小天都水电站气垫式调压室工程地质勘察研究

蔡仁龙　冷鸿斌

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都　610072)



小天都水电站气垫式调压室工程地质勘察研究

蔡仁龙冷鸿斌

(中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川 成都610072)

【摘要】小天都水电站采用气垫式调压室方案，除了开展常规地质勘察工作外，着重进行了岩体质量及成洞条件研究、山体抗抬稳定性研究、地应力及围岩抗劈裂稳定性研究、岩体渗透性与围岩抗渗稳定性研究，总结出了在高山峡谷地区引水式电站建气垫式调压室的勘察工作方法与经验。

【关键词】气垫式调压室；工程地质条件；地应力；高压压水试验；水力劈裂试验

1概述

小天都水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内。电站采用“一坡到底”高压不衬砌引水隧洞和气垫式调压室方案，是以发电为主的闸坝高水头引水式电站。

该电站主体工程于2003年6月8日开工建设，2005年12月3日实现第一台机组投产发电，2007年3月竣工，2008年9月28日通过竣工验收。气垫式调压室运行情况良好。引水隧洞—压力管道沿线生态环境保护良好。

2基本地质条件

气垫式调压室、压力管道和地下厂房布置于瓦斯河右岸的河道凸岸山体内，侧向埋深300～450m，岩性为晋宁—澄江期斜长花岗岩及少量灰绿岩脉。

厂址区未发现区域性断裂通过，仅发育小断层及裂隙。厂址区距鲜水河断裂带最短距离约13km，距大渡河断裂带最短距离约12km。

厂址区岩体风化、卸荷较强，据厂房PD2平洞资料，水平深度0～20m为强卸荷带，0～15m为弱风化上段，15～44m为弱风化下段。

厂址区地下水为松散堆积层孔隙水和基岩裂隙水，据PD2平洞及洞内钻孔揭示，0+680以里岩体透水性微弱，地下水不发育。其他洞室施工开挖揭示，仅局部位置出露地下水较丰，大多地段为浸水—湿润或干燥。

可研及专题研究阶段，在PD2平洞0+353～0+727采用水压致裂法做了5组地应力测量，其最大主应力σ1=12～22.76MPa，属中等—高地应力。同时，在地应力试验点附近分别做了高压压水试验、阶撑试验各5组，试验结果多满足设计要求。

3岩体质量及成洞条件研究

3.1岩(石)体物理力学特性

对厂区岩体进行了物理力学试验工作。试验成果表明：厂区斜长花岗岩各项物理力学性质指标间相关关系良好，干密度为2.73～2.79g/cm3，湿抗压强度为127～213.3MPa，弹性模量为42.7～63.7GPa，属坚硬岩。裂隙较发育，局部锈面的四组岩样，软化系数为0.62～0.74；新鲜、完整的E0— 4岩样，软化系数为0.90。这表明斜长花岗岩水理性质较为明显，受岩石结构、岩体裂隙发育影响，岩石遇水后强度均有不同程度降低。

岩体变形试验共进行了4组，均布置在PD2平洞壁上。0+264.5弱卸荷岩体E0=7.16GPa，E=12.9GPa；0+266.2断层带岩体较破碎，加载方向与断层面平行，E0=1.68GPa，E=2.75GPa；0+280.2断层影响带岩体完整性较差，E0=3.55GPa，E=5.86GPa；0+254.2岩体新鲜、完整，E0=20.2GPa。

断层带强度试验布置在PD2平洞0+293～0+295位置，断层带以碎裂岩、糜棱岩、断层泥为主。试体中80%～90%面沿糜棱岩剪切，10%～20%面沿碎裂岩剪切；试验结果为：抗剪断强度f′=0.53，c′=0.16MPa，抗剪强度f=0.53，c=0.07MPa。

3.2气室围岩地应力状态与岩体抗劈裂性及岩体渗透性

气垫式调压室的位置及布置方案，根据勘探、试验揭示的地质条件变化，进行比较和调整。到技施阶段，根据引水隧洞末段、压力管道及其右侧的调压室交通洞施工开挖所揭示的工程地质条件与原勘探平洞PD2所揭示的工程地质条件进行对比分析，并开展了相应的设计研究后，从地应力、覆盖、渗透性方面，结合水工布置的需要，最终确定将气垫式调压室布置于(隧)5+961～(管)0+060范围段右侧岩体中(见图1)。

技施阶段，在压力管道(管)0+40～0+50处、气垫式调压室0+80端墙及右边墙0+3～0+8岩体质量较差处，采用水压致裂法做了地应力测试、高压压水试验、阶撑试验各3组，现将试验成果简述如下。

a.地应力测试成果。3组地应力测试成果见表1。

表1　各测点空间地应力计算结果(水压致裂法)

根据地应力测试成果：ⓐ气室2个测点7号、8号的应力场的基本格架相同，方位角65°～71°，倾向SW—SWW，倾角12°～35°，表明测点附近以水平应力为主；ⓑ对比气室2个测点成果，7号测点的地应力值明显高于8号测点，可能是8号测点岩体质量较差的原因。

图1　小天都水电站气垫式调压室区1795m高程地质平切面图

b.水力阶撑试验结果。6号测点在3个孔内共选择了9个试验段，各试验段段长2.0m。水力阶撑试验结果显示：各测段裂隙的阶撑压力值大多超过6.8MPa，只有3个测段稍低，小于5.50MPa，说明总体上测点各测段内的裂隙抵御高水头压力的能力较强。

7号测点7个测试段中，仅有1段出现严重漏水现象，致使最高压力仅能升至1.0MPa，表明该测试段中含有张开性原生裂隙，并与周边裂隙连通。其余6个测段的阶撑压力最小值为4.70MPa，最大值为12.0MPa，其平均值为8.45MPa，表明总体上7号测点附近的岩体抵御高水头压力的能力较强。

8号测点9个测段中，有4段的阶撑压力小于或等于3MPa，其余5个测段的阶撑压力皆在7.148.06 MPa之间。总体来看，7号测点附近的岩体抵御高水头压力的能力强于8号测点。

c.高压压水测试结果。6号测点在钻孔5～15m深度内，三个钻孔的透水率低，透水率小于1.0Lu；15～28m透水率小于1.5Lu，只有YZK1平孔和YZK3垂直孔各有一段透水率在2.5～3.0Lu，压力升不到6MPa。

7号和8号2个测点共取得了39个测段的试验结果(见表2)。

表2　7号、8号高压压水试验统计结果

从表2可以看出，7号测点附近的岩体高压透水率明显低于8号测点附近的岩体。需要指出的是，7号测点的ZK-5钻孔(平孔)与8号测点的ZK-7钻孔(平孔)方位基本一致，但它们的测试结果却相差很大，由此可以说明8号测点附近的岩体完整性较差，裂隙发育。

对于7号测点，靠近洞壁的范围内，岩体完整性较差，透水率较高。对于ZK-5平孔的2.8～5.8m测段，压力最高升至0.5 MPa，对应的透水率为10.0Lu；6号平孔的2.80～7.80m测段严重漏水，无压力显示。除靠近洞壁附近的测段以及ZK-5平孔的23.28～26.28m测段以外，三个钻孔其他测段岩体完整性较好，透水率较低，压力皆能升至5.0MPa，岩体透水率皆小于1.0Lu。另外需要指出的是，在ZK-5钻孔21～26m左右的深度范围内存在一组或数条原生裂隙，该组裂隙闭合性较差，且连通性较强，高压压水试验最高压力升至2MPa，对应的透水率为2.5Lu。

对于8号测点，3个钻孔的测试结果显示了和钻孔方位的明显相关性。其中ZK-7平孔，岩芯多处破碎，裂隙发育。在进行的8个测段高压压水试验过程中，除10.50～13.64m在1MPa、3MPa、5MPa时均不漏水外，其余深度段均由于测段裂隙漏水严重，最大压力值范围在0～2.6MPa。

3.3气室围岩分类及工程地质评价

依据洞室围岩岩性、岩体结构、地质构造、地应力状态、水文地质条件、洞室埋深以及岩体(石)物理力学性质等地质因素，按水电系统分类标准，对气垫式调压室围岩进行分段分类。

Ⅱ类围岩：岩体呈块状结构，洞室围岩基本稳定，局部可能产生掉块。

Ⅲ类围岩：岩体呈次块状结构，洞室围岩局部稳定性差。

Ⅳ类围岩：岩体呈镶嵌碎裂或碎裂结构，洞室围岩不稳定。

气室岩性为晋宁—澄江期斜长花岗岩，湿抗压强度多在200MPa以上，湿抗拉强度7.0～8.7MPa，岩石致密、坚硬。岩体中无较大断层分布，主要为小断层、挤压带和裂隙，总体较完整，以块状结构为主，局部为次块状，以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，岩体质量较好，具备良好的成洞条件。

4气室埋深与山体抗抬稳定性研究

按气室位置选定原则，在避开深切冲沟、Ⅰ级与Ⅱ级结构面、岩溶发育区、软岩等不利地段的基础上，将气垫式调压室布置于山体雄厚、地形完整，边坡稳定、无较大规模断层通过、中硬—坚硬岩等地段。

为满足山体抗抬稳定性要求，气室应有足够的埋深。气垫式调压室抗抬埋深条件主要从洞室埋深条件来评价，要求岩体不能因隧洞的内水压力、内气压力或水幕压力过高致使围岩产生上抬破坏，上覆岩体厚度应满足以下经验公式：

(1)

所选气室位置山体雄厚，基岩水平埋深450～500m，上覆岩体厚455～520m，除去弱卸荷、弱风化岩体厚度，侧向最小埋深283.4m，上覆岩体厚250～290m(见图2)。

根据气室布置，底板高程1787m，此处静水头为392.5m，加上负荷变化时的压力上升，气室的内水压力约4.35MPa，上部水幕压力约4.85MPa。取花岗岩天然密度2.7g/cm3，平均坡度40°，当洞室侧向最小埋深CRM>189.8m时，即可满足要求。现拟位置CRM≈283.4m、γrCRMcosα≈5.86MPa，求得F=1.49。故所选调压室位置的侧向及上覆岩体最小厚度能满足上述经验公式的要求。

图2　小天都电站气垫式调压室上覆岩体厚度示意图

5地应力与围岩抗劈裂稳定性研究

气室抗劈裂地应力条件：要求岩体不能因隧洞的内水压力、内气压力或水幕压力过高致使围岩产生水力劈裂或气压劈裂破坏，气垫式调压室岩体最小主应力σ3应满足如下经验公式：

(2)

式中σ3——岩体最小主应力，N/m2；

γw——水的重度，N/m3；

pmax——气室内最大气体压力，mH2O。

该工程在PD2平洞不同深度及压力管道、气室内分别进行了3组应力解除法地应力测试和8组水压致裂法地应力测试，结果显示：随埋深增加地应力值增大，气室位置最小主应力为σ3=5.39～8.96MPa，为气垫式调压室内气压力4.48MPa的1.20～2.0倍，满足式(2)的要求。

6岩体渗透性与围岩抗渗稳定性研究

为满足围岩抗渗稳定性要求，气垫式调压室宜设置在不低于Ⅲ类、不透水或微透水围岩中。根据透水率的不同选择采用围岩闭气、水幕闭气或罩式闭气的防渗形式，采用围岩闭气的岩体透水率一般要求在0.1～0.001Lu范围内，采用水幕闭气的岩体透水率一般要求小于1Lu，采用罩式闭气的岩体透水率一般要求小于5Lu。

该工程在PD2平洞不同深度及压力管道、气室内进行了高压压水试验、水力阶撑试验各8组。试验表明：洞深525m以外，部分试段不起压，岩体以弱透水为主，局部微透水；洞深670 m以内，岩体以微透水为主，一般小于0.5Lu。水力阶撑试验表明：洞深525m以外，裂隙的阶撑压力一般小于2.5MPa，表明裂隙的闭合性差，连通性较好；洞深670m以内，裂隙的阶撑压力一般大于5MPa，部分大于10MPa，表明裂隙的闭合性好，连通性较差。

根据试验结果，气室选择在0+670以内，采用水幕闭气防渗形式。

7结语

a.小天都水电站气垫式调压室设计理念，提出在高山峡谷地区建引水式电站，采用“一坡到底”高压不衬砌引水隧洞—气垫式调压室方案，取消引水隧洞沿线特别是至调压室的施工道路，不需修盘山公路，大大减少对地表植被的破坏，有利于环境保护。同时，缩短引水隧洞长度，减少了工程量并缩短工期，有效地解决了场内交通、环保、工期和施工难度等问题。

b.气垫式调压室原则上布置于山体雄厚、地形完整、边坡稳定、无深切冲沟地段。气室在较完整的非岩溶硬质岩体内，结构面连通性差，无大的结构面发育，岩体质量较好，不低于Ⅲ类围岩。

c.气垫式调压室应有足够的埋深，其最小覆盖厚度以上的岩体重力应大于气室内

d.气垫式调压室布置区围岩最小主应力应大于气室内静水头压力、设计气压及水幕设计水压，以满足围岩抗劈裂稳定性要求。气垫式调压室岩体最小主应力σ3应满足式(2)要求。

e.为满足围岩抗渗稳定性要求，气垫式调压室宜设置在不低于Ⅲ类、不透水或微透水围岩中。根据透水率的不同选择采用不同的防渗形式。

参考文献

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[5]杨飞.水电站气垫式调压室布置设计[J].中国水能及电气化，2012(8).

Research on air cushion surge chamber engineering geological

prospecting of Xiaotiandu Hydropower Station

CAI Renlong, LENG Hongbin

(HydrochinaChengduInvestigationandDesignInstitute,Chengdu610072,China)

Abstract:Xiaotiandu Hydropower Station adopts air cushion surge chamber plan. It not only develops conventional geological prospecting work, but also focuses on the research of rock quality and holes formation condition, mountain lifting resistance stability, ground stress and surrounding rock crack resistance stability, rock permeability and surrounding rock stability. Survey work methods and experience of building air cushion surge chamber on water diversion power station in mountain valley areas are summarized.

Key words:air cushion surge chamber; engineering geological conditions; ground stress; high pressure water pressure test; hydraulic fracture test

DOI:10.16617/j.cnki.11-5543/TK.2015.11.010

中图分类号：TV732.5

文献标识码：A

文章编号：1673-8241(2015)11-0066-05