敦化抽水蓄能電站輸水發電系統勘察重點探析

劉永峰

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

敦化抽水蓄能電站輸水發電系統勘察重點探析

劉永峰

(中國電建集團 北京勘測設計研究院有限公司,北京 100024)

回顧敦化抽水蓄能電站前期工程地質勘察工作,梳理分析輸水發電系統的勘察重點,主要包括:地下廠房位置及軸線的選擇、地下廠房洞室群圍巖穩定分析、地應力與巖爆評價、高壓管道和岔管段圍巖滲透特性研究、高壓管道襯砌形式選擇等。

工程地質;勘察;高水頭;抽水蓄能電站;輸水發電系統;地下廠房

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市境內,電站裝機容量1 400 MW,樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統、地下廠房系統等建筑物組成[1]。電站額定水頭655 m,最大凈水頭795 m。水道系統和地下廠房洞室群是抽水蓄能電站的核心工程,其勘察工作是抽水蓄能電站的勘察和設計工作的重點。本文梳理敦化工程輸水發電系統的勘察重點和勘察方法,并根據實際開挖揭露的地質條件分析驗證勘察結論,以供借鑒。

2 地下廠房系統勘察重點

敦化抽水蓄能電站地下廠房系統深埋于地下,埋

深約400 m,巖性為華力西晚期正長花崗巖。主要由廠房、主變室、母線洞、尾水調壓室、尾水閘門室等建筑物組成。其勘察重點包括:地下廠房位置的選擇與優化、地下洞室圍巖穩定分析等。

2.1 地下廠房位置選擇與優化[2]

2.1.1 勘探平硐地質單元劃分

為查明敦化抽水蓄能電站地下廠房系統的工程地質條件以及選擇廠房位置,從下水庫大壩下游側的山坡上高程695 m處布置勘探平硐PD803,洞長1 650 m;到達廠房部位時勘探平硐PD803洞底高程701 m,高出廠房頂拱64.5 m。通過對勘探平硐進行系統的工程地質分段統計和工程地質單元劃分,將廠房平硐PD803劃分為3個工程地質單元,按巖性、巖體風化、構造發育等方面進行列表比較,詳見表1。

表1 敦化廠房區平硐PD803圍巖特征分區比較表

2.1.2 廠房位置比選

水工樞紐布置將首部、中部、尾部三個廠房布置方案進行了比較。首部廠房方案位于F1的下盤巖體中;中部廠房方案位于F1的上盤巖體內,其可選范圍在平硐地質單元的第Ⅱ單元、第Ⅲ單元中;尾部廠房方案位于第Ⅰ單元內。各布置方案工程地質條件比較見表2。

表2 敦化地下廠房各布置方案工程地質條件比較表

從工程地質角度分析,上水庫天然的水文地質條件良好,無須采用全庫防滲的防滲方式。從減少對上水庫水文地質環境的影響角度來說,不宜采用首部廠房方案。通過對廠房區勘探平硐進行系統的工程地質分段統計和工程地質單元劃分,將廠房洞室群選擇在斷裂最不發育、巖體完整性最好的第Ⅲ工程地質單元內。避開了較大規模的斷層,選擇了在相對完整巖體中布置地下廠房洞室群。

2.1.3 廠房位置微調

在選定了廠房位置后,為了查明廠房的工程地質條件在該位置布置了左、右支洞PD803-1、PD803-2,合計總長度350 m,穿過廠房兩側端墻且超過30 m。

在右側支洞PD803-1發現了一條中等傾角斷層fp42,產狀NE20°～25°NW∠35°～50°,寬度3～4 m,斷層帶內巖體破碎,呈碎塊狀,巖體有蝕變,呈黃色,破碎帶內有滴水。該斷層正好穿過廠房頂拱中部,對擬選廠房頂拱圍巖穩定極為不利。左側支洞PD803-2揭露的圍巖條件較好,遂決定將廠房位置向西側平移,為此將勘探支洞PD803-2延長至235 m。在延長段開挖完成后經現場編錄查看認為,該段圍巖條件很好,可定此處為廠房位置。

微調后的位置較之前擬定位置整體往西側平移了約110 m,避開了較大規模的斷層(見圖1),選擇了在相對完整巖體中布置地下廠房洞室群。

圖1 敦化廠房位置頂拱高程636.5 m平切圖Fig.1 Flat map of top arch at the elevation of 636.5 m in Dunhua powerhouse

2.1.4 地下廠房軸線選擇

在廠房位置基本選定之后,廠房軸線方向的選擇主要遵循以下原則:

(1) 按照水道系統水工建筑物布置的要求,保證水道系統隧洞進出廠房的順暢。

(2) 廠房軸線與巖體中主要構造面有較大的夾角(圖2)。

(3) 廠房軸線與工區內最大水平主應力方向保持較小的交角。

綜合考慮上述因素,廠房軸線方向選擇NW275°。其與水道系統的軸線方向夾角為80°;與主要的近NNE向斷層夾角近垂直,與主要裂隙發育方向近SN向的裂隙近垂直,與近EW向裂隙的夾角較小;與最大水平主應力方向夾角為20°。當廠房軸線為NW275°時,除與近EW向這組裂隙的交角較小外,其余均能較好地滿足各項條件。

圖2 敦化廠房軸線與主要結構面及最大主應力關系圖Fig.2 Relation graph of axis,main structural plane and maximum principal stress in Dunhua powerhouse

2.2 地下廠房洞室群圍巖穩定問題

2.2.1 地下廠房區圍巖穩定分析

經過比較,選定位置的廠房洞室群圍巖具有良好的整體穩定性,圍巖以Ⅱ-Ⅲ類為主。需要關注的是由廠房區域主要發育的幾組結構面相互切割組合形成局部不穩定塊體的問題。

根據廠房勘探平硐裂隙統計,敦化廠房區主要發育NW340°～360°、NW270°～300°、NE70°～90°三組走向的陡傾角裂隙,其中NW270°～300°、NE70°～90°兩組中有緩傾角裂隙發育。據此進行赤平投影分析(圖3),在洞室的端墻、兩側邊墻及頂拱均可能出現不穩定塊體。端墻出現的不穩定塊體主要受NW340°～360°這組裂隙的控制,邊墻出現的不穩定塊體主要受NW270°～300°、NE70°～90°兩組裂隙的控制,在其他方位裂隙的組合下,形成不穩定塊體的概率較大。另外,頂拱部位不穩定塊體除了受緩傾角裂隙的影響更大,易在頂拱、拱角部位與陡傾角裂隙組合形成潛在不穩定塊體,出現掉塊甚至坍塌,開挖施工時應密切關注。

2.2.2 地應力測試與巖爆評價

廠房區域的地應力測試點均在廠房軸線探洞的3個鉆孔中進行,以水壓致裂法為主、應力解除法為輔,相互驗證。其中水壓致裂法在ZK115、ZK116兩個鉆孔內測試,應力解除法在ZK115鉆孔內測試,具體位置見圖4。

圖3 敦化廠房、主變室裂隙赤平投影圖Fig.3 Stereographic projection of Dunhua powerhouse and fracture of main transformer chamber

根據實測地應力值,廠房區為中等地應力區。廠房區地應力范圍值最大水平主應力σH為12～16 MPa,最小水平主應力σh為7～11 MPa,垂直主應力σV為10～13 MPa;最大水平主應力方位角為NE50°～79°,優勢方向為NE64.5°。

據鉆孔ZK115-ZK117在廠房部位實測最大水平主應力值估算巖石強度應力比值,判斷巖爆發生的強度。廠房區微新正常花崗巖Rb最小值69.80 MPa,平均值128.76 MPa,取最小值進行計算(見表3)。

表3 廠房部位巖石強度應力比及巖爆評價

由上表巖石強度應力比值所對應的巖爆級別得出:廠房部位僅為輕微巖爆,表現圍巖表層有脫落、剝離現象,洞頂和側壁的劈裂—松脹等,影響深度<0.5 m,對工程影響較小。

圖4 地下廠房地應力測試位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring positions of ground stress about underground powerhouse

3 壓力管道及岔管段勘察重點

抽水蓄能電站壓力管道及岔管段一般承受高于常規水電站的內水壓力。因此,研究巖體在高水頭下的滲透特性、滲透穩定性及結構面張開壓力是該部位的勘察重點。一般采用鉆孔高壓壓水試驗方法作為勘察手段[3],并根據壓水試驗結果對圍巖分擔高內水壓力的適應性進行評價,為高壓管道襯砌形式選擇提供地質資料。

3.1 高壓壓水試驗

敦化抽水蓄能電站最大靜水頭795 m,在引水系統上斜段—中平段區域、下斜段—下平段區域、高壓岔管—廠房區域等10孔內進行了高壓壓水試驗。其中,引水系統上斜段—中平段區域的最大試驗壓力為6 MPa,其余地段最大試驗壓力為10 MPa,一般采用4個壓力、分7個階段完成,分別選取了在完整巖體、有隱裂隙發育、裂隙發育等不同構造發育的巖體類型中進行試驗,每級壓水時間為前階段壓力值下的滲流流量穩定30 min后進行下一壓力級壓水。在每個壓水試驗段位置進行了水力劈裂試驗,實測出不同巖體類型的原位抗劈裂壓力的臨界值。

3.2 試驗成果分析整理

根據鉆孔高壓壓水試驗成果資料分析整理P-Q曲線,由曲線特點判讀每段壓水試驗曲線類型,并將試驗結果按照試驗段圍巖類型歸納分析如下:①較完整的Ⅰ-Ⅱ類圍巖洞段;②裂隙發育的Ⅲ類圍巖洞段;③斷層破碎帶Ⅳ-Ⅴ類圍巖洞段(表4)。

表4 各類圍巖高壓水作用下工程地質特性

從統計結果來看,完整的Ⅱ類圍巖一般有較好的抗滲透破壞能力,抗劈裂值較好;裂隙發育的Ⅲ類圍巖以及斷層破碎帶Ⅳ-Ⅴ類圍巖洞段,結構面的力學性質等對巖體的抗滲抗劈裂能力為關鍵影響因素,當其力學性質為壓性,充填密實、連通性差的結構面也可能具有較好抗滲性能,因此結構面發育的巖體其抗滲透破壞能力具有較大的不穩定性。

3.3 高壓管道襯砌形式推薦

高壓管道及岔管采用鋼筋混凝土襯砌時,主要依靠圍巖承擔內水壓力,因此需要圍巖具有較好的完整性以及抗水力劈裂特性,并且需要同時滿足以下幾個條件:①管道線路布置要滿足內水壓力上臺理論,即需要足夠的上覆巖體以及側向巖體覆蓋厚度;②滿足最小應力準則,即管道及岔管圍巖初始最小主應力大于該處管道最大內水壓力的1.2～1.5倍;③對于Ⅰ-Ⅱ類圍巖,壓水試驗表明內水壓力小于其抗劈裂壓力值;對于Ⅲ類圍巖應進行高壓灌漿處理;對于Ⅳ-Ⅴ類圍巖,需作置換處理。

從地應力測試成果分析,敦化高壓管道圍巖地應力值滿足鋼筋混凝土襯砌條件,但從高壓壓水試驗成果來看,高壓管道段巖體的滲透性具有較大的跳躍性,透水率值與結構面的性狀及結構面貫通性有關。而結構面發育部位圍巖的抗滲能力關系到整個高壓管道的安全,雖然圍巖破碎段可采取工程措施進行處理,但在高水頭作用下管道圍巖的穩定仍有較大的風險性。

鋼板襯砌較混凝土襯砌對圍巖有較好的適應性,且能降低裂隙巖體抗滲性能不確定性的風險,因此從穩妥和安全的角度出發,推薦敦化抽水蓄能電站高壓管道選擇采用鋼板襯砌方案。

4 結語

敦化抽水蓄能電站已于2013年7月開工。目前,地下廠房及主變室均已完成了第一層中導洞的開挖工作,從揭露的地質條件來看,廠房及主變室圍巖條件較好,巖體結構類型以塊狀—次塊狀結構為主,無較大結構面通過,整體圍巖分類以Ⅱ類為主。

從實際開挖揭露的地質條件分析,廠房區未發現新的規模較大的斷層、裂隙密集帶及軟弱夾層等通過,與可研階段勘察結論一致,說明廠房部位的勘察工作及評價結論是客觀準確的。

[1] 邱彬如,呂明治.抽水蓄能電站樞紐布置[C]//中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集:2011.北京:中國電力出版社,2011:89-96.

[2] 劉永峰,陳丹.敦化抽水蓄能電站地下廠房位置的選擇[C]//中國水力發電工程學會電網調峰與抽水蓄能專業委員會.抽水蓄能電站工程建設文集:2013.北京:中國電力出版社,2013:109-114.

[3] 郭啟良,安美其,丁立豐.高水頭電站鉆孔高壓壓水的作用和意義[C]//中國地震局地殼應力研究所.地殼構造與地殼應力文集:13.北京:地震出版社,2000:148-154.

(責任編輯：于繼紅)

Further Analysis of Investigation Emphases on Water Conveyance andPower Generation System of Dunhua Pumped Storage Power Station

LIU Yongfeng

(PowerchianBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

The investigation emphases on water conveyance and power generation system of Dunhua pumped storage power station are analyzed through reviewing the preliminary engineering geological investigation,which mainly including the selection of location and axis of the underground powerhouse,the stability analysis of surrounding rock of underground powerhouse cavern complex,the evaluation of ground stress and rock burst,the seepage characteristics for the surrounding rock of high pressure pipes and branch pipe sections,and the selection of lining pattern of high pressure pipeline.

engineering geology; investigation; high head; pumped storage power station; water conveyance and power generation system; underground powerhouse

2016-04-22;改回日期:2016-05-09

劉永峰(1983-),男,高級工程師,工程地質專業,從事大型抽水蓄能電站以及常規水電站地質勘察工作。E-mail:liuyf@bhidi.com

TV743; TV73

A

1671-1211(2016)03-0374-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.030

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.016.html 數字出版日期:2016-05-05 15:31