清远抽水蓄能电站地下厂房岩体变形试验研究

2012-07-26潘亨永王殿春

水力发电 2012年4期

潘亨永，王殿春，贺猛

（广东省水利电力规划勘测设计研究院，广州广东 510170）

清远抽水蓄能电站位于广东省清远市清新县太平镇境内，距清远市约32 km。枢纽工程由上水库、下水库、输水系统建筑物、地下厂房洞室群、开关站及场内公路等组成。电站设计装机容量1 280 MW （4×320 MW），工程等别为一等大（1）型工程。上、下库自然高差约480 m，水平距离2 439 m。

地下厂房布置在输水发电系统中部，为首部式，厂房规模巨大，厂房长×宽×高为168.5 m×25.5 m×57.9 m。地下厂房区岩性为燕山三期中粗粒黑云母花岗岩，岩体较新鲜完整，断层构造发育不多，工程地质条件较好。

岩体的变形特性关系到地下厂房围岩稳定，关系到工程安全与经济。采用刚性承压板变形试验方法对各类岩体进行了变形试验，为工程勘察设计提供了依据。同时，为今后同类工程的岩体变形试验积累了经验。

1 地下厂房区基本地质条件

厂房位于输水线中部，该处地形较完整，地面高程为360～510 m左右，厂房埋深280～400 m。沿输水线路有较多基岩露头，地表第四系覆盖层较薄，山体山坡稳定。

地下厂房和高压岔管岩性为燕山三期（γ52（3））中粗粒黑云母花岗岩，风化程度为微风化～新鲜。

地下厂房区发育3组断层，断层规模一般不大，主要为裂隙性断层：①近东西组：共8条，产状EW～N80°W／S、 N∠80°～85°，以陡倾角为主。断层以角砾岩、碎裂岩为主，充填钙质和石英，局部见高岭土化蚀变，具多期构造活动特征，以张性为主，先压扭后张开，断面见多期擦痕。大多胶结较好，少量有断层泥、糜棱岩，胶结稍差，延伸长，宽度一般0.1～0.3 m，沿断层局部有渗滴水现象。②北北西组：共 4 条，产状 N10°～35°W／NE∠65°～80°，以中、陡倾角为主。断层主要由角砾岩、碎裂岩、糜棱岩组成，轻度绿泥石化，局部见高岭土化蚀变，断层面见擦痕。大多胶结较好，少量有断层泥，胶结稍差，以压扭性为主。宽度0.2～1.5 m。少量断面有潮湿或地下水滴渗现象。③北东向组：共6条，产状 N30°～45°E/NW （洞内） ∠60°～65°，以中等倾角为主。断层带主要由角砾岩、碎裂岩组成，多充填石英脉和暗色矿物，胶结较好，以张性为主，少量为压扭性，断面见45°角斜向擦痕。宽度一般0.1～0.5 m，局部宽度达1.5～2.0 m，无影响带。

厂房区裂隙发育方向与断层发育方向基本一致，主要发育3组节理裂隙：①近EW组：产状EW～N80°W／S、 N∠80°～85°，张性，延伸长，多充填钙质，胶结一般～较差，少量滴渗水；②NNW组：产状 N10°～35°W／NE∠60°～85°，多闭合～微张，延伸长，少数钙质充填，胶结较好，局部潮湿或滴水，多形成节理密集带；③NE组：产状N25°～40°E/NW∠55°～85°，闭合，延伸长，多无充填或石英脉充填，胶结好，干燥。

地下厂房围岩主要以微风化～新鲜花岗岩为主，断裂不甚发育，具整体和块状结构，围岩类别以Ⅰ～Ⅱ类为主。主厂房、主变室、尾闸室、高压岔管、引水支管、尾水支管及尾水岔管位置断层裂隙不甚发育，避开了附近主要断层，围岩稳定性好。

本次对地下厂房区的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类和Ⅳ类围岩共进行了8个点的岩体变形试验，试验在地下厂区探洞的主洞PD01及PD01-1SW、PD01-1S、PD01-1SE、PD01-2S各支洞内进行。

2 试验方法

岩体变形试验按SL 264—2001《水利水电工程岩石试验规程》第6.1节的规定进行。试验采用刚性承压板法，承压板直径520 mm，承压面积2 123.72 cm2。最大压力分5级逐级一次循环法进行试验。依据设计资料，试验最大压应力采用10.4 MPa。试验采用3 200 kN千斤顶，活塞面积490.87 cm2，相应压力表读数为45 MPa。

岩体变形采用4个千分表读取，千分表固定在测表支杆上，表脚置于承压板的上表面上。试验装置见图1。压力采用1.5级精密压力表测量和控制。变形模量或弹性模量按下式计算

式中，E为变形模量或弹性模量，MPa；μ为岩体泊松比；p为按承压面单位面积计算的压应力，MPa；D为承压板直径，cm；W为岩体表面变形，cm。

3 试验成果分析

3.1 Ⅰ类围岩

图1 岩体变形试验装置示意

Ⅰ类围岩岩体进行了1个点的变形试验，试验点位于地下厂房PD01-1SW探洞支洞，桩号53 m处。试验点编号为Ⅰ-PD01-1SW-053。试验点岩性为灰白色燕山三期中粗粒黑云母花岗岩，主要成分为石英、黑云母，岩质坚硬，岩体完整，未见裂隙，试样表面及周围有浸水。岩体变形试验压应力—垂直变形关系见图2。

图2 Ⅰ类围岩压应力—垂直变形关系

岩体的压应力—垂直变形关系呈直线形。在各级压力下的分级变形小，且比较均匀，总变形小。在最大压应力10.4 MPa下的总变形为91 μm，残余变形为31 μm，弹性变形为60 μm，回弹率为66%，弹性模量Ee为68 752 MPa，变形模量E0为45 331 MPa。试验表明，Ⅰ类围岩岩体变形试验的分级变形、总变形及残余变形均小，弹模、变模高。

3.2 Ⅱ类围岩

Ⅱ类围岩岩体共进行了3个点的变形试验，代表性试点编号为Ⅱ-PD01-1SE-73，该试验点位于地下厂房PD01-1SE探洞支洞，桩号73 m。试验点岩质坚硬，试样完整，未见裂隙从试样通过。在试样周围发育两条交叉裂隙：一条裂隙距试样30 cm左右，产状N75°W/NE∠70°，裂隙宽约2 mm，被水晶颗粒密实充填；另一条距试样50 cm左右，产状N35°E/SE∠65°，接触面粘结紧密，断面光滑，少有水晶颗粒。岩体变形试验压应力—垂直变形关系见图3。

岩体的压应力—垂直变形关系为直线形。岩体在各级压力下的分级变形不大，且比较均匀，总变形小。在最大压应力10.4 MPa下的总变形为99 μm，残余变形为4 μm，弹性变形为95 μm，回弹率为 96%。 Ee为 42 926 MPa， E0为 41 192 MPa。试验表明，岩体的总变形及残余变形小，弹性模量和变形模量较大。岩体回弹率高，岩体的弹性模量和变形模量相差不大。

图3 Ⅱ类围岩压应力—垂直变形关系

3.3 Ⅲ类围岩

Ⅲ类围岩共进行了3个点的变形试验，代表性试点编号为Ⅲ-PD01-1S-343，该试验点位于地下厂房PD01-1S探洞支洞，桩号343 m。试验点岩质坚硬，试样完整，未见裂隙从试样通过。试样周围发育3条裂隙：一条裂隙距试样约60 cm，产状 N25°E/NW∠50°，裂隙面光滑，近闭合，无充填；另一条产状为N80°W/SW∠75°，距试样15 cm，裂隙面光滑，近闭合，无充填；第3条裂隙产状N80°W/SW∠75°，距试样40 cm，裂隙宽约20 mm，含水晶带，较破碎，有浸水。岩体变形试验压应力—垂直变形关系见图4。

图4 Ⅲ类围岩压应力—垂直变形关系

岩体的压应力—垂直变形关系曲线为上凹形。在第1级压力下产生了较大的压密变形，随后第2～5级压力下的分级变形明显减小，且变形较均匀。在1～5级压力下的分级变形分别为38、21、18、17 μm和21 μm。在最大压应力10.4 MPa下的总变形为 115 μm，残余变形为 15 μm，弹性变形为 100 μm，回弹率为 87%。Ee为 39 824 MPa，E0为 34 630 MPa。试验表明，岩体的总变形及残余变形不大，弹模、变模稍低于Ⅱ类围岩。岩体回弹率较高，岩体弹模、变模相差不大。

3.4 Ⅳ类围岩

Ⅳ类围岩岩体变形试验进行了1个点的变形试验，试验编号为Ⅳ-PD01-2S-42，试点位于地下厂房PD01探洞2号南支洞，桩号42 m。试验点试样较破碎，主要由石英岩和中粗粒黑云母花岗岩组成，试样进洞的右侧主要以石英为主，石英块不规则，手搓有泥质感，试样表面有浸水。试样表面微小裂隙发育，有一条宽约5 mm的贯通裂隙通过，其产状为 N25°W/SW∠75°，有石英充填。岩体变形试验压应力—垂直变形关系见图5。

图5 Ⅳ类围岩压应力—垂直变形关系

岩体的压应力—垂直变形关系曲线为上凹形。岩体在各级压力下的分级变形相对较大，总变形较大。在最大压应力10.40 MPa下的总变形为152 μm，残余变形为22 μm，弹性变形为130 μm，回弹率为86%，Ee为28 673 MPa，E0为24 523 MPa。试验表明，Ⅳ类围岩岩体的总变形大，弹模、变模低。

以最大压应力10.4 MPa下的各类围岩的变形模量E0进行比较分析：Ⅰ类围岩E0为45 331 MPa； Ⅱ类围岩 E0为 39 980～52 961 MPa，平均44 711 MPa，与Ⅰ类围岩接近；Ⅲ类围岩E0为34 630～44 746 MPa，平均 38 865 MPa，比Ⅱ类围岩低； Ⅳ类围岩E0为24 523 MPa，比Ⅲ类围岩低。总体上，Ⅰ～Ⅳ类围岩的变形模量及弹性模量依次降低。Ⅰ类围岩只有1个试点，其试验值与Ⅱ类围岩接近；Ⅲ类围岩比Ⅱ类围岩低；Ⅳ类围岩明显低于Ⅲ类。

试验中出现了一定离散性，如在试验最大压应力为10.4 MPa下，Ⅱ类围岩PD01-1S-088试点的E0为52 961 MPa，大于Ⅰ类围岩PD01-1S-W-53试点的45 331 MPa； Ⅲ类围岩PD01-1SE-236试点的E0为44 746 MPa，大于Ⅱ类围岩PD01-1S-177试点的39 980 MPa。这反映了岩体的非均一性，同类岩体中有比该类岩体较好或较差的岩体，加之岩体的坚硬程度及微裂隙或隐伏裂隙也会对变形试验结果有一定影响，而这些微观因素难以为宏观的地质岩体分类所反映。岩体的物理力学参数具有不确定性，试验中出现以上离散性是正常的，试验结果反映了各类岩体的变形特性。

本工程地下厂房岩体为坚硬、微风化～新鲜的花岗岩，Ⅰ、Ⅱ类围岩占大部分，岩质坚硬，裂隙不发育，试验得出了较高的岩体变形模量；Ⅲ类围岩主要为裂隙密集带和断层影响带，岩质坚硬，地下水活动较强烈，其变形模量低于Ⅱ类围岩；Ⅳ类围岩为局部断层带，岩质相对较软，地下水活动强烈，其变形模量明显低于Ⅲ类围岩。试验成果反映了各类岩体的变形特征。