佛子岭抽水蓄能电站地下厂房工程地质分析

丁仕群（安徽省水利水电勘测设计院 蚌埠 233000）

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佛子岭抽水蓄能电站地下厂房工程地质分析

丁仕群
（安徽省水利水电勘测设计院 蚌埠 233000）

本文通过对佛子岭抽水蓄能电站地下厂房勘测资料的分析和研究，指出了佛子岭抽水蓄能电站地下厂房的主要工程地质问题，介绍了地下厂房部位岩体分类及力学性参数取值方法，针对地下厂房工程地质条件给出了结论与建议。

佛子岭抽水蓄能电站 地下厂房 工程地质 岩体分类

1 前言

为满足安徽电网尤其是皖西地区电网的调峰、填谷和事故备用等需要，更好地发挥两水库的综合效益，拟在佛—磨水库间修建一座抽水蓄能电站，即佛子岭抽水蓄能电站。利用已建磨子潭水库作为上库，佛子岭水库作为下库，蓄能电站地下厂房设在磨子潭大坝左岸山体内，安装2台80MW混流可逆式机组，总装机容量160MW。

电站采用地下厂房，按首部式布置，主要有主厂房、副厂房、安装间以及母线洞、母线廊道、电缆洞等辅助洞室组成，主厂房（包含安装间）开挖尺寸：长80.9m，宽24.8m，最大开挖高度53.12m。厂房横断面形状为城门洞形，顶拱高程126.5m，最低开挖高程73.38m。

2 地下厂房地质概况

2.1岩性及断裂

厂房处地表出露基岩均为前震旦系水竹河组地层，其岩性有花岗片麻岩（夹角闪石石英片麻岩）以及角闪斜长片麻岩。组成地下厂房的围岩岩性均为角闪斜长片麻岩，局部夹绿泥石角闪片岩。绿泥石角闪片岩其产状多数顺层面（片麻理面），少数顺断层分布，厚度一般不超过2m，宽窄不一，透镜状分布，局部形成层间挤压带，在地表容易风化，在新鲜岩石中与围岩接触很好，其岩块Rb>60MPa，属坚硬岩石，但遇水有软化现象。片麻理面产状与原始岩层产状近一致，且较为稳定，为N25°~40°W，NE∠25°~45°，微—新鲜岩石片麻理面结合紧密。

地下厂房部位根据勘探揭露有断层F10以及小断层f28~f32。各断层其走向多为NW或NWW向，倾向NE占多数，以陡倾角为主，而NE向断层仅见F5。裂隙以N40° ~65°E组最为发育，地表张开，局部延伸较长，并形成地表的一系列陡壁面，另一组较发育的为N30°~50°W，SW ∠60°~70°，一般短小、闭合。厂房部位的裂隙玫瑰花图（见图1），岩体完整。可见地下深处的厂房围岩裂隙不发育，岩体完整。

2.2岩体透水性

钻孔压水试验资料表明，浅部岩层为弱—微透水，深部岩层为微—极微透水性。根据勘探平洞揭示，仅局部洞段沿断层、小断层有少量潮湿滴水、渗水，勘探洞大部分为干燥洞室，说明此类岩性在地下深部透水性微弱。

2.3岩体力学特征

厂房围岩为角闪斜长片麻岩以及花岗片麻岩。试验表明，岩石比重为2.67~3.06，容重为26.3~30.5kN/m3，孔隙率为0.2%~5.6%，吸水率为0.04%~0.42%，抗压强度平均值为104.7~158.7MPa，弹性模量为61~67GPa，点荷载强度均大于60MPa，两种岩石均为硬质岩。两种岩石声波测试其微~新鲜岩块纵波波速平均值为4917~5947m/s，纵波波速相差不大。岩体声波测试，微—新鲜的角闪斜长片麻岩岩体纵波波速VP值较高为4767~5717m/s，且与微—新鲜的岩块波速非常接近，说明岩体较为完整。

地下厂房洞室围岩现场地应力值测试，最大水平主应力在2.9～5.3MPa之间，大部分小于5MPa，且Rc/σm ax>15 （Rc>100MPa），表明厂房区属低水平应力区。最大水平主应力方向整体上约为N20°E，厂房长轴方向为N84°E，则实测最大水平主应力方向与厂房长轴夹角大，从地应力场最大水平主应力方向与洞轴线的关系看，不利于厂房和尾水洞围岩稳定性。但由于整个测试区应力量值低，且大、小水平主应力测值比较接近，则地应力对地下厂房及尾水洞的围岩稳定性影响不大。

图1 厂房部位的裂隙图

鉴于对岩（石）体室内、外物理力学性试验成果的分析和研究，结合该工程实际，提出该工程岩石的主要物理力学性指标建议值见表1。

表1 地下围岩岩石主要物理力学性参数建议值表

表2 地下厂房洞室围岩分类成果对比表

3 主厂房（机组间和安装间）围岩分类

由于地下主厂房洞室规模较大，属高边墙、大跨度的地下洞室，为提供较为准确和合乎实际的洞室围岩类别。根据勘察资料，以岩质类型、岩体结构、岩体状态、结构面特征、地下水活动影响，结合岩体纵波速度、介质特征等，对地下厂房洞室围岩稳定综合分类，初步分类主厂房绝大部分为Ⅰ类围岩，整体稳定，仅在F1、F10、f13等断层带附近为Ⅱ~Ⅲ类围岩，基本稳定~局部稳定性差。按照《工程岩体分级标准》（GB50218-94）对工程岩体稳定性的分级方法。主厂房岩体基本质量指标修正值〔BQ〕为524~632，岩体基本质量级别为Ⅰ~Ⅱ类，大部分属坚硬~较坚硬的、完整~较完整岩体，仅在一些F1、F10、f13等断层带及其影响带存在Ⅲ类完整性差的岩体。采用了“水电地下工程围岩分类法”对地下厂房围岩进行了详细分类，水电地下工程围岩分类结果，地下厂房西侧墙为Ⅰ类围岩，稳定，东侧墙及南侧墙以Ⅰ类围岩为主，局部夹Ⅱ类围岩，整体稳定~基本稳定，北侧墙及洞顶以Ⅰ~Ⅱ类围岩为主，稳定~基本稳定，断层带存在Ⅲ类围岩，局部不稳定；厂房围岩三种方法分类及评价成果见

表2，由表可见3种方法分类及评价结果基本一致，成果是较为合乎实际的。

4 主厂房（机组间和安装间）围岩稳定性分析

地下主厂房岩性较单一，除部分沿断层带分布有绿泥石角闪片岩，厚度不大，其余绝大部分为完整~较完整的角闪斜长片麻岩，岩石坚硬，因此岩性对围岩稳定影响不大，影响厂房围岩稳定的主要是各种断裂结构面以及它们之间的组合关系。厂房附近揭露的断层主要有F1、F10，小断层有f13、f28~f32，其中规模稍大的有F1、F10和f13、F1与厂房长轴夹角小，对厂房顶拱稳定有影响、F10对厂房的东边墙、顶拱和北边墙有影响，f13与厂房长轴夹角较大，与F10等结构面组合，对厂房顶拱围岩稳定有影响；同时厂房尚发育有4组较为规则的裂隙结构面。根据厂房断裂面赤平投影图分析各种结构面之间组合块体的稳定性及可能出现的破坏形式。各主要结构面与边墙的赤平投影分析见图2、图3。

东端边墙高度23.5m，F10断层在该边墙出露，由于倾向厂房外侧，则对东端边墙稳定影响不大，从各种结构面赤平投影图可以看出，结构面的组合交线均倾向厂房外侧，对其稳定有利，因此东端边墙稳定，基本上无不利的结构面组合。

西端边墙高度约为53m，未揭露断层结构面以及层面或层间挤压带，根据所揭露的4组裂隙结构面进行赤平投影，从投影图中可以看出，不利结构面组合有4种，分别为①~②、①~③、①~④、③~④，倾向厂房，其交线倾角为43° ~64°，具有不稳定趋势，但其中③结构面发育少，短小闭合，则①~③、③~④所组成的不利结构体很少，而①~②、①~④所组成的不利结构体较为常见。可见，西端边墙较稳定，但局部可能出现倾向厂房的不利结构体，不利结构面组合较为常见的主要有①~②、①~④两种，针对此类不稳定体，在厂房的施工期间可对其进行清理或用锚杆加固处理。此外，层面裂隙或层间挤压带与其他方向裂隙组合，对西边墙稳定不利。

图2 东、西端边墙结构面赤平投影图

图3 南、北端边墙结构面赤平投影图

南端边墙高度约为53~23.5m，长80.9m，揭露有f29、f31、f13、F10断层，f29断层规模小，结合较好，倾向厂房外侧，对其整体稳定无影响，f31、f13、F10断层性质较差，与厂房夹角约为40°~50°，倾向厂房，对南边墙东端整体稳定有一定影响，另外f13与F10在南边墙东端顶部已切割出一个三角体，但其交线倾向厂房外侧，对边墙整体稳定无影响。根据结构面赤平投影图可以看出，不利结构面组合主要为①~⑤，该结构面所组成的结构体较为常见，特别在F10断层附近较常见。由上分析可知，厂房南边墙东端在f31、f13、F10断层出露部位可能出现围岩失稳现象，其余部位整体稳定。

北端边墙高度约为53~23.5m，长80.9m，揭露F1、f32、f31、f13、F10断层，除f32规模小，断层带结合较好外，其余工程地质性质较差，但由于倾向厂房外侧，则对厂房北边墙整体稳定影响较小，另外F10与f13、f32与f13在北端边墙顶部已切割出三角体，组合交线均倾向厂房，但其交线倾角较缓，为17°~20°，稳定性尚可。可以看出，不利结构面组合主要有5种，其中①~②’、④~⑤所组成的不利结构体较常见，而①~③、②’~③、③~④所组成的不稳定结构体分布稀少。可见，北端边墙虽出露断层相对较多，但由于断层倾向厂房外侧，则断层对厂房北边墙整体稳定影响不大，而由F10与f13、f32与f13切割出的三角体，交线较缓，交线倾角一般小于结构面内摩擦角，属基本稳定，不利结构面仅①~②’、④~⑤所组成的不稳定结构体分布较为常见。

主厂房顶拱角闪斜长片麻岩片麻理结合紧密，原始层面不发育，则层面（片麻理）对厂房顶拱围岩稳定影响不大，因此，影响顶拱围岩稳定的主要是断层、裂隙等结构面组合块体形状。厂房顶拱出露规模相对较大的断层有F1、F10、f13，规模较小的断层有f29、f30、f31、f32，就单条断层来讲，F1、F10、 f13断层对厂房顶拱围岩稳定影响较大，特别是F1断层与厂房主轴夹角小，在厂房顶拱延伸较长；而从断层的相互组合关系来看，f29~F1、f32~f31、f13~F10已在厂房顶拱切割出不利三角块体，但由于f29、f32断层规模小，性质稍好，则由f13~F10所组成的不利三角块体稳定性最差。从裂隙与断层、裂隙与裂隙结构面相互组合切割来看，结构面绝大部分为陡倾角，少量为中等倾角，不同产状的裂隙结构面组数较多，则可能在厂房顶拱出现一些锲形和锥形不稳定分离体，但由于顶拱围岩大部分裂隙不发育，为完整~较完整岩体，则这些不稳定体出现几率不多，仅可能在一些断层如F1、f13等断层附近分布较多。

5 建议

主厂房顶拱角闪斜长片麻岩片麻理结合紧密，原始层面不发育，则层面（片麻理）对厂房顶拱围岩稳定影响不大，影响其稳定的主要是断层、裂隙等结构面组合块体形状。F1、F10、f13断层对厂房顶拱围岩稳定影响较大，从断层相互组合来看f13~F10所组成的不利三角块体稳定性差，在施工期间可能失稳，而从裂隙与断层、裂隙与裂隙结构面相互组合切割来看，厂房顶拱可能出现一些锲形和锥形不稳定分离体，但分布几率不多。施工期间针对断层附近围岩的不稳定以及由断层切割出的不利结构体，应及时采取锚喷或挂网锚喷，而对由裂隙所组成不稳定体，可对其清除或用锚杆加固，由于厂房顶拱跨度大，建议对顶拱进行全部的钢筋混凝土衬砌