抽水蓄能電站隧洞淺埋段圍巖工程地質分類

鄭海倫，于立宏，劉德斌

(中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能電站是利用電能將水從下水庫抽到上水庫進行儲能，需要電能時，再把水從上水庫放到下水庫進行發電的一種水電站[1]。這是一個系統工程[2]，設計需要按照中華人民共和國能源行業標準“抽水蓄能電站設計規范”進行[3]，設計過程中涉及水文、動能、工程地質、水工結構、水力機械、電氣等方方面面，專業性強，各專業更需要密切配合。工程地質專業需要遵守“水力發電工程地質勘察規范”進行[4]。

渾源抽水蓄能電站為一裝機1500MW的大(1)型工程，泄洪排沙洞出口樁號0+660～0+694.3m段為城門洞型，洞高11.9m，上覆巖體厚0～23.8m，即泄洪排沙洞該洞段隧洞埋深小于2倍洞徑，如圖1—2所示。

圖1 泄洪排沙洞軸線工程地質剖面圖

水力發電工程地質勘察規范內沒有此種條件下的圍巖分類標準[5]，泄洪排沙洞該洞段圍巖類別如何確定，工程地質如何評價，對于渾源抽水蓄能電站工程具有重要意義。

1 工程地質條件

泄洪排沙洞位于渾源抽水蓄能電站下水庫河流左岸，出口段軸線方向NW336.8°，地層年代為太古代，巖性為片麻巖，灰色，主要礦物成份為長石、角閃石、石英，粒狀變晶結構，塊狀構造，片麻理主要由角閃石、黑云母組成，片麻理發育規律性差，整體產狀：走向NW300°，傾向NE，傾角42°。巖石呈弱風化～微風化狀態，巖石點荷載試驗表明，巖石飽和單軸抗壓強度值為50MPa，工程地質測繪、鉆孔資料表明，片麻理結合緊密、強度高，片麻理不能成為該區結構面。該區域不發育斷層等大的地質缺陷，節理裂隙主要發育有3組，分別為：①走向NW330°～350°，傾向NE，傾角60°～80°，間距10～20cm；②走向NE50°～70°，傾向NW，傾角60°～80°，間距20～30cm；③走向NW270°～280°，傾向NE，傾角30°～50°，間距30～50cm。

上述節理裂隙寬度均小于0.5mm，面均起伏粗糙，延伸長度一般6～8m，每立方米巖體中發育節理裂隙12～15條，受節理裂隙組合切割，巖體完整性差，呈碎裂結構，巖體滲透性等級為中等～強透水性，地下水埋藏深度低于泄洪排沙洞底板。

2 工程地質分析

2.1 工程地質圍巖分類方法

泄洪排沙洞樁號0+660～0+694.3m段圍巖不能利用水力發電工程地質勘察規范進行分類，按照“抽水蓄能電站設計規范”核心理念，該洞段圍巖分類需參照國家現行有關標準進行。目前，常用抽水蓄能電站泄洪排沙洞工程相關的國家現行標準有2個，分別為“水利水電工程地質勘察規范”和“工程巖體分級標準”。下面分別利用這2種規范標準對泄洪排沙洞樁號0+660～0+694.3m洞段進行圍巖分類和工程地質評價研究。而圍巖巖體的各項物理力學參數按相應規范內參數值采用內差法進行取值[6]。

2.2 水利水電工程地質勘察規范方法研究[7]

水利水電工程地質勘察規范主編部門：中華人民共和國水利部，批準部門：中華人民共和國住房和城鄉建設部，施行日期：2009年8月1日。本標準按圍巖總評分T和圍巖強度應力比S將圍巖分為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類、Ⅴ類等5個類別。

T=T1+T2+T3+T4+T5

(1)

S=Rb·Kv/σm

(2)

式中，T1—巖石強度評分，巖石飽和單軸抗壓強度Rb=50MPa，則T1=16.7；T2—巖體完整程度評分，圍巖巖體內主要發育3組節理裂隙，第(1)組節理裂隙間距10～20cm，所以，巖體完整性程度為完整性差，綜合判定巖體完整性系數Kv=0.45，則T2=18；T3—結構面狀態評分，Rb=50MPa，說明巖石為硬質巖，節理裂隙面寬度均小于0.5mm，節理裂隙面均起伏粗糙，延伸長度一般6～8m，則T3=24；T4—地下水狀態評分，雖然地下水位在該洞段低于隧洞底板，考慮該區巖體滲透性等級為中等～強透水性及大氣降水影響，利用：T′=T1+T2+T3=16.7+18+24=58.7，計算得出，T4=-3.26；T5—主要結構面產狀評分，因為該段隧洞圍巖巖體完整性差，T5=0；σm—圍巖最大主應力，σm=γ·h=ρ·g·h=2.58g/cm3·9.8N/kg·23.8m=0.602MPa。

T=T1+T2+T3+T4+T5=16.7+18+24-3.26+0=55.44。

S=Rb·Kv/σm=50MPa·0.45/0.602MPa=37.4>2。

所以，該段圍巖類別為Ⅲ類。隧洞開挖形成后，圍巖局部巖體穩定性差，圍巖強度不足，局部圍巖會產生塑性變形，不支護可能產生塌方或變形破壞。

2.3 工程巖體分級標準方法研究[8]

2.3.1巖體級別分析

工程巖體分級標準主編部門：中華人民共和國水利部，批準部門：中華人民共和國住房和城鄉建設部，施行日期：2015年5月1日。本標準將泄洪排沙洞定義為巖石地下工程，按[BQ]值的大小將工程巖體分成Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級等5個級別。

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)

(3)

BQ=100+3×Rc+250×Kv

(4)

式中，Rc—巖石飽和單軸抗壓強度，Rc=50MPa；Kv—巖體完整性指數，該區域每立方米巖體中發育節理裂隙12～15條，考慮工程安全情況下[9]，綜合判定圍巖巖體完整性指數Kv=0.45；90×Kv+30=90×0.45+30=70.5>50，所以最終確定Rc=50；0.04×Rc+0.4=2.4>0.45，所以最終確定Kv=0.45，所以：BQ=100+3×50+250×0.45=362.5；K1—地下水影響系數，泄洪排沙洞位于地下水位線以上，巖體呈中等透水性～強透水性，隧洞開挖形成后，10m長洞段外水壓力值P<0.1MPa或者Q<25L/(min×10m)，上述已計算得出BQ=362.5，所以，計算得出K1=0.088；K2—主要結構面產狀影響修正系數，該泄洪排沙洞洞段主要發育3組節理裂隙，其中第(1)組節理裂隙走向與洞軸線336.8°夾角小于30°，該組節理裂隙傾角60°～80°，則K2=0.6；K3—初始應力影響系數，受Rc/σmax控制；σmax—垂直洞軸線方向的最大初始應力，這里無實測值，采用自重應力代替，即：σmax=ρ·g·h=2.58g/cm3·9.8N/kg·23.8m=0.602MPa，則Rc/σmax=50/0.602=83.1>7，則K3=0。

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)=362.5-100×(0.088+0.6+0)=293.7。

所以，該段圍巖巖體級別為Ⅳ級。圍巖巖體物理力學參數見表1。

表1 巖體物理力學參數

2.3.2有限元分析[10-12]

把圖2中的工程地質剖面抽象、概括成可利用大型有限元軟件進行數值模擬的地質模型，巖體材料滿足Mohr’-Coueomb屈服破壞準則，建立二維平面直角坐標系統，X軸與水平面平行，把NE66.8°方向確定為正方向，垂直向上確定為Y軸正方向，模型中各點坐標取各點真實值，底部高程1250m，地面上最高點高程為1381m，選擇非關聯流動法則，有限元單元選定為平面應變單元，單元形狀多為四邊形，少量為三角形，共劃分24138個模型單元，24065個結點，剪脹角為0°，其它巖體參數見表1。原始地面為自由邊界，底邊設置成法向與水平向的雙約束，側邊設置成水平向約束，模型計算分析分為2步，分別為：①隧洞開挖前的天然狀態(地應力平衡)；②泄洪排沙洞開挖后的狀態(泄洪排沙洞單元移除)。

圖2 泄洪排沙洞典型工程地質剖面圖

數值模擬計算成果及分析如下。

(1)第一步計算后，巖體塑性云圖如圖3所示，位移云圖如圖4所示。

圖3 巖體開挖前塑性云圖

圖4 巖體開挖前位移云圖

圖3顯示巖體內部沒有發生塑性變化，圖4表明巖體最大位移為1e-18m級，位移值非常小，近似等于0，相當于數值模擬出來的巖體內沒有發生位移變化，說明此大型有限元軟件數值模擬的巖體與該區原始天然巖體基本一致。

(2)第二步計算后，相當于泄洪排沙洞開挖后的狀態，巖體塑性云圖如圖5所示，位移云圖如圖6所示。

圖5 巖體開挖后塑性云圖

圖6 巖體開挖后位移云圖

圖5顯示隧洞開挖后，圍巖巖體內沒有出現塑性變化的區域，圍巖內更沒有出現貫穿性的塑性變化區，說明隧洞開挖形成后，圍巖不會發生持續的塑性變形，伴隨時間的推移，圍巖也不會發生由于塑性變形原因而導致節理裂隙面、巖體被拉開現象，圍巖也不會出現塑性變形原因引起的破壞。圖6中顯示泄洪排沙洞周邊圍巖發生了位移，對比圖5，說明這些位移都是彈性變化導致的，最大位移值達1.81mm，發生在隧洞底部，底部圍巖不會發生塌方破壞，圖6同時也顯示除了隧洞底部圍巖變形大于1mm外，其它部位變形均小于1mm。

沿圖二中隧洞頂拱A→B→C為路徑，隧洞頂拱區周邊圍巖位移值如圖7所示，沿圖2中隧洞頂拱B→E→F為路徑，隧洞頂拱區圍巖位移值如圖8所示。

圖7 隧洞頂拱周邊圍巖巖體位移值

圖8 隧洞頂拱圍巖巖體位移值

圖7—8顯示圍巖位移值距離洞頂邊緣距離近而值更大一些，隧洞頂拱周邊圍巖位移值最達可達到0.95mm，這些位移值均主要來自圍巖節理裂隙面變化，圖8表明伴隨巖體距離隧洞周邊遠而逐漸變小，也就是說，0.95mm位移值來自隧洞頂拱區圍巖位移值的累積。天然狀態下，原本閉合的節理裂隙面由于隧洞開挖而變成張開狀態或者向張開方向發展，因此，距離隧洞邊緣近的圍巖內節理裂隙面張開的可能性大，節理裂隙面一旦張開，圍巖巖體節理裂隙面性狀及強度將明顯降低，巖體滲透性也會由于節理裂隙面發生變化而改變，圍巖受地下水影響程度將會發生變化，這些因素將導致圍巖巖體性狀發生改變，圍巖穩定性也將發生變化，隧洞開挖形成過程中，由于隧洞周邊巖體向隧洞形成的臨空面變形，頂拱區圍巖又受到重力作用等因素影響，隧洞周邊圍巖，尤其頂拱區圍巖局部有發生破壞的可能，因此，隧洞開挖過程中需要及時對圍巖進行支護。

2.3.3總結性評價

泄洪排沙洞樁號0+660～0+694.3m洞段區域不發育斷層等大的地質缺陷，節理裂隙較發育，運用工程地質分析原理分析表明，隧洞開挖形成后，節理裂隙可在圍巖局部形成不利組合[13]，受隧洞開挖影響，圍巖會向隧洞臨空面卸荷、變形，圍巖有發生破壞的可能[14]。[BQ]值雖然落在Ⅳ級巖體之內，但有限元深入研究分析表明，隧洞開挖形成后，圍巖不會發生塑性變化，圍巖巖體會發生位移變化，不對圍巖進行支護情況下，局部圍巖有可能受巖體位移影響而導致圍巖巖體性狀發生改變，局部圍巖受重力、大氣降雨入滲引起的地下水等因素影響而發生破壞，隧洞圍巖整體自穩能力較好，因此，綜合上述分析可判定，該段圍巖巖體基本質量級別為Ⅲ級，隧洞開挖形成后，圍巖整體穩定，圍巖局部巖石塊體將發生位移，局部圍巖有發生破壞的可能，需要及時對圍巖進行支護。

3 綜合分析

針對上述泄洪排沙洞出口樁號0+660～0+694.3m段圍巖工程地質的研究，對比2種標準對該段圍巖的研究成果，發現，2種標準對該段圍巖工程地質評價基本相同，即：隧洞開挖后，圍巖整體穩定，局部圍巖穩定性差，隧洞開挖后需對圍巖進行支護。這一成果與水力發電工程地質勘察規范內Ⅲ類圍巖描述基本一致，因此，按水力發電工程地質勘察規范條文，該段圍巖類別為Ⅲ類，渾源抽水蓄能電站泄洪排沙洞樁號0+660～0+694.3m段圍巖需要按Ⅲ類圍巖進行設計。

4 結語

外部環境復雜，工程地質條件千變萬化，隧洞設計過程中經常會遇到各種問題，綜合運用專業技術知識，深入理解規范條文含義，充分利用規程規范、標準的規定進行綜合分析研究是解決問題的關鍵。渾源抽水蓄能電站泄洪排沙洞樁號0+660～0+694.3m段圍巖類別就是在充分運用現行規程規范基礎上，利用有限元數值模擬法綜合確定，為類似工程提供了參考與指導。

采用二維有限元數值模擬分析計算，略顯粗糙，待下一階段深入研究，但是，有限元數值模擬預測出了隧洞開挖后圍巖巖體塑性變化、位移情況及其圍巖位移變化規律，為該段隧洞圍巖類別最終確定奠定了基礎。