū)位于構(gòu)造應(yīng)力為主的強(qiáng)烈上升地區(qū)，侵入花崗巖巖質(zhì)硬脆、完整性較好，具備巖爆發(fā)生的客觀條件。最大主應(yīng)力與巖體裂隙、地下洞室臨空面的夾角與巖爆關(guān)系密切，在其他條件相同情況下，夾角越小，巖爆越強(qiáng)烈。與三大洞室軸線小角度相交的NE走向陡傾角裂隙易發(fā)生片幫或剝離，端墻臨空面走向與最大主應(yīng)力方向大角度相交及局部高地應(yīng)力會加大圍巖卸荷松弛深度與程度。

局部高地應(yīng)力區(qū)域圍巖淺表層可能出現(xiàn)片幫、剝離、巖爆現(xiàn)象，表現(xiàn)在洞室拱座的劈裂-松脫破壞和邊墻的劈裂-松脹、隆起等，巖爆零星、間斷發(fā)生，巖爆烈度等級為輕微，對淺表層圍巖穩(wěn)定不利。

3.5 洞室涌水

廠房區(qū)三大洞室及部分附屬洞室處于地下水位以下，地下水主要為裂隙水，其含水介質(zhì)分為裂隙網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)體與脈狀含水體兩種。在洞室開挖過程中，地下水可能沿結(jié)構(gòu)面進(jìn)入洞室，形成線狀、小股狀或股狀涌水，對洞室圍巖穩(wěn)定不利，應(yīng)及時對洞室涌水采取抽排水等措施。

廠房三大洞室處在上下游圍堰河段山體內(nèi)，三大洞室開挖期間，上、下游圍堰及其防滲帷幕已經(jīng)形成，堰內(nèi)江水已抽干，因此涌水主要為山內(nèi)側(cè)的地下水補(bǔ)給。

地下電站主廠房外邊墻距岸邊265 m，至主廠房區(qū)地下水位穩(wěn)定，一般為2 169～2 187 m，基本不隨季節(jié)變化，垂直于金沙江方向的水力坡降為7%～9%。廠房區(qū)巖體較完整，透水性弱，水位也高于江水，運(yùn)行期間江水向三大洞室大流量滲透的概率小。

4 結(jié)語

旭龍水電站工程是國家西電東送骨干電源點之一，地處金沙江中高山峽谷，地質(zhì)條件復(fù)雜，地下廠房作為其樞紐重要建筑群，圍巖穩(wěn)定問題突出。本文對地下廠房區(qū)主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行了分析和總結(jié)，得出以下結(jié)論。

（1） 地下廠房三大洞室距岸邊240～265 m，上覆巖體厚度260～410 m；圍巖為花崗巖、混合巖及少量斜長角閃巖脈體，巖質(zhì)堅硬、微新、未卸荷；斷層、裂隙總體不發(fā)育；總體中等地應(yīng)力水平，局部應(yīng)力集中、為高地應(yīng)力水平。

（2） 廠房區(qū)圍巖類別以Ⅱ類為主，部分為Ⅲ類，洞室成洞和穩(wěn)定條件整體較好；圍巖穩(wěn)定問題主要有：塊體、緩傾角結(jié)構(gòu)面、小夾角長大結(jié)構(gòu)面、局部高地應(yīng)力、洞室涌水等。

（3） 基于廠房區(qū)圍巖變形破壞的特征，對不同類型、不同規(guī)模、不同機(jī)理和不同危害的工程地質(zhì)問題，需采取針對性專項設(shè)計。

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編輯：高小雲(yún)

Analysis on main engineering geological problems of underground powerhouse of Xulong Hydropower Station

YANG Zhichuan，YIN Jun，PANG Yunming，ZHANG Huanqiang，CHEN Jinlong

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to provide a geological basis for the design of surrounding rock support for the underground powerhouse of Xulong Hydropower Station，the potential engineering geological problems were analyzed，and a combination method of on-site investigation，indoor and outdoor experiments，and three-dimensional numerical simulation was used to deeply analyze the stability problems and mechanisms of surrounding rock in the underground powerhouse.The results showed that the surrounding rock was mainly composed of hard rocks such as granite，with the main rock types of Class Ⅱ and a small amount of Class Ⅲ.The potential engineering geological problems included unstable blocks，gently inclined structural planes，small angle long structural planes，local high ground stress，and water inrush in the cavern.The above-mentioned issues may cause the deformation and failure such as local rock fragmentation，falling blocks，collapse，landslide，etc.Large and unstable blocks may cause the overall instability of some tunnel sections，while water inrush in the tunnel may reduce the stability of local surrounding rock and leads to poor construction conditions.The research results clarified the main engineering geological problems of the underground powerhouse of Xulong Hydropower Station，providing a theoretical support for excavation and support design of surrounding rock.

Key words：

underground powerhouse； engineering geological problem； deformation and failure of surrounding rock； local high ground stress； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：楊志川，男，高級工程師，主要從事工程地質(zhì)、水利水電工程巖土勘察等工作。E-mail：343318315@qq.com