桐城抽水蓄能電站地下廠房位置及軸線的選擇

何艷麗

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院，廣東 廣州 510635)

地下廠房是抽水蓄能電站的主要建筑物之一，其位置和軸線的選擇是樞紐布置格局中的重要工作[1-2]。地下廠房的位置和軸線對工程布置、工程施工和工程投資等產(chǎn)生重大影響。本文通過對桐城抽水蓄能電站的廠房地質(zhì)探洞的圍巖分類、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況和地應(yīng)力情況等地質(zhì)條件的分析，并結(jié)合工程樞紐布置，從而選定合適的廠房位置和軸線。

1 工程概況

桐城抽水蓄能電站位于安徽省安慶市桐城市境內(nèi)，距桐城市現(xiàn)有公路里程約31 km，距合肥市公路里程為138 km。電站站址地處大別山區(qū)，屬長江流域。電站安裝4臺單機容量為320 WM的單級立軸混流可逆式水泵水輪機-發(fā)電電動機組，總裝機容量為1 280 MW。樞紐建筑物由上水庫、下水庫、輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和場內(nèi)永久公路等部分組成。地下廠房埋深為215～265 m，主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室平行布置方式。主副廠房洞開挖尺寸為184.25 m×26.75 m×59.0 m(長×寬×高，下同)，主變洞開挖尺寸為172.0 m×21.0 m×22.5 m，距主廠房下游42 m處，尾水事故閘門洞開挖尺寸為114.0 m×8.8 m×21.7 m，位于主變洞下游側(cè) 35 m 處。

2 地形地質(zhì)條件

本工程輸水發(fā)電系統(tǒng)沿胡沖溝、毛家店溝之間的山梁布置，洞線總體方向為S85°E(近EW)→S45°E～S70°E，沿線山體較雄厚，高差大，線路兩側(cè)SE～SEE向沖溝發(fā)育，地形較為凌亂，沖溝一般切割不深，溝內(nèi)基巖出露，部分為沖洪積滾石堆積，長年流水。地面高程在155～593 m之間，山坡走向S50°E，坡度約30°～40°，上覆巖體厚度一般為100～340 m。高程為450～500 m之間地形較緩，紅星林場附近(高程為310～330 m)為平緩坡地，覆蓋層較厚，沿線山坡植被茂密。

廠區(qū)輸水發(fā)電系統(tǒng)位于棋盤石向斜的南東翼，呈單斜構(gòu)造，綜合地表地質(zhì)測繪、物探測試成果、探洞TD01及3個深孔(SZK17、ZK3010、ZK3011)揭露，地層片麻理總體產(chǎn)狀為N45°～75°E/SE∠25°～45°。

1) 斷層

廠區(qū)沿線未揭示有較大的斷層破碎帶穿過，工程區(qū)的斷層走向玫瑰示意見圖1所示。廠房地質(zhì)探洞揭露的斷層走向玫瑰示意見圖2所示。

目前，輸水發(fā)電系統(tǒng)揭露的主要斷層有18條，均為陡傾角，可劃分為NE向、NNE向、近SN向和近EW向4組，規(guī)模較小，寬0.05～1.2 m不等，均屬Ⅲ級結(jié)構(gòu)面，斷層多由碎裂巖、角礫巖組成，個別充填糜棱巖、石英脈、斷層泥等。

圖1 工程區(qū)斷層走向玫瑰示意

圖2 廠房地質(zhì)探洞揭露的斷層走向玫瑰示意

2) 節(jié)理裂隙

廠區(qū)除發(fā)育有二長片麻巖中除片麻理外，還發(fā)育NNE 向、NW 向節(jié)理(裂隙)，局部形成節(jié)理(裂隙)密集帶；其次為NE～NEE 向，以中陡傾角為主。

3) 接觸面

廠房地質(zhì)探洞揭露的巖層接觸面走向見圖3所示。

圖3 廠房地質(zhì)探洞揭露的巖層接觸面走向玫瑰示意

4) 地應(yīng)力

根據(jù)地應(yīng)力測試成果，地下廠房區(qū)最大主應(yīng)力σ1=15.0～20.0MPa，方向為N51°～76°E，主要為NE～NEE向，中等～緩傾角。強度應(yīng)力比Rb/σ1=5～7，為中低應(yīng)力，最大水平主應(yīng)力σh=15.1～19.9 MPa，方向為N48°～61°E，地應(yīng)力對圍巖穩(wěn)定及廠房軸線選擇不起控制作用，廠房軸線選擇時可主要考慮與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面方向的關(guān)系。

3 地下廠房位置及軸線的選擇

地下廠房軸向及位置的選擇，不但影響著整個水道廠房系統(tǒng)的布置格局，也是水道廠房系統(tǒng)總體投資的關(guān)鍵因素；廠房軸線及位置的正確選擇，能有效控制工程的設(shè)計和施工風(fēng)險，減少工程投資，而且能有效控制地下水，改善地下廠房的運行環(huán)境[3-4]。

廠房軸線和位置的選擇遵循以下原則：

1) 廠房軸線方向宜盡量垂直于地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)面，或具有較大的交角，同時要兼顧次要結(jié)構(gòu)面及中低地應(yīng)力對洞室穩(wěn)定的影響。

2) 廠房軸線和位置的選擇應(yīng)考慮水道系統(tǒng)和輔助洞室的布置，使總體樞紐布置協(xié)調(diào)合理、流道順暢。

3) 廠房位置的選擇，應(yīng)力求將廠房洞室群布置在新鮮，完整的巖體中，盡量避開大的斷層和破碎帶，盡量選擇在巖體裂隙水不發(fā)育的地區(qū)。

4) 根據(jù)樞紐布置格局比選成果，地下廠房布置在輸水發(fā)電系統(tǒng)下洞線方案的中部。

根據(jù)地下廠房主探洞的勘察成果，地下廠房圍巖地質(zhì)情況以控制性斷層f309、f319為分界，主要分為三大部分：

1) 探洞樁號TD 0+083～TD 0+456 m(該段分布范圍主要在f309斷層及其下盤)：發(fā)育斷層f303～f309，以碎裂巖為主，規(guī)模較小，膠結(jié)一般～較好，局部沿斷層帶形成裂隙密集帶；以NNE向裂隙為主，局部為NE和NW向裂隙，不甚發(fā)育；地下水整體干燥，局部潮濕，見滴滲水，其中在0+450～0+456段沿f309斷層帶見線流狀滲水，q=30～40 L/min；

2) 探洞樁號TD 0+456～TD 0+775 m(該段分布范圍主要在f309斷層上盤及f319斷層的下盤)：發(fā)育f310～f318斷層，斷層帶多為碎裂巖、角礫巖，部分見糜棱巖和斷層泥，規(guī)模較小，膠結(jié)一般～較好；以NNE向裂隙為主，局部為NE和NW向裂隙，不甚發(fā)育；地下水整體干燥，無明顯滴滲水；

3) 探洞樁號TD 0+775～TD 0+1 053 m(該段分布范圍主要在f319斷層及其上盤)：發(fā)育f319～f324，斷層帶多為碎裂巖、角礫巖，局部見糜棱巖和斷層泥，規(guī)模較小，膠結(jié)一般～較差。局部沿斷層帶和微裂隙發(fā)育段形成裂隙密集帶，巖體完整性較差；以NNE向和NW向裂隙為主，局部為NE向裂隙，較發(fā)育，局部微裂隙組合形成裂隙密集帶，圍巖整體性一般～較差；多處潮濕、滴滲水，局部干燥。其中在0+840～0+867和0+883～0+913段呈線流狀滲水，q=25～32 L/min不等。

由以上地質(zhì)勘察成果可見，探洞樁號TD 0+456～TD 0+775 m(該段分布范圍主要在f309斷層上盤及f319斷層的下盤)的圍巖地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件均較好；此外，推薦的樞紐布置格局，輸水系統(tǒng)平面布置采用下洞線方案，廠房開發(fā)方式采用中部式。因此，廠房位置的初選宜布置在f309斷層的上盤、f319斷層的下盤，對應(yīng)的探洞樁號范圍為TD 0+450～TD 0+778，并在此基礎(chǔ)上，進一步開展廠房軸線方向的選擇。

在初選的廠房位置范圍內(nèi)，廠房軸線的選擇，應(yīng)使得廠房位置盡可能避開廠區(qū)主要控制性斷層f309、f319，或使得廠房主要洞室與上述斷層具有較大的交角；此外，廠房軸線和位置的選擇應(yīng)考慮水道系統(tǒng)和輔助洞室的布置，使總體樞紐布置協(xié)調(diào)合理、流道順暢。 結(jié)合下洞線方案輸水發(fā)電系統(tǒng)的布置，通過方案比較，廠房軸線選擇推薦采用NE45°(見圖4所示)。

圖4 輸水廠房系統(tǒng)底板85.0 m高程地質(zhì)平切示意(NE45°廠房軸線)

4 結(jié)語

桐城抽水蓄能電站地下廠房位于微風(fēng)化二長片麻巖巖體中，巖石強度高，吸水率低。綜合考慮了地質(zhì)條件、工程布置和運行條件等因素，廠房位置選擇布置于樁號TD0+600 m至0+815 m(廠房地質(zhì)探洞樁號)的范圍內(nèi)，廠房軸線為NE45°。