某水電站地下廠房位置及軸線選擇

中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014

1 工程概況

該水電站安裝總容量為220MW的2臺沖擊式機組，平均年發電量約為1.094×109kW·h。工程樞紐主要由擋水建筑物、匯洪建筑物、引水發電建筑物等組成，輸水線路總長約20km。由于在隧洞開挖中揭露出一條寬204m的Ⅰ級構造（即F1斷層），且F1斷層上下游的地質情況有較大變化，其上下游的巖性及主要結構面的方向均有所改變，根據所揭露的地形、地質條件以及樞紐布置情況，地下廠房的位置布置在F1斷層上游較為合適。因此，地下廠房位置及軸線選擇的主要依據為F1斷層上游已開挖所揭露的地質信息，并結合廠區地應力試驗成果及相關業主方前期提供的資料。

2 地下廠房位置及軸線選擇原則

（1）廠房軸線方向選擇應結合輸水系統洞室的布置，盡可能將樞紐布置順暢，使工程總體布置合理。（2）地下廠房位置應盡可能布置在圍巖完整、微風化—新鮮巖石的區域，盡量避開主要的斷層破碎帶，并使廠房和其上游的高壓岔管滿足最小巖石覆蓋厚度要求。（3）廠房軸線方向與主要結構面走向應盡量構成較大的交角。（4）廠房縱軸線與最大水平地應力方向應盡量構成較小的夾角，但鑒于該工程地應力不大，其不屬于控制性因素。

3 廠址區工程地質條件

（1）地形地貌。①廠址區近地表總體埋深為200～400m，廠房最大高程達500m（尾水方向），山坡地形坡度約為50°～60°。進廠交通洞沿線地形以平緩坡為主，一般坡度為25°～35°，其中進口段坡度約為15°，沿線最大高程達600m，進口段最低高程只有325m，最大高差約為275m。②沿線植被茂盛。③擬開挖廠房區山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，具有較好的廠房布置條件。

（2）地層巖性。廠址區分布有PR1tp地層及aQ地層，主要巖性為黑云母片麻巖、花崗片麻巖、片麻巖等。

（3）地層構造。①廠址區發育一條Ⅰ級斷層（F1），出露寬度達204m。②F1斷層上游廠址區共發育6條構造，揭露的構造規模均較小。

（4）水文地質。根據地下水點統計，廠址區地下水均以滲滴水為主，局部洞段滲流水或淋雨狀滲滴水，總體地下水不甚發育。

4 廠址位置選擇

4.1 廠房區與F1斷層相互關系

原方案主變洞布置在F1斷層構造帶內，該斷層帶地表顯示為一條大沖溝，沖溝內常年流水，為灰—灰黑色片麻巖和灰白—白色片麻巖巖性界線，上盤由一系列NW向構造組成，單條NW向構造寬度為1～2m，產狀為N35°～40°WNE∠75°～80°，具有蝕變性質，一般兩側影響帶最寬達10m左右，帶內巖體較破碎，充填碎裂巖、碎粉巖，夾綠泥石、巖屑，兩側同產狀節理平行發育，并沿斷層帶滲流水，水量約為0.5L/s，因長期受地下水影響，形成較大規?？逅?。下盤由一系列近SN向構造組成，單條構造寬度為4～5m，構造帶內巖石蝕變，綠泥石化、糜棱化，局部碳化，膠結差。地下廠房右側約一半在F1斷層構造帶內，斷層帶內巖體自穩性差，不具備修建大型地下廠房的條件。為避開F1斷層，綜合考慮已揭露的地質情況及廠址區水力布置條件，廠房位置擬在原方案位置處向上游側上移85m。

4.2 廠址區工程地質條件及評價

（1）地形地貌。擬建廠房區山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，具有較好的廠房布置條件。（2）地層巖性。擬上移廠房區巖性較單一，為PR1tp地層的灰白—白色變粒巖夾灰黑色角閃石片麻巖，巖體呈新鮮—微風化，圍巖呈穩定—基本穩定，局部穩定性差，具有較好的成洞條件。（3）地質構造。①廠址區共發育6條構造，構造規模均較小。②通過構造統計，廠址區的優勢構造為NNW（N10°～25°W）向。③根據節理統計，廠址區主要發育有產狀分別為N40°～65°ENW∠61°～68°和N15°～30°WSW∠38°～52°的兩組節理，容易在頂拱形成共軛節理。④在擬建廠址區出露一條節理密集帶，產狀為N25°WSW∠54°，總寬度約為2～3m，間距為5～10cm，該節理帶內巖體破碎。（4）水文地質條件。目前揭露洞段地下水不甚發育，只有局部構造發育處兩側潮濕或少量滲滴水，預測廠址區以干燥為主，地下水總體不發育。（5）圍巖分類。通過對已揭露洞段圍巖分類統計顯示，Ⅱ類圍巖超過92%，洞段巖體完整性為較好—好，強度高，裂隙為不發育—中等發育，圍巖穩定，僅局部斷層帶發育部位或不利結構面組合洞段圍巖穩定性差及圍巖不穩定段需要加強支護。

5 廠房軸線選擇

（1）新布置廠址區地形條件、巖性條件、構造條件以及水文地質條件均滿足地下廠房的布置，但是受二洞室水力條件的限制，其東西向移動的余度較小，廠址區的布置應避開主要構造的影響。（2）選擇軸線時主要考慮其與主要結構面和最大主地應力的方向與廠房軸線之間夾角。

5.1 結構面

廠址區共發育4條構造，均為NNW（N10°～25°W）向，且以陡傾角為主，只發育一條中傾角。裂隙不甚發育，主要發育有產狀分別為N40°～65°E NW∠61°～68°和N15°～30°W SW∠38°～52°的兩組裂隙。

結合揭露的構造及裂隙可知：（1）充分考慮NNW（N10°～25°W）向結構面和優勢走向面，片麻理和構造方向基本一致。（2）綜合統計，N40°～65°E向和N10°～25°W向為優勢結構面，結合傾角方向，最佳軸線角度應該與優勢結構面大角度相交，因此最有利廠房軸線應該為最有利軸線N70°～90°W走向。（3）鑒于廠房預布置不可能進行較大的調整，目前擬定軸線方向（N1.1°E）與主要構造及片麻理方向夾角較小，那么N10°～15°E走向為相對合理的一個軸線走向，該走向與主要裂隙交角為30°～40°，建議廠房軸線按N15°E控制。

5.2 地應力

根據地質力學分析，垂直褶皺軸線等主構造方向的應力一般是當地區域構造應力場的最大主應力，在低地應力地區，宜選擇洞室縱軸與較大水平主應力的方向垂直，這樣有利于克服拱頂出現拉應力，避免側壁發生嚴重變形或失穩。

根據廠址區地應力測試成果，地應力水平為中等偏低，最大主應力為8.7～14.72MPa，方向為130°～158°，與目前擬定軸線夾角23°～51°，將軸線轉至N15°E后將夾角增大至38°～66°，能較好地克服拱頂的拉應力。

6 結論

（1）擬開挖廠址區山體雄厚，垂直埋深約為375～425m，水平埋深達1700m，具有較好的廠房布置埋深條件。

（2）擬建地下廠址區圍巖較單一，為灰白—白色變粒巖。圍巖分類主要以Ⅱ類為主，占洞段92%以上。巖體為新鮮—微風化，圍巖為穩定—基本穩定，局部穩定性差，具有較好的成洞條件。

（3）經實測廠址區最大主應力量值為8.7～14.72MPa，方向為130°～158°，屬中等偏低地應力區。開挖過程中可能局部發生巖爆，但其量級為輕微，地應力不是廠房布置的主控因素。

（4）廠址區圍巖以弱透水為主，且均位于地下水位以下，其地下水類型主要為構造裂隙水。目前開挖段均以干燥為主，局部沿斷層破碎帶兩側有少量滲滴水。

（5）為避開廠區揭露的Ⅰ級構造、節理密集帶對廠房洞室群的影響，將廠房上移85m，上移后擬建廠址區為PR1tp地層灰白—白色變粒巖夾灰黑色角閃石片麻巖，巖體堅硬，呈新鮮狀，巖體完整性為較好—好，強度高，圍巖類別以Ⅱ類為主，占92%以上，Ⅰ類及Ⅲ類圍巖次之，局部斷層破碎帶處為Ⅳ圍巖，說明廠房區圍巖的工程地質條件良好，僅局部有潛在的不穩定體，具備大型地下洞室的成洞條件。

（6）從地質條件分析，同時考慮主要結構面和最大主地應力方向，地下廠房軸線的布置方向以N80°W左右較為合適，但該方向與山體呈大角度相交，水工難以布置，且與已開挖洞室難已結合?？紤]到該方案的地應力量級為中等到低，對廠房穩定的影響相對較小，因此以主廠房避開主要斷層和節理密集帶的影響為前提，同時考慮主要結構面的方向（NNW向、NE向）與廠房軸線的交角進行地下廠房布置，廠房軸線按N15°E控制是合適的。