抽蓄電站地下廠房位置與軸線選擇的設計思路

劉寅 馮飛

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安710065）

1 概述

本文所涉及抽蓄電站輸水線路總長度為3178m，距高比為6.00。地下廠房系統采用中部偏尾部式布置方式。電站單機容量為300MW，裝機臺數為4 臺，總裝機容量為1200MW，采用立軸單級混流可逆式蓄能機組。地下廠房洞室群由主廠房、母線洞、主變洞、220kV 電纜出線洞、尾閘洞、進廠交通洞、通風兼安全洞、排水廊道、排風排煙豎井及施工支洞等組成。主廠房洞的開挖尺寸為173.5m×24.3m×56.30m（長×寬×高）。

2 工程地質條件

地下廠房布置于上壩線以上230m 的左岸山體內，與主變室和尾閘室呈平行布置，地下廠房洞距離坡外約870m，地下廠房上覆巖體厚度396m～486m，水平埋深約710m，深埋地下。根據地面測繪及平硐編錄資料，主廠房及主變室位置地層巖性為微新花崗巖，巖體呈弱～微風化。地下廠房部位斷裂構造不發育，巖體完整性好，硐室圍巖穩定，以Ⅲ類圍巖為主，少量Ⅱ類。

地下廠房處于地下水位以下，地下水位高程約1825m～1835m，高于頂拱約135m～145m。地下水為基巖裂隙水，主要賦存在斷層帶及裂隙密集帶部位。地下水活動可能較強，主要呈滴水或線狀流水，斷層帶集中性涌水現象可能較多。同時，下水庫蓄水后，也可能存在向地下廠房的滲漏的問題。

主要發育的裂隙有三組：①組走向NE80°～NW280°，傾向SE/NE，高傾角為主，一般70°～85°，較發育，一般寬20cm～30cm，面較平直、較光滑，充填碎裂巖、巖粉、泥質等，代表斷層為f31、f32、f41 等；②組走向NW310°～330°，傾向NE/SW，中陡傾角為主，一般30°～75°，發育，個別規模相對較大，一般寬1cm～5cm，充填碎裂巖、斷層泥等；③組走向NE60°～NE80°，傾向SE，中陡傾角為主，一般50°～90°，較發育，寬度小于1cm，面較平直、較光滑，充填碎裂巖、斷層泥等。同時發育多組節理，延伸較短，但分布較廣。走向多與層面平行或垂直，發育間距0.5m～4cm，傾角一般25°～40°，部分陡傾。巖體總體較完整，呈中厚層～次塊狀結構，局部斷層影響帶、節理密集帶碎裂狀結構。

根據鉆孔及平硐資料，未發現高地應力造成的餅狀巖芯和探硐巖爆現象，初步判斷工程區地應力水平屬低～中等水平。廠房部位上覆巖體厚度396m～486m，按巖體厚度和密度2.6g/cm3計，巖體自重應力σh=12.7MPa～14.0MPa，屬中等應力水平。

圖1 地下廠房斷裂等密度圖

3 地下廠房位置及軸線選擇原則

地下廠房在選定的中部偏尾部開發方案的基礎上，結合廠房區地質條件及輸水發電系統布置，進一步優選廠房位置及軸線方向。廠房位置及軸線方向選擇時主要遵循以下原則：

（1）廠房洞室群和引水高壓岔管應盡量置于圍巖穩定的Ⅱ類、Ⅲ類圍巖內；避開區域性大的斷裂及規模較大的斷層破碎帶。

（2）廠房埋深不宜過大，避免產生過高的地應力。

（3）廠房軸線方向與主要結構面走向應構成較大的夾角。

（4）在高地應力區，廠房洞室縱軸線與最大主應力水平投影方向的夾角宜采用較小的角度。

（5）洞室群離庫岸應預留足夠的距離以滿足防滲及樞紐建筑物的布置要求。

（6）在地質條件允許的情況下，廠房位置、洞室縱軸線方選擇應兼顧輸水發電系統布置，使工程總體布置合理、順暢。

4 地下廠房位置選擇

本抽蓄電站輸水發電系統整體巖性劃分明顯，以A 大斷裂為分界，上游均為花崗巖，巖體總體較完整，呈中厚層～次塊狀結構，斷層裂隙較發育，單規模均較小，成洞條件較好，A 大斷裂斷裂下游巖性為二迭系砂巖泥巖，總體較差，不利于大型洞室的穩定A 大斷裂上游側花崗巖結構面不發育，三組結構面寬度均較小，部分為短小斷續延伸的硬性結構面，對廠房穩定性影響有限，不控制廠房位置的選擇。因此本工程廠房洞群布置選擇避開A大斷裂，將廠房洞室群布置于花崗巖區內，并且考慮進場交通、通風、運行管理等因素，廠房位置盡量靠近下庫庫岸。

選定主廠房位置位于A 大斷裂影響帶上游200m，距下庫進出水口約800m，避開了上游砂巖條帶以及下游A 大斷裂的影響，并縮短了輔助洞室的長度，根據地面地質測繪及平硐勘探結果，選定廠房位置部位出露巖性為較堅硬的花崗巖，巖體呈弱～微風化，斷裂構造少發育，巖體較完整，呈塊狀～次塊狀結構，局部斷層影響帶、節理密集帶為碎裂狀結構。地下廠房圍巖以Ⅲ類圍巖，主要是以Ⅲ1 類圍巖為主，成洞條件較好。

5 地下廠房軸線選擇

在擬定地下廠房軸線時，一般認為，軸線應盡量平行最大主應力方向或呈小角度斜交，與主要結構面走向呈較大夾角，這樣對頂拱、邊墻穩定有利。同時軸線應滿足各樞紐建筑物的布置協調和運行要求。

從區域構造應力場看，根據鉆孔、平硐資料及地應力試驗結論，工程區地應力水平屬低～中等水平，區域構造主應力場方位為NE35°，1100m 深處的花崗巖探硐也未見明顯的高地應力現象，總體來說地應力方位對廠軸線選擇無控制性影響。但按廠房軸線選擇原則考慮，廠房軸線優先選擇與主應力方向NE35°一致或呈小角度（小于10°）相交，廠房軸線宜為NE25°～NE45°

從結構面發育情況看，地下廠房洞室群的主要結構面最發育的有三組（工程地質條件中已詳細闡述），三組結構面規模均不大，對地下洞室圍巖穩定性影響較小。其中第③組結構面部分為短小且斷續延伸的硬性結構面，對洞室穩定影響最小。因此廠區內結構面雖總體不控制廠房軸線的選擇，但按廠房軸線選擇原則考慮，廠房軸線選擇宜與①組走向NE80°～NW280°結構面以及②組走向NW310°～330°結構面大角度相交（大于45°），廠房軸線宜為NE15°～NE35°。

因此廠房軸線方向在兼顧結構面和地應力方位，同時考慮與輸水線路布置相協調，便于于機電設備的布置等因素，優先考慮采用斜進廠方式。斜進廠方向與廠房軸線的夾角初選為60°～80°范圍，對應廠房軸線范圍為NE20°～NE40°。

圖2 廠房軸線與結構面走向以及地應力主應力方向相互關系

為更好的優選出合適的廠房軸線，可以在上述斜進廠與廠房軸線夾角的合理范圍內對廠房軸線進行敏感性分析。軸線方向的調整對地下廠房三維整體穩定性計算結果（位移、應力、塑性區等）影響不大，而是通過斷層與地下廠房相對位置改變，從而導致塊體的形狀、大小和位置均發生變化，使地下廠房圍巖的局部穩定性存在差異。因此塊體穩定性問題是軸線方向優選的主要依據。

根據敏感性分析計算的結果，對塊體可能出露的位置、大小、安全系數綜合比較，表明當廠房軸線方向為NE30°時，三大洞室的塊體體積小于其他兩種方案，塊體穩定系數較大，最終采用廠房軸線方向為NE30°。

6 結論

本文涉及抽蓄電站的地下廠房地質條件較為鮮明，巖性劃分比較有特點。綜合考慮實際地質條件，包括地質巖性、地應力情況，結構面發育情況，以及結合水工布置條件，確定了地下廠房的較佳位置和較佳軸線方向，為結合地質條件判定抽蓄電站地下廠房位置與軸線選擇提供了設計思路。下一步將在現有的工作基礎上，根據世界開挖所揭露的地質條件和監測分析成果，進一步完善支護設計參數。