垣曲抽水蓄能電站工程深埋地下廠房軸線選擇合理性解析

李 松，高 健，高 博

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，長春130021）

1 工程概況

垣曲抽水蓄能電站位于山西省運城市垣曲縣境內，站點距運城100km，距垣曲縣35km。 電站為一等工程，規模為大（1）型，電站樞紐建筑物主要由上水庫、水道系統、下水庫擋水和泄水建筑物、地下廠房及其附屬建筑物等組成。 電站安裝4 臺單機容量為300MW 的立軸單級混流可逆式水泵水輪機組，裝機容量1200MW。 地下廠房埋深224.20～324.20m，主副廠房洞開挖尺寸170.0m×24.5（26）m×53.5m（長×寬×高）。 主變洞平行布置在主廠房下游，與主副廠房洞之間的巖體厚度40m， 主變洞開挖尺寸為145.0m×21.0m×22.0 m（長×寬×高）。 三者緊密布置，且與其他洞室交錯相接， 進而構成了極其復雜龐大的地下洞室群。 因此地下廠房軸線方向的選擇直接關系到地下洞室群整體的穩定性。

2 研究區主要工程地質特性

2.1 地形地貌

地下廠房系統位于松樹嶺村所在山梁上， 地形上總體表現為“兩溝夾一梁”，其東側為嶺溝，走向N5°W～N25°E，西側為泉溝，走向N22°E～N57°E，山梁總體走向為N10°E，寬約300m，高程650～756m，兩岸地形坡度為30°～40°，局部基巖陡立。

2.2 地層巖性

地下廠房系統基巖巖性主要為震旦系下統馬家河組安山巖，以及紫紅色凝灰熔巖透鏡體，屬中性熔巖。勘探平洞內布置5個鉆孔，均揭露凝灰熔巖，以透鏡體形式出露，單層厚度一般1.2～27m，平均值約8m；根據勘探平洞內鉆孔中凝灰熔巖出露情況統計，馬家河組巖層中凝灰熔巖約占4%～35%， 引水岔管ZK213鉆孔凝灰熔巖所占比例較大，約占53%。 山脊覆蓋層為風積（）粉質黏土（馬蘭黃土），厚度15～30m，兩側大部分基巖裸露。

2.3 地質構造

（1）根據地質測繪、鉆探、勘探平洞揭露，廠區內斷層分為3類，第1類是在廠房區出露，但未延伸至廠區廠房頂拱（高程約426.3m）的斷層，如F50，F111，F112等斷層；第2類是在廠房區出露，且已延伸至廠房底板高程， 但在廠房開挖區以外出露的斷層，如F145，F147，F148，f71等斷層， 其中規模較大的F145斷層靠近副廠房，距副廠房右端墻7.66～22.47m；第3類為廠區內主要發育的斷層， 即在廠房開挖區內出露的斷層，如F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等斷層，其中F146，f77斷層出露寬度0.80～2.00m，f68，f79，f81、f83斷層出露寬度0.10～0.20m，f53，f54，f65，f80斷層出露寬度0.03～0.05m。

F7 接觸擠壓破碎帶距地下廠房水平距離近500m。 F7接觸擠壓破碎帶產狀： 走向N67°E， 傾向NW，傾角54°，破碎帶寬度25～65m，由斷層角泥、碎裂巖、糜棱巖及碎屑組成，性狀極差。 上盤巖性為石英砂巖，下盤巖性為安山巖，為地下廠房區域發育規模最大的構造破碎帶， 廠房軸線方向選擇應充分考慮該斷層影響。

（2）據PD201，PD202，PD203，PD205，PD206勘探平洞勘探資料統計， 廠區部位的節理裂隙主要發育四組：

J1走向N50°～70°E，傾向SE （NW），傾角60°～75°，少數45°～55°，節理間距10～30cm，局部50～80cm，節理多閉合，局部張開2～5mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續分布，局部延伸較長，節理面起伏粗糙，局部平直光滑；該組節理最發育。

J2走向N60°～80°W，傾向NE（SW），傾角65°～85°，或45°～50°，節理間距30～60cm，局部10～20cm，節理多閉合，局部張開2～3mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續分布，局部連續出露，節理面多平直粗糙；該組節理次之。

J3走向N15°～30°E，傾向NW（SE），傾角40°～60°，節理間距20～50cm，節理多閉合，少數張開3～5mm，充填方解石脈，斷續分布，節理面起伏（平直）粗糙；該組節理不發育；

J4走向N15°～30°W，傾向SW，傾角70°～80°，節理間距20～30cm，節理多閉合，局部張開3～5mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續分布，局部連續出露，節理面起伏粗糙，局部平直光滑；該組節理不發育。

此外廠房區域探洞揭露緩傾角節理不發育，局部零星出露。

2.4 水文地質條件

地下廠房區域地下水類型為基巖裂隙水， 主要受大氣降水補給， 以脈狀或網狀貯存于斷層帶及節理內，天然地下水位總體上東北高、西南低，最終排泄至下水庫。 根據廠房鉆孔ZK203水位觀測資料，地下水位埋深一般130m左右， 地下水位高程568m左右；廠房區地下水位高程637m左右，高出廠房頂拱約210m，廠房區內水位變化不大。 勘探平洞PD201開挖至樁號1+084m及在廠房十字支洞PD202開挖至樁號0-102～0-059m時， 頂拱和邊墻多處均出現線狀流水， 流量約為18～70L/min。 據鉆孔高壓壓水試驗資料，廠區巖體透水率一般在3Lu左右，屬于弱透水巖體，局部屬微透水巖體。

對地下廠房區地下水取樣進行水質分析。 所取水樣的水質各項指標均未超標， 地下水對建筑物混凝土不具腐蝕性。

3 地下廠房軸線方向選擇

類比于其他工程建筑物， 地下廠房具有顯著的工程特點，根據SL279—2016《水工隧洞設計規范》，在滿足總體要求的條件下， 洞線宜布置在地質構造簡單、巖體完整穩定、水文地質條件有利及施工方便的地區。洞線與巖層、構造線及主要軟弱帶走向宜有較大的交角； 對整體塊狀結構巖體及厚層并膠結緊密、巖石堅硬完整地巖體，交角不宜小于30°；對薄層巖體、特別是層間結合較差的陡傾角薄巖層，交角不宜小于45°。 隧洞通過較大的地質構造帶時，綜合考慮，選定洞線方向。

深埋地下廠房軸線方向的選擇不僅要考慮結構面組合關系，還需要考慮與地應力的關系。當洞室長軸方向與最大主應力方向水平投影的夾角在15°～30°時，其穩定性較好，但是洞室長軸方向不宜與結構面走向平行。 在各向異性巖體中若主應力方向與結構面、層理走向相近時，洞室長軸方向與結構面走向夾角不小于35°。

一般而言， 深埋地下廠房軸線方向選擇主要遵循以下原則：廠房軸線與巖體中主要結構面（斷層、節理）走向呈大角度相交；廠房軸線與工程區內最大主應力方向保持小角度相交或平行。 特別是高地應力地區， 廠房縱軸線走向應與地應力最大主應力水平投影方向的交角宜采用較小角度。 根據以上兩點原則結合垣曲抽水蓄能電站工程廠房區域的地質特點分別在構造裂隙及地應力兩個方面做了針對性分析論述。

（1）通過常規地質測繪、鉆探、勘探平洞等勘查手段，查明廠房區域主要構造裂隙（斷層、節理）的發育規律：由于整個工程區域地層非常古老，并且受到多期次的地質構造運動影響，導致廠區的斷層、節理非常發育，受其互相切割影響，工程區域巖體相對較破碎，強度較低。經過大量的內業數據統計分析分別繪制了斷層及節理的走向玫瑰花圖， 確定研究區的主要結構面走向的發育方向。 如圖1，圖2。

圖1 研究區斷層玫瑰花圖

圖2 廠房區域節理走向玫瑰花圖

通過以上數據統計分析地下廠房主要結構面發育方向多為NE～NNE， 初步確定廠房方向并確定上下游及兩側邊墻與結構面組合關系，如圖3，圖4。

圖3 廠房區域400.5m高程平切圖

圖4 廠房區域節理走向赤平投影圖

（2）為查明地下廠房、高壓岔管等工程部位的原始地應力大小及其方向、空間分布規律，在位于1#引水岔管部位鉆孔ZK213和廠房右支洞PD202部位鉆孔ZK215中采用水壓致裂法、在廠房右支洞PD202水平孔ZK215-1中采用空心包體套芯應力解除法分別進行了地應力測試工作。

水壓致裂原地應力測試分析結果表明， 該工程區的現今構造應力作用明顯， 三向主應力之間的關系表現為：SH＞SV＞Sh，應力狀態有利于走滑斷層活動；測區現今應力場狀態以近NE向擠壓為主，實測最大主應力優勢方位N17.6°E～N36.8°E。 根據水壓致裂測試結果，對于ZK213孔（岔管）水平最大、最小主應力范圍分別為7.71～15.14MPa和5.35～9.21MPa， 平均值分別為10.74MPa和6.99MPa。 對于ZK215孔（廠房），水平最大、 最小主應力范圍分別為10.06～16.04MPa和6.87～9.35MPa，平均值分別為12.24，8.71MPa。總體來說水平主應力作用較為明顯， 需要引起工程施工和設計單位的重視。

空心包體應力解除三維應力測量結果。 在6.1～6.4m的測量深度上，最大主應力（σ1）10.5MPa、中間主應力（σ2）8.1MPa、最小主應力（σ3）7.2MPa。 最大主應力的方向呈向近NE，傾角7.14°；中間主應力（σ2）的方向呈近NW向，傾角4.97°；最小主應力（σ3）的方向呈SEE向，傾角-81.29°。

有限元計算結果。 應力云圖基本上呈沿著河流走向的條帶式分布， 隨地勢升高應力值逐漸增大；廠房機組安裝高程（385m）位置的應力：測點附近的σ1計算應力值為8.5～9.5MPa，σ1主應力方位為近NE向，σ2計算值為為8.5～9.5MPa，σ3計算應力值為7.5～8.5MPa， 最小主應力σ3方位在工程區附近為近NW向。

廠房區及引水線路應力值。 由數值模型得到的廠房區的最大主應力范圍在8.0～16.0MPa之間，中間主應力范圍在7.5～10.5MPa之間，最小主應力范圍在6.0～9.5MPa之間；輸水洞線經過區域較廣，而且埋深在不同部位各不相同，如果洞線埋深較淺，則應力值偏小，反之亦然。

工程區應力場總體特征。 工程區的現今地殼應力特征主要表現為上覆巖體的靜巖壓力與構造應力共同作用的結果； 工程區地應力場明顯受地形的影響，構造應力隨埋深增加而增加；工程區水平最大主壓應力方位近NE方向；測點附近水平應力起主導作用。

綜合以上兩點數據結論， 最大主應力優勢方位N17.6°E～N36.8°E，最小水平主應力（σh）值為5.35～9.35MPa，最大水平主應力（σH）值為7.71～16.04MPa，屬中低等應力場，最大與最小應力差值較小，圍巖強度應力比大于7，廠房軸線選取以結構面為主。

地下廠房軸線方向選擇N46°W方向布置， 其軸線與主應力方向交角為63.6°～82.8°，平均為73.2°。 廠房軸線與F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等斷層及NEE向主要節理近于垂直；與NWW向節理交角小于30°。 故地下廠房軸線方向N46°W是合適的。

此外深埋地下廠房軸線方向選擇還需要考慮是否能合理兼顧地質條件、施工、運行等因素，統籌考慮，結合水工結構的自身特點抓住工程核心及重點，盡量規避、限制或處理缺陷及薄弱環節，最終達到工程建設與自然環境協調統一。

4 結語

（1）垣曲抽水蓄能電站地下廠房軸線選擇N46°W方向是適宜的。

（2）建議深埋地下廠房軸線方向選擇應充分考慮廠房區域主要裂隙（斷層、節理）的發育產狀和廠區最大主應力方向。

（3）分析統計結構面發育規律時，原始數據確保真實可靠，特別是緩傾角軟弱結構面。 尤其在洞室交叉段及大跨度部位， 頂拱及邊墻多發生塌方、掉塊現象。

（4）由于地應力測試數據相對較少及離散，以及數據處理中的邊界理想化處理， 使得最大主應力計算結果與實際有所偏差， 因此廠房軸線布置時應充分考究。