蒲石河抽水蓄能電站地下廠房圍巖地質(zhì)條件分析

田作印，鄭以寶，楊宗玲，王寶文，李 凱

（中水東北公司地質(zhì)處,吉林 長春 130021）

1 工程概況

蒲石河抽水蓄能電站為Ⅰ等工程，工程規(guī)模為大（1）型，樞紐中主要建筑物有上、下庫壩、地下廠房及輸水系統(tǒng)。地下廠房裝機4×300 MW，主副廠房洞室開挖尺寸為173.3 m×25.7 m×54.6 m（長×寬×高），主變洞室開挖尺寸為132.6 m×20.4 m×24.4 m（長×寬×高），尾閘室開挖尺寸為96.2 m×12.9 m×22.3 m（長×寬×高），三者布置緊密，洞室縱橫交錯，構(gòu)成了一個結(jié)構(gòu)極為復雜的地下建筑群。

2 地質(zhì)概況

地下廠房系統(tǒng)深埋于黃草溝右側(cè)第一條NEE向支溝溝尾山體內(nèi)，地面高程260～325 m，該段沖溝寬約30 m，切割深度50～70 m，兩側(cè)山坡坡度約30°～40°。廠房樞紐區(qū)基巖主要為新鮮混合花崗巖，穿插有閃長玢巖巖脈，巖石新鮮、堅硬，上覆巖體較厚。斷層破碎帶較發(fā)育，寬度多較小，傾角較陡，其走向多與廠軸交角較大。巖石節(jié)理局部較發(fā)育，多以陡傾角為主，其主要節(jié)理走向與廠軸交角亦較大，多呈閉合、微張或鈣質(zhì)膠結(jié)。廠房區(qū)地下水主要為賦存于基巖裂隙及斷層破碎帶內(nèi)的裂隙水，主要受大氣降水補給，以脈狀或網(wǎng)狀貯存于斷層帶及裂隙內(nèi)。地下水位埋深約40～55 m。

3 洞室圍巖穩(wěn)定分析

影響地下洞室穩(wěn)定性的因素主要分為三大類：第一類是通過圍巖應力狀態(tài)而影響地下洞室圍巖穩(wěn)定，第二類主要是巖體中地下水的賦存、活動條件，第三類是巖石的強度和結(jié)構(gòu)面組合。蒲石河地下廠房屬堅硬脆性巖體大跨度的地下工程，影響圍巖穩(wěn)定的破壞模式為結(jié)構(gòu)面控制的三維塊體破壞，結(jié)構(gòu)面對圍巖穩(wěn)定性的影響，不僅決定于巖體結(jié)構(gòu)面本身的特征，還與結(jié)構(gòu)面的組合及其與周邊洞室的方位有密切關(guān)系。

地下廠房樞紐地段，由新鮮、堅硬的混合花崗巖組成。頂拱全長173.3 m，樁號0-070.9～0+102.4 m。其中樁號0-070.9～0-010 m段節(jié)理較發(fā)育，有15條斷層破碎帶通過，為Ⅲ～Ⅳ類圍巖，其中Fj34，fc16，fc4斷層部位圍巖穩(wěn)定性差，開挖時發(fā)生塌方；樁號0-010～0+080 m段巖體較完整，節(jié)理局部較發(fā)育，為Ⅱ類圍巖；樁號0+080～0+102.4 m段巖體完整，節(jié)理不發(fā)育，為Ⅰ類圍巖。

上游邊墻樁號0-070.9～0-050 m段，巖體較完整，節(jié)理不發(fā)育，為Ⅱ類圍巖；樁號0-050～0+025 m段，節(jié)理、斷層、巖脈發(fā)育，受斷層、巖脈及節(jié)理切割影響，巖體完整性差，開挖多處掉塊，為Ⅲ類圍巖；樁號0+025～0+070 m段巖體一般較完整，局部節(jié)理發(fā)育，圍巖整體穩(wěn)定，為Ⅱ類圍巖；樁號0+070～0+094.9 m段，局部節(jié)理發(fā)育，其中δπc3、δπc9走向與邊墻夾角較小，在巖錨梁附近出露，圍巖穩(wěn)定性差，為Ⅲ類圍巖。

下游邊墻樁號0-070.9～0-050 m段，巖體較完整，節(jié)理、斷層不發(fā)育，未見有不利于邊坡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)面組合存在，為Ⅱ類圍巖。樁號0-050～0+015 m段，該段分布有主變運輸洞、1號母線洞、1號尾水支洞。此段圍巖節(jié)理以陡傾角為主，部分微張，局部節(jié)理呈X型組合切割。

下游邊墻樁號0+015～0+065 m段，巖體局部完整性差，節(jié)理較發(fā)育，見有8條閃長玢巖巖脈和9條斷層破碎帶，斷層寬度多小于20 cm，其中Fj34-1寬30～50 cm，延伸較長在3號尾水支洞附近被fc50截斷，fc50高程6 m以上寬度小于20 cm，高程6 m以下破碎寬度寬60～80 cm。雖未見有較大不利結(jié)構(gòu)面組合存在，但是巖體完整性較差，樁0+020～0+030 m巖錨梁部位有δπc24巖脈與邊墻平行切割，局部見有沿節(jié)理、巖脈掉塊，對邊墻穩(wěn)定不利，為Ⅲ類圍巖。

綜上所述，廠房主機間頂拱巖體完整，未見有較大斷層通過和不利軟弱結(jié)構(gòu)面組合體存在，為Ⅰ，Ⅱ類圍巖，分別占12.93%和占51.93%，圍巖穩(wěn)定條件良好；而副廠房與安裝間頂拱受Fj34，F(xiàn)16斷層影響，圍巖穩(wěn)定性較差，主要為Ⅲ—Ⅳ類圍巖，占35.14%。廠房上、下游邊墻巖體節(jié)理發(fā)育，巖體欠完整，尤以下游邊墻因受Fj34，F(xiàn)59等斷層及與其平行的一組節(jié)理切割影響，巖體完整性差。上游邊墻Ⅱ類圍巖占39.75%，Ⅲ類占60.25%；下游邊墻Ⅱ類圍巖占30.64%，Ⅲ類占30.16%，Ⅳ類占39.2%。邊墻經(jīng)錨固后一般無較大的穩(wěn)定問題。

3.1 地下廠房樁號0-30～0-50 m地段

該部位下游邊墻布置有主變運輸洞，見有Fj34，f16，f4，f26，f25，f45 等數(shù)條斷層出露。頂拱開挖時沿斷層滲水和塌方。對該部位繪制赤平投影圖進行分析如下：

①取 Fj34，f26，f16，f4 組合（見圖 1）進行分析，結(jié)構(gòu)面在頂拱形成楔形體，組合塊體在頂拱部位沿Fj34斷層面滑動，塊體不穩(wěn)定。

圖2 赤平投影圖

②取 Fj34，f45，J33組合進行分析（見圖 2），F(xiàn)j34，f45，J33構(gòu)造在主變運輸洞頂構(gòu)成三棱椎體，該塊體沿節(jié)理J33向臨空面方向滑動，故Fj34，f45，J33組合不穩(wěn)定，在主變運輸洞與廠房下游邊墻交叉口塌方。

3.2 地下廠房樁號0-5～0+5 m地段

該部位下游邊墻8～20 m高程布置有1號母線洞，下游邊墻-8～-15 m高程布置有1號尾水支洞。廠房下游邊墻走向N80°W，母線洞洞軸線為N10°E，尾水支洞洞軸線為N10°E。該部位發(fā)育有 f2，f20，f38，fj34-1 等斷層。

1）1號母線洞與廠房下游邊墻交叉部位取f2，f20，f38，F(xiàn)j34-1組合分析（見圖 3），結(jié)構(gòu)面在頂拱形成形成楔形體，向臨空面面滑動，對廠房與1號母線洞交叉口穩(wěn)定不利。

2）1號尾水支洞與廠房下游邊墻交叉部位取Fj34、J33、J14 組合分析（見圖 4），結(jié)構(gòu)面在頂拱形成向臨空面滑動的三棱錐體，開挖時發(fā)生塌方。

4 建議支護措施

4.1 地下廠房樁號0-30～0-50 m為塌方地段

圖3 赤平投影圖

圖4 赤平投影圖

施工時建議對塌方段采取如下支護處理方案：

1）混凝土回填。對樁號0-25～0-50 m塌方區(qū)采用了回填混凝土。

2）預應力錨索。在主變運輸洞樁號0-24.5～0-45.5 m段側(cè)壁及頂拱共設置了10根預應力錨索加固，邊墻錨索長23.9 m，頂拱長30 m。

3）對穿錨桿。在廠房安裝間下游墻廠房樁號0-04.15～0-031.35段之間，對穿錨桿將廠房下游墻與主變搬運洞、主變洞間巖體對穿，共設置36根，長度分別為30.0～47.5 m。對穿錨桿設置高程為8.2～23.2 m。

4）強錨桿加固。錨桿長度12 m，錨深10.6 m。具體為廠房下游邊墻樁號0-055.5～0-045.3 m布置24根，高程8.2～23.2 m；廠房下游邊墻樁號0-045.3～0-020.55 m 布置 36根，高程 8.2～30.2 m；在主變運輸洞右側(cè)邊墻布置45根。

5）工字鋼鋼拱架支護。對主變運輸洞樁號0-25～0-50 m，采用B型鋼拱架支護；對塌方段外0-7.6～0-25.0 m段采用A型鋼拱架支護。

6）混凝土襯砌。對主變運輸洞樁號0-7.6～0-50 m進行混凝土襯砌。

7）加厚貼壁混凝土墻：考慮到塌方對廠房拱角及巖錨梁有一定影響，在廠房樁號0-055.5～0-045.3 m、高程7.1～24 m段下游邊墻擴挖0.85 m，加設貼壁混凝土墻；在廠房樁號0-045.3～0-020.55 m、高程7.1～22.6 m段下游邊墻也擴挖0.85 m，將原0.8 m貼壁混凝土墻曾至1.65 m（含噴護15 cm）。

8）固結(jié)灌漿。對廠房樁號0-007～0-053 m間的下游邊墻，在廠房上層排水廊道向下打孔進行固結(jié)灌漿。經(jīng)過3年多的觀察，處理后，該段塌方段處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.2 地下廠房樁號0-5～0+5地段

該部位下游邊墻8～20 m高程，布置有1號母線洞，下游邊墻-8～-15 m高程，布置有1號尾水支洞。廠房下游邊墻走向N80°W，母線洞洞軸線為N10°E，尾水支洞洞軸線為N10°E。該部位發(fā)育有f2，f20，f38，fj34-1等斷層。開挖時地質(zhì)建議對此部位及時采取鋼支撐和噴混凝土支護處理，經(jīng)處理后在整個開挖過程未發(fā)生變形，圍巖整體穩(wěn)定。

5 結(jié)語

根據(jù)以上分析，得出以下認識和結(jié)論：

1）廠房軸線布置的方向應充分考慮最大主應力方向和構(gòu)造的產(chǎn)狀。

2）結(jié)構(gòu)面的分析對廠房穩(wěn)定至關(guān)重要，蒲石河洞室圍巖穩(wěn)定主要受軟弱結(jié)構(gòu)面的發(fā)育分布及組合特點所控制。尤其在洞室交叉部位，受結(jié)構(gòu)面及相連洞室開挖等影響，多處發(fā)生掉塊、塌方等地質(zhì)現(xiàn)象。

3）圍巖穩(wěn)定分析中假設結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀不發(fā)生變化，結(jié)構(gòu)面切割塊體均為剛體。

4）蒲石河抽水蓄能電站地下廠房巖體質(zhì)量整體較好，Ⅰ類和Ⅱ類圍巖占50%以上，Ⅲ類圍巖占約37%，Ⅳ類圍巖約11%。