猴子巖水電站地下廠房位置及其軸線方向的選擇

曲海珠，李治國，李紅心

(1.中國水電顧問集團成都勘測設計研究院，四川成都610072;2.國電大渡河猴子巖水電建設有限公司，四川康定626005)

1 概述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內，是大渡河干流水電規劃調整推薦22級開發方案中的第9個梯級電站。地下廠房位于右岸山體內，廠房開挖尺寸(長×寬×高)為224.4 m×29.2 m×74.4 m。廠房底板高程1 661.8 m，廠房下游側設主變室和尾調室，三者之間巖柱厚度均為45 m。電站裝機容量為1 700 MW(425 MW×4)。

2 工程地質情況

工程區位于色龍溝口至折駱溝口河段，全長3.8 km，河道略呈“S”型流向。壩址河谷狹窄，河谷形態呈較對稱的“V”型谷。河谷兩岸地形陡峻，臨河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般為60°～65°，以上變緩為30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般為55°～60°，以上為40°～50°。壩前右岸發育有磨子溝，溝谷切割較深。

地下廠房區出露基巖主要為泥盆系下統(D11)第⑨層中厚層～厚層～巨厚層狀，局部夾薄層狀白云質灰巖、變質灰巖，巖層產狀為N50°～70°E/NW∠40°～60°。據勘探揭示，地表巖體風化卸荷較弱，強卸荷、弱風化上段水平深2 m，弱卸荷、弱風化下段水平深度為52～58 m，向內為微風化～新鮮巖體。

地下廠房區無區域斷裂通過。據勘探平洞揭示，廠區上游側發育一條規模較大的斷層F1－1，產狀N60°E/NW∠85°，主要由碎粒巖、碎粉巖組成，主錯帶寬1～1.5 m，碎粉巖帶寬30 cm，斷層影響帶寬約20 m，斷層處洞壁垮塌，地下水沿斷層股狀流出。其它結構面主要有次級小斷層23條、擠壓破碎帶42條和節理裂隙6組。廠房部位巖體完整性總體為較完整～完整。

廠房區巖性為白云質灰巖、變質灰巖，巖體中巖溶不發育，僅見個別溶隙，除斷層帶具較強透水性外，中陡傾裂隙一般透水性較弱。由于河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補給水源有限，岸坡排泄條件較好，因此，地下水位埋藏較深，總體上為地下水補給河水，巖體中地下水不豐。

廠房區為高地應力區。在勘探平硐中，多處出現片幫現象。可研階段分別在平硐進行了6組地應力測量，最大主應力σ1量級為21.53～36.43 MPa，最大主應力σ1方向大致為N41°～75°W，傾角為21°～47°(仰角為正、俯角為負)。洞壁片幫發育程度和地應力測量結果表明:右岸廠房區為高地應力區，為區域構造應力場與地形自重應力場疊加的結果。

3 地下廠房位置和縱軸線

3.1 地下廠房位置

地下廠房的進水口布置于壩軸線上游約500 m處，由于地形、地質條件的限制，進水口位置相對固定，可調整的范圍不大。廠房位置受電站進水口位置和壓力管道不設上游調壓室的極限長度控制，同時考慮F1－1斷層、SPD1－3平硐0+48以里的IV類圍巖體、放空洞有壓段內水壓約90 m的影響、引水發電系統等樞紐建筑物的布置協調以及機組運行、工程投資等因素，比較了3個廠房位置方案。3個方案的廠房均位于SPD1－1探洞附近(圖1)。

圖1 地下廠房1 704.9 m高程工程平切圖

方案一:廠房布置于大渡河右岸略靠壩軸線上游山體內，廠房縱軸線方向為N61°W，廠房左上角距壩軸線鉛直面約100 m，順壩軸線方向距右壩肩約200 m。勘探平洞SPD1－4、SPD1－3縱向穿過廠房，廠房最小垂直埋深約380 m，最小水平埋深約250 m。據勘探平硐揭示，廠房區巖性為泥盆系下統(D11)第⑨層微風化～新鮮的白云質灰巖、變質灰巖，巖性較單一，巖體以中厚層～厚層～巨厚層狀結構為主，巖體完整～較完整，圍巖類別以Ⅲ1類為主;SPD1－3平洞0+048以里的IV類圍巖外邊界距廠房右端墻約3～5 m，僅對安裝間端墻圍巖穩定有一定影響;F1－1斷層主錯動帶距廠房右端墻約25 m，基本上不影響廠房圍巖穩定。廠區整體成洞條件和圍巖自穩能力較好。廠房左端墻距放空洞約80～100 m，能滿足通風系統布置、廠房及其附屬洞室防滲需要。方案一的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為70°，單條壓力管道最長約640 m。在滿足不設上游調壓室和機組穩定運行條件下的管道直徑為10.5 m。

方案二:在方案一的基礎上，廠房沿廠房軸線方向向山內移動約25 m，并為避開F1－1斷層主錯動帶向下游移動了10 m。廠房所處地質條件與方案一基本相同。但因廠房向山內移動，相對有利于通風系統及附屬洞室布置。方案二中廠房右端墻距F1－1斷層主錯動帶外邊界僅約5 m，而安裝間段直接穿過SPD1－3平洞0+048以里的IV類圍巖，故安裝間端墻及邊頂拱圍巖條件惡化，圍巖穩定問題突出，防滲難度略有增加。方案二較方案一離放空洞有壓段略遠，相對有利于通風系統及附屬洞室布置。方案二中的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為70°，壓力管道增長，單條壓力管道最長約681 m。

方案三:在方案一的基礎上，廠房沿廠軸線方向向山外移動約25 m。廠房所處地質條件與方案一基本相同。因廠房向山外移動，SPD1－3平洞0+048以里的IV類圍巖外邊界距廠房右端墻約28～30 m，基本上不影響廠房右端墻圍巖穩定。方案三較方案一遠離F1－1斷層但靠近放空洞有壓段，廠房左端墻距放空洞有壓段約55～75 m，難以滿足在其間布置附屬通風系統洞井及廠區排水廊道的需要，防滲難度大、要求高。方案三中的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為56°，壓力管道增長，單條壓力管道最長約710 m。

綜上所述，受地質條件和樞紐布置的影響，廠房位置可調整的余地很小。綜合地質條件、樞紐布置、水力條件、結構安全、機組運行和工程投資等因素對于地下廠房位置的選取，推薦方案一。

3.2 廠房縱軸線

廠房縱軸線布置原則:廠房縱軸線與初始地應力最大主應力方向呈較小夾角;與主要結構面走向呈較大夾角，并滿足各樞紐建筑物的布置協調和運行要求。

廠區初始地應力最大主應力σ1量級為21.53～36.43 MPa，最大主應力σ1方向大致為N41°～75°W，廠房軸線要與初始地應力方向呈較小夾角，其方位宜為N41°W～N75°W。

根據以上因素，結合地質條件和水工布置情況比較了2個廠房縱軸線布置方案，即縱軸線方向為N61°W和縱軸線方向為N41°W。

從地質條件上比較可知(表1):

圖2 廠房縱軸線布置(N61°W和N41°W)方案圖

表1 地質條件比較表

根據對表1的結果進行分析，兩個方案的軸線方向均與巖層產狀大角度相交，與地應力小角度相交。N41°W方案與目前所測的量級36.43 MPa最大地應力δ1幾乎平行。再與小斷層的夾角進行比較，N41°W方案略優于N61°W方案。從水工布置上比較(表2):

表2 水工布置比較表

對水工布置比較表(表2)的結果進行分析，N41°W方案中的壓力管道和主要附屬洞室的長度均有增加。壓力管道間的巖體厚度減少，小于1倍的開挖洞徑且壓力管道要穿過F1－1斷層和IV類巖體，對圍巖穩定不利。從廠壩防滲排水系統布置協調、縮短壓力管道長度、引水發電系統布置順暢等方面出發，廠房軸線方位宜選為N61°W左右。

綜合考慮上述各方面因素，確定廠房縱軸線方向為N61°W，廠房軸線方向與廠區實測初始地應力最大主應力σ1方向夾角為6.5°～16.69°，與廠房區主要結構面N50°E～N70°E的夾角為49°～69°，有利于圍巖穩定。廠房縱軸線方向與廠區主要小斷層、擠壓破碎帶的夾角見表3。

表3 廠區主要小斷層、擠壓破碎帶與廠房縱軸線(N61°W)夾角表

可見，所選擇的廠房縱軸線與結構面夾角較大，與初始地應力最大主應力方向夾角較小，有利于洞室圍巖穩定;同時，廠房縱軸線也滿足了整個樞紐的布置協調要求。因此，所選擇的地下廠房縱軸線方位是合理的。

3.3 廠區初始應力場的反演分析

為了充分利用地應力測點進行廠區的地應力回歸，在廠區三維地應力場回歸中采用了大范圍的反演模型，而地下廠房洞室群的計算則包含在回歸模型中，回歸的地應力場作為計算模型的初始條件輸入，根據右岸地下廠區6組(SPD1－1、SPD1－2、SPD9－1、SPD1－3、SPD1－4、SPD1－5)地應力實測成果進行了初始地應力場反演回歸分析。對計算區域共劃分了97 290個單元和104 935個節點。主要結果如表4、5所示。

計算結果表明:采用三維有限元反演擬合的初始應力場綜合反應了地形地貌對初始應力場的影響，保證了在實測點處計算值與實際值基本一致，反演回歸的復相關系數為0.909 63，其結果具有較好的可靠性。回歸計算最大主應力σ1的方向近似平行于地下廠房的軸線方向，最小主應力σ3的方向近似垂直于地下廠房的軸線方向。從廠區回歸應力分量對比關系看，同樣呈現σz＞σx＞σy的分布特征，即鉛直方向的初始應力水平要大于水平向的初始應力。最大主應力方向與區域構造主壓應力方向較為接近，顯示為區域構造應力場與地形自重應力場疊加的結果，地應力大小隨水平埋深增大而增加，地應力量值對圍巖穩定有一定影響。

表4 實測點處計算應力與實測應力的主應力值比較表

表5 實測點處計算應力與實測應力的分量值比較表

4 結語

猴子巖水電站地下廠房位于中厚層～厚層狀白云質灰巖、變質灰巖中，圍巖條件較好。在地下廠房位置及其軸線選擇時充分考慮了地質條件、水工布置和運行條件，且通過三維有限元反演分析，最大主應力方向近似平行于地下廠房的軸線方向。根據以上綜合比較，確定了猴子巖水電站地下廠房的位置及其軸線方向。