佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房工程地質分析

丁仕群（安徽省水利水電勘測設計院 蚌埠 233000）

科技論壇

佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房工程地質分析

丁仕群
（安徽省水利水電勘測設計院 蚌埠 233000）

本文通過對佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房勘測資料的分析和研究，指出了佛子嶺抽水蓄能電站地下廠房的主要工程地質問題，介紹了地下廠房部位巖體分類及力學性參數取值方法，針對地下廠房工程地質條件給出了結論與建議。

佛子嶺抽水蓄能電站 地下廠房 工程地質 巖體分類

1 前言

為滿足安徽電網尤其是皖西地區電網的調峰、填谷和事故備用等需要，更好地發揮兩水庫的綜合效益，擬在佛—磨水庫間修建一座抽水蓄能電站，即佛子嶺抽水蓄能電站。利用已建磨子潭水庫作為上庫，佛子嶺水庫作為下庫，蓄能電站地下廠房設在磨子潭大壩左岸山體內，安裝2臺80MW混流可逆式機組，總裝機容量160MW。

電站采用地下廠房，按首部式布置，主要有主廠房、副廠房、安裝間以及母線洞、母線廊道、電纜洞等輔助洞室組成，主廠房（包含安裝間）開挖尺寸：長80.9m，寬24.8m，最大開挖高度53.12m。廠房橫斷面形狀為城門洞形，頂拱高程126.5m，最低開挖高程73.38m。

2 地下廠房地質概況

2.1巖性及斷裂

廠房處地表出露基巖均為前震旦系水竹河組地層，其巖性有花崗片麻巖（夾角閃石石英片麻巖）以及角閃斜長片麻巖。組成地下廠房的圍巖巖性均為角閃斜長片麻巖，局部夾綠泥石角閃片巖。綠泥石角閃片巖其產狀多數順層面（片麻理面），少數順斷層分布，厚度一般不超過2m，寬窄不一，透鏡狀分布，局部形成層間擠壓帶，在地表容易風化，在新鮮巖石中與圍巖接觸很好，其巖塊Rb>60MPa，屬堅硬巖石，但遇水有軟化現象。片麻理面產狀與原始巖層產狀近一致，且較為穩定，為N25°~40°W，NE∠25°~45°，微—新鮮巖石片麻理面結合緊密。

地下廠房部位根據勘探揭露有斷層F10以及小斷層f28~f32。各斷層其走向多為NW或NWW向，傾向NE占多數，以陡傾角為主，而NE向斷層僅見F5。裂隙以N40° ~65°E組最為發育，地表張開，局部延伸較長，并形成地表的一系列陡壁面，另一組較發育的為N30°~50°W，SW ∠60°~70°，一般短小、閉合。廠房部位的裂隙玫瑰花圖（見圖1），巖體完整?？梢姷叵律钐幍膹S房圍巖裂隙不發育，巖體完整。

2.2巖體透水性

鉆孔壓水試驗資料表明，淺部巖層為弱—微透水，深部巖層為微—極微透水性。根據勘探平洞揭示，僅局部洞段沿斷層、小斷層有少量潮濕滴水、滲水，勘探洞大部分為干燥洞室，說明此類巖性在地下深部透水性微弱。

2.3巖體力學特征

廠房圍巖為角閃斜長片麻巖以及花崗片麻巖。試驗表明，巖石比重為2.67~3.06，容重為26.3~30.5kN/m3，孔隙率為0.2%~5.6%，吸水率為0.04%~0.42%，抗壓強度平均值為104.7~158.7MPa，彈性模量為61~67GPa，點荷載強度均大于60MPa，兩種巖石均為硬質巖。兩種巖石聲波測試其微~新鮮巖塊縱波波速平均值為4917~5947m/s，縱波波速相差不大。巖體聲波測試，微—新鮮的角閃斜長片麻巖巖體縱波波速VP值較高為4767~5717m/s，且與微—新鮮的巖塊波速非常接近，說明巖體較為完整。

地下廠房洞室圍巖現場地應力值測試，最大水平主應力在2.9～5.3MPa之間，大部分小于5MPa，且Rc/σm ax>15 （Rc>100MPa），表明廠房區屬低水平應力區。最大水平主應力方向整體上約為N20°E，廠房長軸方向為N84°E，則實測最大水平主應力方向與廠房長軸夾角大，從地應力場最大水平主應力方向與洞軸線的關系看，不利于廠房和尾水洞圍巖穩定性。但由于整個測試區應力量值低，且大、小水平主應力測值比較接近，則地應力對地下廠房及尾水洞的圍巖穩定性影響不大。

圖1 廠房部位的裂隙圖

鑒于對巖（石）體室內、外物理力學性試驗成果的分析和研究，結合該工程實際，提出該工程巖石的主要物理力學性指標建議值見表1。

表1 地下圍巖巖石主要物理力學性參數建議值表

表2 地下廠房洞室圍巖分類成果對比表

3 主廠房（機組間和安裝間）圍巖分類

由于地下主廠房洞室規模較大，屬高邊墻、大跨度的地下洞室，為提供較為準確和合乎實際的洞室圍巖類別。根據勘察資料，以巖質類型、巖體結構、巖體狀態、結構面特征、地下水活動影響，結合巖體縱波速度、介質特征等，對地下廠房洞室圍巖穩定綜合分類，初步分類主廠房絕大部分為Ⅰ類圍巖，整體穩定，僅在F1、F10、f13等斷層帶附近為Ⅱ~Ⅲ類圍巖，基本穩定~局部穩定性差。按照《工程巖體分級標準》（GB50218-94）對工程巖體穩定性的分級方法。主廠房巖體基本質量指標修正值〔BQ〕為524~632，巖體基本質量級別為Ⅰ~Ⅱ類，大部分屬堅硬~較堅硬的、完整~較完整巖體，僅在一些F1、F10、f13等斷層帶及其影響帶存在Ⅲ類完整性差的巖體。采用了“水電地下工程圍巖分類法”對地下廠房圍巖進行了詳細分類，水電地下工程圍巖分類結果，地下廠房西側墻為Ⅰ類圍巖，穩定，東側墻及南側墻以Ⅰ類圍巖為主，局部夾Ⅱ類圍巖，整體穩定~基本穩定，北側墻及洞頂以Ⅰ~Ⅱ類圍巖為主，穩定~基本穩定，斷層帶存在Ⅲ類圍巖，局部不穩定；廠房圍巖三種方法分類及評價成果見

表2，由表可見3種方法分類及評價結果基本一致，成果是較為合乎實際的。

4 主廠房（機組間和安裝間）圍巖穩定性分析

地下主廠房巖性較單一，除部分沿斷層帶分布有綠泥石角閃片巖，厚度不大，其余絕大部分為完整~較完整的角閃斜長片麻巖，巖石堅硬，因此巖性對圍巖穩定影響不大，影響廠房圍巖穩定的主要是各種斷裂結構面以及它們之間的組合關系。廠房附近揭露的斷層主要有F1、F10，小斷層有f13、f28~f32，其中規模稍大的有F1、F10和f13、F1與廠房長軸夾角小，對廠房頂拱穩定有影響、F10對廠房的東邊墻、頂拱和北邊墻有影響，f13與廠房長軸夾角較大，與F10等結構面組合，對廠房頂拱圍巖穩定有影響；同時廠房尚發育有4組較為規則的裂隙結構面。根據廠房斷裂面赤平投影圖分析各種結構面之間組合塊體的穩定性及可能出現的破壞形式。各主要結構面與邊墻的赤平投影分析見圖2、圖3。

東端邊墻高度23.5m，F10斷層在該邊墻出露，由于傾向廠房外側，則對東端邊墻穩定影響不大，從各種結構面赤平投影圖可以看出，結構面的組合交線均傾向廠房外側，對其穩定有利，因此東端邊墻穩定，基本上無不利的結構面組合。

西端邊墻高度約為53m，未揭露斷層結構面以及層面或層間擠壓帶，根據所揭露的4組裂隙結構面進行赤平投影，從投影圖中可以看出，不利結構面組合有4種，分別為①~②、①~③、①~④、③~④，傾向廠房，其交線傾角為43° ~64°，具有不穩定趨勢，但其中③結構面發育少，短小閉合，則①~③、③~④所組成的不利結構體很少，而①~②、①~④所組成的不利結構體較為常見?？梢?，西端邊墻較穩定，但局部可能出現傾向廠房的不利結構體，不利結構面組合較為常見的主要有①~②、①~④兩種，針對此類不穩定體，在廠房的施工期間可對其進行清理或用錨桿加固處理。此外，層面裂隙或層間擠壓帶與其他方向裂隙組合，對西邊墻穩定不利。

圖2 東、西端邊墻結構面赤平投影圖

圖3 南、北端邊墻結構面赤平投影圖

南端邊墻高度約為53~23.5m，長80.9m，揭露有f29、f31、f13、F10斷層，f29斷層規模小，結合較好，傾向廠房外側，對其整體穩定無影響，f31、f13、F10斷層性質較差，與廠房夾角約為40°~50°，傾向廠房，對南邊墻東端整體穩定有一定影響，另外f13與F10在南邊墻東端頂部已切割出一個三角體，但其交線傾向廠房外側，對邊墻整體穩定無影響。根據結構面赤平投影圖可以看出，不利結構面組合主要為①~⑤，該結構面所組成的結構體較為常見，特別在F10斷層附近較常見。由上分析可知，廠房南邊墻東端在f31、f13、F10斷層出露部位可能出現圍巖失穩現象，其余部位整體穩定。

北端邊墻高度約為53~23.5m，長80.9m，揭露F1、f32、f31、f13、F10斷層，除f32規模小，斷層帶結合較好外，其余工程地質性質較差，但由于傾向廠房外側，則對廠房北邊墻整體穩定影響較小，另外F10與f13、f32與f13在北端邊墻頂部已切割出三角體，組合交線均傾向廠房，但其交線傾角較緩，為17°~20°，穩定性尚可?？梢钥闯?，不利結構面組合主要有5種，其中①~②’、④~⑤所組成的不利結構體較常見，而①~③、②’~③、③~④所組成的不穩定結構體分布稀少?？梢姡倍诉厜﹄m出露斷層相對較多，但由于斷層傾向廠房外側，則斷層對廠房北邊墻整體穩定影響不大，而由F10與f13、f32與f13切割出的三角體，交線較緩，交線傾角一般小于結構面內摩擦角，屬基本穩定，不利結構面僅①~②’、④~⑤所組成的不穩定結構體分布較為常見。

主廠房頂拱角閃斜長片麻巖片麻理結合緊密，原始層面不發育，則層面（片麻理）對廠房頂拱圍巖穩定影響不大，因此，影響頂拱圍巖穩定的主要是斷層、裂隙等結構面組合塊體形狀。廠房頂拱出露規模相對較大的斷層有F1、F10、f13，規模較小的斷層有f29、f30、f31、f32，就單條斷層來講，F1、F10、 f13斷層對廠房頂拱圍巖穩定影響較大，特別是F1斷層與廠房主軸夾角小，在廠房頂拱延伸較長；而從斷層的相互組合關系來看，f29~F1、f32~f31、f13~F10已在廠房頂拱切割出不利三角塊體，但由于f29、f32斷層規模小，性質稍好，則由f13~F10所組成的不利三角塊體穩定性最差。從裂隙與斷層、裂隙與裂隙結構面相互組合切割來看，結構面絕大部分為陡傾角，少量為中等傾角，不同產狀的裂隙結構面組數較多，則可能在廠房頂拱出現一些鍥形和錐形不穩定分離體，但由于頂拱圍巖大部分裂隙不發育，為完整~較完整巖體，則這些不穩定體出現幾率不多，僅可能在一些斷層如F1、f13等斷層附近分布較多。

5 建議

主廠房頂拱角閃斜長片麻巖片麻理結合緊密，原始層面不發育，則層面（片麻理）對廠房頂拱圍巖穩定影響不大，影響其穩定的主要是斷層、裂隙等結構面組合塊體形狀。F1、F10、f13斷層對廠房頂拱圍巖穩定影響較大，從斷層相互組合來看f13~F10所組成的不利三角塊體穩定性差，在施工期間可能失穩，而從裂隙與斷層、裂隙與裂隙結構面相互組合切割來看，廠房頂拱可能出現一些鍥形和錐形不穩定分離體，但分布幾率不多。施工期間針對斷層附近圍巖的不穩定以及由斷層切割出的不利結構體，應及時采取錨噴或掛網錨噴，而對由裂隙所組成不穩定體，可對其清除或用錨桿加固，由于廠房頂拱跨度大，建議對頂拱進行全部的鋼筋混凝土襯砌