平鲁地下泵站主厂房工程地质评价

孟元媛

（山西省水利水电勘测设计研究院，山西 太原 030024）

1 工程概况

平鲁地下泵站是引黄入晋工程北干线的一座扬水泵站，位于大梁水库右岸坝肩西南山体下1号隧洞北侧，主要建筑物有地下厂房、检修阀室、高压进出水井、电缆井、交通洞及地面附属建筑物。主厂房呈矩形，长41 m、宽17 m、高22 m，底高程1 258.2 m，顶高程1 280.7 m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

平鲁地下泵站地处平鲁向斜西翼黄土丘陵区，大梁水库右岸山梁坝肩处，山坡平缓，坡度10°，地面高程1 430～1 437 m，地表多为黄土覆盖，场地南侧分布一条近东西走向较大黄土冲沟，宽5～15 m，深2～8 m，沟底出露少量石炭系太原组砂岩。岩层N30°～40°E，倾向 SE，倾角 3°～5°。

2.2 地层岩性

泵站区分布地层为古生界奥陶系中统，石炭系中统、上统基岩，第三系和第四系土层。奥陶系中统上马家沟组二段厚层～巨厚层灰岩，灰白色、隐晶致密状，夹豹皮状灰岩，白云质灰岩，弱风化～新鲜，完整性好，局部裂隙发育破碎。该组灰岩地层为地下泵站厂房主要围岩，层顶高程1 325.52～1 331.84 m，勘探最大揭露厚度103 m，未揭露层底，与上覆石炭系地层不整合接触。石炭系中统本溪组岩性主要为粉红色、灰白色薄层、中厚层细砂岩、粉砂岩，夹炭质页岩、暗紫色泥岩和铝土页岩，灰岩，底部粗砂岩含黄铁矿。勘探揭露厚度20～28 m，层底高程1 324.14～1 331.84 m。石炭系上统太原组岩性主要为灰白、肉红色中厚层细砂岩、粗砂岩、含粒砂岩，夹暗紫色泥岩、炭质页岩、铝土岩、煤层，底部为一层含砾石英粗砂岩。勘探揭露厚度49～92 m，层底高程1 344.03～1 350.71 m。第三系上新统为紫红色黏土、见铁锰质斑点及含砾夹层，密实、较硬，分布于站址区坡脚地段，山腰以上分布不连续。第四系中更新统为黄土状亚黏土，呈棕黄色、稍湿、硬，可塑，含少量钙质结核和风化砂岩碎块，厚1.0～2.70 m。第四系上更新统为黄土层亚砂土，呈灰黄色、干～稍湿、松散，粉粒含量高，具大孔隙和垂直节理，厚5.2～11.0 m。

2.3 地质构造

地下泵站地处平鲁向斜西翼次一级舒缓褶皱高家坡向斜核部，构造形迹多被黄土掩埋，仅在泵站附近西侧井西煤矿巷道内揭露断层一条，断距11 m，断层距泵站场区约200 m。

灰岩地层构造裂隙发育程度中等，裂隙间距2 m，局部密集，裂隙以陡倾角为主，缓倾角少见；砂页岩地层裂隙较发育，间距1 m，局部密集。

2.4 地下水

泵站地区地下水按埋藏类型有奥陶系岩溶裂隙水、石炭系层间裂隙水和第四系孔隙水。奥陶系岩溶裂隙水水位埋深在泵站地下厂房底板以下约100 m，石炭系层间裂隙水主要分布在风化壳和砂岩含水层裂隙中，水量不大，第四系孔隙水主要分布在N2红黏土顶部，属上层滞水，水量有限。通过对石炭系地层水样水质分析可知，该层地下水对普通水泥无腐蚀性。

2.5 岩体物理力学性质指标

地下泵站及附属建筑物围岩为奥陶系灰岩和石炭系砂页岩。钻孔岩芯中灰岩的物理力学性质试验成果如下：颗粒密度 2.73～2.82 g/cm3，平均值 2.77 g/cm3；块体干密度 2.68～2.75 g/cm3，平均值 2.73 g/cm3，饱和时密度2.70～2.77 g/cm3，平均值2.74 g/cm3；孔隙率0.26%～3.32%，平均值1.62%；吸水率0.08%～1.19%，平均值0.55%；干抗压强度47.77～116.87 MPa，平均值81.75MPa，小值平均值68.92MPa；饱和抗压强度24.77～97.10 MPa，平均值 60.40 MPa，小值平均值 43.53 MPa；干弹性模量31.75～84.77 GPa，平均值62.51 GPa，小值平均值50.59 GPa，大值平均值71.45 GPa；饱和弹性模量20.68～66.77 GPa，平均值46.76 GPa，小值平均值32.84 GPa，大值平均值52.32 GPa；干泊松比0.18～0.30，平均值0.25，小值平均值0.21，大值平均值0.29；饱和泊松比0.22～0.34，平均值0.29，小值平均值0.25，大值平均值0.33。

2.6 岩体声波测试

砂岩及泥岩等波速平均值为2 680 m/s，完整性系数0.43；灰岩波速平均值为5 100 m/s，完整性系数0.77。通过对地下泵站钻孔声波测试可知，该泵站砂岩及泥岩完整性、均一性较差，灰岩等相对完整，均一性较好。

2.7 地应力测试

通过ZKZ梁92-18钻孔水压致裂法进行岩体地应力测试，测试全部在奥陶系上马家沟组灰岩中进行，测试结果见表1。

表1 ZKZ梁92-18孔地应力测试成果

从表中可以看出，地下泵站岩体中以水平构造应力为主，最大水平主应力σH随深度增加而增大，但变化幅度不大，σH∶σh∶σv=3.41∶1.78∶1，平均最大水平主应力方向为NE34.8°。

地下厂房高程1258.2～1280.7m，测试高程1262～1 280 m，最大水平应力11.72 MPa，地应力偏高。

2.8 岩体的渗透性

为了解泵站岩体的渗透性，对石炭系和奥陶系地层进行钻孔压水试验，共完成压水试验160段次，其中，石炭系太原组43段、本溪组35段，地层岩性均为砂页岩，两岩组地层的透水率差别不大，透水率平均值7.59～8.61 Lu，砂岩裂隙较为发育，透水性稍大；奥陶系灰岩地层82段，透水率平均值3.36 Lu，透水性主要受裂隙和岩溶发育影响。

3 工程地质问题与评价

3.1 地质问题

第一，围岩稳定问题。由于洞室跨度较大，岩层分布平缓，应考虑层状结构岩层与裂隙切割对顶拱围岩稳定影响，洞室岩壁与裂隙平行或角度近于平行时应考虑边墙围岩片帮稳定。

第二，地下厂房长轴方向选择。地下厂房最大水平应力为11.72 MPa，围岩为厚层灰岩，饱和抗压强度均不低于60 MPa，岩石强度与地应力比值为5.1，岩体强度对围岩稳定起控制、主导作用，地应力对地下厂房围岩稳定影响不大。在地应力分布状况对地下厂房围岩影响不大的情况下，需要考虑构造裂隙对地下厂房围岩的稳定影响，根据地下厂房两组主要裂隙NE40°～60°和 NW290°～310°构造裂隙对地下厂房围岩的稳定影响，建议厂房长轴选择与两组主要裂隙不小于30°夹角方向为宜。

第三，开挖（涌）渗水问题。奥陶系灰岩地下水埋藏于地下厂房围岩底板以下，上覆石炭系地层中含有少量层间裂隙水，该层中分布的泥页岩属相对隔水层，因此地下厂房开挖基本无水，预计开挖渗水量5～10 m3/h。

第四，外水压力问题。地下厂房上覆为石炭系地层，砂岩中仅含有少量层间裂隙水，水量微弱，该层中泥页岩属相对隔水层，与奥陶系灰岩无水力联系，对地下厂房构不成外水压力影响。

3.2 围岩地质参数建议

地下泵站厂房围岩主要为奥陶系上马家沟组二段厚层～巨厚层灰岩、豹皮灰岩和白云质灰岩，岩层平缓分布，厚度较稳定，围岩中裂隙、溶隙和溶洞总体不是很发育，未见有构造断裂及地下岩溶裂隙水。综合地下厂房等建筑物的工程地质条件、围岩风化程度，并考虑设计建筑物的类型和围岩的物理力学性质试验成果，围岩地质参数建议值：密度2.7 g/cm3，饱和抗压强度 60 MPa，弹性模量 10～12 GPa，泊松比 0.28，单位弹性抗力系数30～40 MPa/cm。综合考虑围岩地层岩性、结构面发育程度、岩石强度、岩体完整性及地下水分布等因素，由于跨度较大，需喷混凝土，建议对其进行系统锚杆加钢筋网支护。