清遠抽水蓄能電站地下廠房巖體變形試驗研究

潘亨永，王殿春，賀 猛

（廣東省水利電力規(guī)劃勘測設計研究院，廣州 廣東 510170）

清遠抽水蓄能電站位于廣東省清遠市清新縣太平鎮(zhèn)境內(nèi)，距清遠市約32 km。樞紐工程由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)建筑物、地下廠房洞室群、開關站及場內(nèi)公路等組成。電站設計裝機容量1 280 MW （4×320 MW）， 工程等別為一等大 （1）型工程。上、下庫自然高差約480 m，水平距離2 439 m。

地下廠房布置在輸水發(fā)電系統(tǒng)中部，為首部式，廠房規(guī)模巨大，廠房長×寬×高為168.5 m×25.5 m×57.9 m。地下廠房區(qū)巖性為燕山三期中粗粒黑云母花崗巖，巖體較新鮮完整，斷層構(gòu)造發(fā)育不多，工程地質(zhì)條件較好。

巖體的變形特性關系到地下廠房圍巖穩(wěn)定，關系到工程安全與經(jīng)濟。采用剛性承壓板變形試驗方法對各類巖體進行了變形試驗，為工程勘察設計提供了依據(jù)。同時，為今后同類工程的巖體變形試驗積累了經(jīng)驗。

1 地下廠房區(qū)基本地質(zhì)條件

廠房位于輸水線中部，該處地形較完整，地面高程為360～510 m左右，廠房埋深280～400 m。沿輸水線路有較多基巖露頭，地表第四系覆蓋層較薄，山體山坡穩(wěn)定。

地下廠房和高壓岔管巖性為燕山三期 （γ52（3））中粗粒黑云母花崗巖，風化程度為微風化～新鮮。

地下廠房區(qū)發(fā)育3組斷層，斷層規(guī)模一般不大，主要為裂隙性斷層：①近東西組：共8條，產(chǎn)狀EW～N80°W／S、 N∠80°～85°， 以陡傾角為主。 斷層以角礫巖、碎裂巖為主，充填鈣質(zhì)和石英，局部見高嶺土化蝕變，具多期構(gòu)造活動特征，以張性為主，先壓扭后張開，斷面見多期擦痕。大多膠結(jié)較好，少量有斷層泥、糜棱巖，膠結(jié)稍差，延伸長，寬度一般0.1～0.3 m，沿斷層局部有滲滴水現(xiàn)象。②北北西組： 共 4 條， 產(chǎn)狀 N10°～35°W／NE∠65°～80°， 以中、陡傾角為主。斷層主要由角礫巖、碎裂巖、糜棱巖組成，輕度綠泥石化，局部見高嶺土化蝕變，斷層面見擦痕。大多膠結(jié)較好，少量有斷層泥，膠結(jié)稍差，以壓扭性為主。寬度0.2～1.5 m。少量斷面有潮濕或地下水滴滲現(xiàn)象。③北東向組：共6條，產(chǎn)狀 N30°～45°E/NW （洞內(nèi)） ∠60°～65°， 以中等傾角為主。斷層帶主要由角礫巖、碎裂巖組成，多充填石英脈和暗色礦物，膠結(jié)較好，以張性為主，少量為壓扭性，斷面見45°角斜向擦痕。寬度一般0.1～0.5 m，局部寬度達1.5～2.0 m，無影響帶。

廠房區(qū)裂隙發(fā)育方向與斷層發(fā)育方向基本一致，主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙：①近EW組：產(chǎn)狀EW～N80°W／S、 N∠80°～85°， 張性， 延伸長， 多充填鈣質(zhì)，膠結(jié)一般～較差，少量滴滲水；②NNW組：產(chǎn)狀 N10°～35°W／NE∠60°～85°， 多閉合～微張， 延伸長，少數(shù)鈣質(zhì)充填，膠結(jié)較好，局部潮濕或滴水，多形成節(jié)理密集帶；③NE組：產(chǎn)狀N25°～40°E/NW∠55°～85°，閉合，延伸長，多無充填或石英脈充填，膠結(jié)好，干燥。

地下廠房圍巖主要以微風化～新鮮花崗巖為主，斷裂不甚發(fā)育，具整體和塊狀結(jié)構(gòu)，圍巖類別以Ⅰ～Ⅱ類為主。主廠房、主變室、尾閘室、高壓岔管、引水支管、尾水支管及尾水岔管位置斷層裂隙不甚發(fā)育，避開了附近主要斷層，圍巖穩(wěn)定性好。

本次對地下廠房區(qū)的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類和Ⅳ類圍巖共進行了8個點的巖體變形試驗，試驗在地下廠區(qū)探洞的主洞PD01及PD01-1SW、PD01-1S、PD01-1SE、PD01-2S各支洞內(nèi)進行。

2 試驗方法

巖體變形試驗按SL 264—2001《水利水電工程巖石試驗規(guī)程》第6.1節(jié)的規(guī)定進行。試驗采用剛性承壓板法，承壓板直徑520 mm，承壓面積2 123.72 cm2。最大壓力分5級逐級一次循環(huán)法進行試驗。依據(jù)設計資料，試驗最大壓應力采用10.4 MPa。試驗采用3 200 kN千斤頂，活塞面積490.87 cm2，相應壓力表讀數(shù)為45 MPa。

巖體變形采用4個千分表讀取，千分表固定在測表支桿上，表腳置于承壓板的上表面上。試驗裝置見圖1。壓力采用1.5級精密壓力表測量和控制。變形模量或彈性模量按下式計算

式中，E為變形模量或彈性模量，MPa；μ為巖體泊松比；p為按承壓面單位面積計算的壓應力，MPa；D為承壓板直徑，cm；W為巖體表面變形，cm。

3 試驗成果分析

3.1 Ⅰ類圍巖

圖1 巖體變形試驗裝置示意

Ⅰ類圍巖巖體進行了1個點的變形試驗，試驗點位于地下廠房PD01-1SW探洞支洞，樁號53 m處。試驗點編號為Ⅰ-PD01-1SW-053。試驗點巖性為灰白色燕山三期中粗粒黑云母花崗巖，主要成分為石英、黑云母，巖質(zhì)堅硬，巖體完整，未見裂隙，試樣表面及周圍有浸水。巖體變形試驗壓應力—垂直變形關系見圖2。

圖2 Ⅰ類圍巖壓應力—垂直變形關系

巖體的壓應力—垂直變形關系呈直線形。在各級壓力下的分級變形小，且比較均勻，總變形小。在最大壓應力10.4 MPa下的總變形為91 μm，殘余變形為31 μm，彈性變形為60 μm，回彈率為66%，彈性模量Ee為68 752 MPa，變形模量E0為45 331 MPa。試驗表明，Ⅰ類圍巖巖體變形試驗的分級變形、總變形及殘余變形均小，彈模、變模高。

3.2 Ⅱ類圍巖

Ⅱ類圍巖巖體共進行了3個點的變形試驗，代表性試點編號為Ⅱ-PD01-1SE-73，該試驗點位于地下廠房PD01-1SE探洞支洞，樁號73 m。試驗點巖質(zhì)堅硬，試樣完整，未見裂隙從試樣通過。 在試樣周圍發(fā)育兩條交叉裂隙：一條裂隙距試樣30 cm左右，產(chǎn)狀N75°W/NE∠70°，裂隙寬約2 mm，被水晶顆粒密實充填；另一條距試樣50 cm左右，產(chǎn)狀N35°E/SE∠65°，接觸面粘結(jié)緊密，斷面光滑，少有水晶顆粒。巖體變形試驗壓應力—垂直變形關系見圖3。

巖體的壓應力—垂直變形關系為直線形。巖體在各級壓力下的分級變形不大，且比較均勻，總變形小。在最大壓應力10.4 MPa下的總變形為99 μm，殘余變形為4 μm，彈性變形為95 μm，回彈率為 96%。 Ee為 42 926 MPa， E0為 41 192 MPa。試驗表明，巖體的總變形及殘余變形小，彈性模量和變形模量較大。巖體回彈率高，巖體的彈性模量和變形模量相差不大。

圖3 Ⅱ類圍巖壓應力—垂直變形關系

3.3 Ⅲ類圍巖

Ⅲ類圍巖共進行了3個點的變形試驗，代表性試點編號為Ⅲ-PD01-1S-343，該試驗點位于地下廠房PD01-1S探洞支洞，樁號343 m。試驗點巖質(zhì)堅硬，試樣完整，未見裂隙從試樣通過。試樣周圍發(fā)育3條裂隙：一條裂隙距試樣約60 cm，產(chǎn)狀 N25°E/NW∠50°，裂隙面光滑，近閉合，無充填；另一條產(chǎn)狀為N80°W/SW∠75°，距試樣15 cm，裂隙面光滑，近閉合，無充填；第3條裂隙產(chǎn)狀N80°W/SW∠75°，距試樣40 cm，裂隙寬約20 mm，含水晶帶，較破碎，有浸水。巖體變形試驗壓應力—垂直變形關系見圖4。

圖4 Ⅲ類圍巖壓應力—垂直變形關系

巖體的壓應力—垂直變形關系曲線為上凹形。在第1級壓力下產(chǎn)生了較大的壓密變形，隨后第2～5級壓力下的分級變形明顯減小，且變形較均勻。在1～5級壓力下的分級變形分別為38、21、18、17 μm和21 μm。在最大壓應力10.4 MPa下的總變形為 115 μm， 殘余變形為 15 μm， 彈性變形為 100 μm， 回彈率為 87%。Ee為 39 824 MPa，E0為 34 630 MPa。試驗表明，巖體的總變形及殘余變形不大，彈模、變模稍低于Ⅱ類圍巖。巖體回彈率較高，巖體彈模、變模相差不大。

3.4 Ⅳ類圍巖

Ⅳ類圍巖巖體變形試驗進行了1個點的變形試驗，試驗編號為Ⅳ-PD01-2S-42，試點位于地下廠房PD01探洞2號南支洞，樁號42 m。試驗點試樣較破碎，主要由石英巖和中粗粒黑云母花崗巖組成，試樣進洞的右側(cè)主要以石英為主，石英塊不規(guī)則，手搓有泥質(zhì)感，試樣表面有浸水。試樣表面微小裂隙發(fā)育，有一條寬約5 mm的貫通裂隙通過，其產(chǎn)狀為 N25°W/SW∠75°，有石英充填。巖體變形試驗壓應力—垂直變形關系見圖5。

圖5 Ⅳ類圍巖壓應力—垂直變形關系

巖體的壓應力—垂直變形關系曲線為上凹形。巖體在各級壓力下的分級變形相對較大，總變形較大。在最大壓應力10.40 MPa下的總變形為152 μm，殘余變形為22 μm，彈性變形為130 μm，回彈率為86%，Ee為28 673 MPa，E0為24 523 MPa。試驗表明，Ⅳ類圍巖巖體的總變形大，彈模、變模低。

以最大壓應力10.4 MPa下的各類圍巖的變形模量E0進行比較分析：Ⅰ類圍巖E0為45 331 MPa； Ⅱ類圍巖 E0為 39 980～52 961 MPa， 平均44 711 MPa，與Ⅰ類圍巖接近；Ⅲ類圍巖E0為34 630～44 746 MPa， 平均 38 865 MPa， 比Ⅱ類圍巖低； Ⅳ類圍巖E0為24 523 MPa，比Ⅲ類圍巖低。總體上，Ⅰ～Ⅳ類圍巖的變形模量及彈性模量依次降低。Ⅰ類圍巖只有1個試點，其試驗值與Ⅱ類圍巖接近；Ⅲ類圍巖比Ⅱ類圍巖低；Ⅳ類圍巖明顯低于Ⅲ類。

試驗中出現(xiàn)了一定離散性，如在試驗最大壓應力為10.4 MPa下，Ⅱ類圍巖PD01-1S-088試點的E0為52 961 MPa，大于Ⅰ類圍巖PD01-1S-W-53試點的45 331 MPa； Ⅲ類圍巖PD01-1SE-236試點的E0為44 746 MPa，大于Ⅱ類圍巖PD01-1S-177試點的39 980 MPa。這反映了巖體的非均一性，同類巖體中有比該類巖體較好或較差的巖體，加之巖體的堅硬程度及微裂隙或隱伏裂隙也會對變形試驗結(jié)果有一定影響，而這些微觀因素難以為宏觀的地質(zhì)巖體分類所反映。巖體的物理力學參數(shù)具有不確定性，試驗中出現(xiàn)以上離散性是正常的，試驗結(jié)果反映了各類巖體的變形特性。

本工程地下廠房巖體為堅硬、微風化～新鮮的花崗巖，Ⅰ、Ⅱ類圍巖占大部分，巖質(zhì)堅硬，裂隙不發(fā)育，試驗得出了較高的巖體變形模量；Ⅲ類圍巖主要為裂隙密集帶和斷層影響帶，巖質(zhì)堅硬，地下水活動較強烈，其變形模量低于Ⅱ類圍巖；Ⅳ類圍巖為局部斷層帶，巖質(zhì)相對較軟，地下水活動強烈，其變形模量明顯低于Ⅲ類圍巖。試驗成果反映了各類巖體的變形特征。

4 結(jié)語

清遠抽水蓄能電站地下廠房巖體變形試驗，采用剛性承壓板逐級一次循環(huán)試驗方法，研究了地下廠房區(qū)各類圍巖巖體在高壓力下的變形特性。試驗成果反映了該工程地下廠房區(qū)各類圍巖的巖體變形特性，為工程設計提供了依據(jù)，為今后同類工程的巖體變形試驗積累了經(jīng)驗，具有一定參考應用價值。