敦化抽水蓄能电站输水发电系统勘察重点探析

刘永峰

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

敦化抽水蓄能电站输水发电系统勘察重点探析

刘永峰

(中国电建集团 北京勘测设计研究院有限公司,北京 100024)

回顾敦化抽水蓄能电站前期工程地质勘察工作,梳理分析输水发电系统的勘察重点,主要包括:地下厂房位置及轴线的选择、地下厂房洞室群围岩稳定分析、地应力与岩爆评价、高压管道和岔管段围岩渗透特性研究、高压管道衬砌形式选择等。

工程地质;勘察;高水头;抽水蓄能电站;输水发电系统;地下厂房

1 工程概况

敦化抽水蓄能电站位于吉林省敦化市境内,电站装机容量1 400 MW,枢纽工程由上水库、下水库、水道系统、地下厂房系统等建筑物组成[1]。电站额定水头655 m,最大净水头795 m。水道系统和地下厂房洞室群是抽水蓄能电站的核心工程,其勘察工作是抽水蓄能电站的勘察和设计工作的重点。本文梳理敦化工程输水发电系统的勘察重点和勘察方法,并根据实际开挖揭露的地质条件分析验证勘察结论,以供借鉴。

2 地下厂房系统勘察重点

敦化抽水蓄能电站地下厂房系统深埋于地下,埋

深约400 m,岩性为华力西晚期正长花岗岩。主要由厂房、主变室、母线洞、尾水调压室、尾水闸门室等建筑物组成。其勘察重点包括:地下厂房位置的选择与优化、地下洞室围岩稳定分析等。

2.1 地下厂房位置选择与优化[2]

2.1.1 勘探平硐地质单元划分

为查明敦化抽水蓄能电站地下厂房系统的工程地质条件以及选择厂房位置,从下水库大坝下游侧的山坡上高程695 m处布置勘探平硐PD803,洞长1 650 m;到达厂房部位时勘探平硐PD803洞底高程701 m,高出厂房顶拱64.5 m。通过对勘探平硐进行系统的工程地质分段统计和工程地质单元划分,将厂房平硐PD803划分为3个工程地质单元,按岩性、岩体风化、构造发育等方面进行列表比较,详见表1。

表1 敦化厂房区平硐PD803围岩特征分区比较表

2.1.2 厂房位置比选

水工枢纽布置将首部、中部、尾部三个厂房布置方案进行了比较。首部厂房方案位于F1的下盘岩体中;中部厂房方案位于F1的上盘岩体内,其可选范围在平硐地质单元的第Ⅱ单元、第Ⅲ单元中;尾部厂房方案位于第Ⅰ单元内。各布置方案工程地质条件比较见表2。

表2 敦化地下厂房各布置方案工程地质条件比较表

从工程地质角度分析,上水库天然的水文地质条件良好,无须采用全库防渗的防渗方式。从减少对上水库水文地质环境的影响角度来说,不宜采用首部厂房方案。通过对厂房区勘探平硐进行系统的工程地质分段统计和工程地质单元划分,将厂房洞室群选择在断裂最不发育、岩体完整性最好的第Ⅲ工程地质单元内。避开了较大规模的断层,选择了在相对完整岩体中布置地下厂房洞室群。

2.1.3 厂房位置微调

在选定了厂房位置后,为了查明厂房的工程地质条件在该位置布置了左、右支洞PD803-1、PD803-2,合计总长度350 m,穿过厂房两侧端墙且超过30 m。

在右侧支洞PD803-1发现了一条中等倾角断层fp42,产状NE20°～25°NW∠35°～50°,宽度3～4 m,断层带内岩体破碎,呈碎块状,岩体有蚀变,呈黄色,破碎带内有滴水。该断层正好穿过厂房顶拱中部,对拟选厂房顶拱围岩稳定极为不利。左侧支洞PD803-2揭露的围岩条件较好,遂决定将厂房位置向西侧平移,为此将勘探支洞PD803-2延长至235 m。在延长段开挖完成后经现场编录查看认为,该段围岩条件很好,可定此处为厂房位置。

微调后的位置较之前拟定位置整体往西侧平移了约110 m,避开了较大规模的断层(见图1),选择了在相对完整岩体中布置地下厂房洞室群。

图1 敦化厂房位置顶拱高程636.5 m平切图Fig.1 Flat map of top arch at the elevation of 636.5 m in Dunhua powerhouse

2.1.4 地下厂房轴线选择

在厂房位置基本选定之后,厂房轴线方向的选择主要遵循以下原则:

(1) 按照水道系统水工建筑物布置的要求,保证水道系统隧洞进出厂房的顺畅。

(2) 厂房轴线与岩体中主要构造面有较大的夹角(图2)。

(3) 厂房轴线与工区内最大水平主应力方向保持较小的交角。

综合考虑上述因素,厂房轴线方向选择NW275°。其与水道系统的轴线方向夹角为80°;与主要的近NNE向断层夹角近垂直,与主要裂隙发育方向近SN向的裂隙近垂直,与近EW向裂隙的夹角较小;与最大水平主应力方向夹角为20°。当厂房轴线为NW275°时,除与近EW向这组裂隙的交角较小外,其余均能较好地满足各项条件。

图2 敦化厂房轴线与主要结构面及最大主应力关系图Fig.2 Relation graph of axis,main structural plane and maximum principal stress in Dunhua powerhouse

2.2 地下厂房洞室群围岩稳定问题

2.2.1 地下厂房区围岩稳定分析

经过比较,选定位置的厂房洞室群围岩具有良好的整体稳定性,围岩以Ⅱ-Ⅲ类为主。需要关注的是由厂房区域主要发育的几组结构面相互切割组合形成局部不稳定块体的问题。

根据厂房勘探平硐裂隙统计,敦化厂房区主要发育NW340°～360°、NW270°～300°、NE70°～90°三组走向的陡倾角裂隙,其中NW270°～300°、NE70°～90°两组中有缓倾角裂隙发育。据此进行赤平投影分析(图3),在洞室的端墙、两侧边墙及顶拱均可能出现不稳定块体。端墙出现的不稳定块体主要受NW340°～360°这组裂隙的控制,边墙出现的不稳定块体主要受NW270°～300°、NE70°～90°两组裂隙的控制,在其他方位裂隙的组合下,形成不稳定块体的概率较大。另外,顶拱部位不稳定块体除了受缓倾角裂隙的影响更大,易在顶拱、拱角部位与陡倾角裂隙组合形成潜在不稳定块体,出现掉块甚至坍塌,开挖施工时应密切关注。

2.2.2 地应力测试与岩爆评价

厂房区域的地应力测试点均在厂房轴线探洞的3个钻孔中进行,以水压致裂法为主、应力解除法为辅,相互验证。其中水压致裂法在ZK115、ZK116两个钻孔内测试,应力解除法在ZK115钻孔内测试,具体位置见图4。

图3 敦化厂房、主变室裂隙赤平投影图Fig.3 Stereographic projection of Dunhua powerhouse and fracture of main transformer chamber

根据实测地应力值,厂房区为中等地应力区。厂房区地应力范围值最大水平主应力σH为12～16 MPa,最小水平主应力σh为7～11 MPa,垂直主应力σV为10～13 MPa;最大水平主应力方位角为NE50°～79°,优势方向为NE64.5°。

据钻孔ZK115-ZK117在厂房部位实测最大水平主应力值估算岩石强度应力比值,判断岩爆发生的强度。厂房区微新正常花岗岩Rb最小值69.80 MPa,平均值128.76 MPa,取最小值进行计算(见表3)。

表3 厂房部位岩石强度应力比及岩爆评价

由上表岩石强度应力比值所对应的岩爆级别得出:厂房部位仅为轻微岩爆,表现围岩表层有脱落、剥离现象,洞顶和侧壁的劈裂—松胀等,影响深度<0.5 m,对工程影响较小。

图4 地下厂房地应力测试位置示意图Fig.4 Schematic diagram of measuring positions of ground stress about underground powerhouse

3 压力管道及岔管段勘察重点

抽水蓄能电站压力管道及岔管段一般承受高于常规水电站的内水压力。因此,研究岩体在高水头下的渗透特性、渗透稳定性及结构面张开压力是该部位的勘察重点。一般采用钻孔高压压水试验方法作为勘察手段[3],并根据压水试验结果对围岩分担高内水压力的适应性进行评价,为高压管道衬砌形式选择提供地质资料。

3.1 高压压水试验

敦化抽水蓄能电站最大静水头795 m,在引水系统上斜段—中平段区域、下斜段—下平段区域、高压岔管—厂房区域等10孔内进行了高压压水试验。其中,引水系统上斜段—中平段区域的最大试验压力为6 MPa,其余地段最大试验压力为10 MPa,一般采用4个压力、分7个阶段完成,分别选取了在完整岩体、有隐裂隙发育、裂隙发育等不同构造发育的岩体类型中进行试验,每级压水时间为前阶段压力值下的渗流流量稳定30 min后进行下一压力级压水。在每个压水试验段位置进行了水力劈裂试验,实测出不同岩体类型的原位抗劈裂压力的临界值。

3.2 试验成果分析整理

根据钻孔高压压水试验成果资料分析整理P-Q曲线,由曲线特点判读每段压水试验曲线类型,并将试验结果按照试验段围岩类型归纳分析如下:①较完整的Ⅰ-Ⅱ类围岩洞段;②裂隙发育的Ⅲ类围岩洞段;③断层破碎带Ⅳ-Ⅴ类围岩洞段(表4)。

表4 各类围岩高压水作用下工程地质特性

从统计结果来看,完整的Ⅱ类围岩一般有较好的抗渗透破坏能力,抗劈裂值较好;裂隙发育的Ⅲ类围岩以及断层破碎带Ⅳ-Ⅴ类围岩洞段,结构面的力学性质等对岩体的抗渗抗劈裂能力为关键影响因素,当其力学性质为压性,充填密实、连通性差的结构面也可能具有较好抗渗性能,因此结构面发育的岩体其抗渗透破坏能力具有较大的不稳定性。

3.3 高压管道衬砌形式推荐

高压管道及岔管采用钢筋混凝土衬砌时,主要依靠围岩承担内水压力,因此需要围岩具有较好的完整性以及抗水力劈裂特性,并且需要同时满足以下几个条件:①管道线路布置要满足内水压力上台理论,即需要足够的上覆岩体以及侧向岩体覆盖厚度;②满足最小应力准则,即管道及岔管围岩初始最小主应力大于该处管道最大内水压力的1.2～1.5倍;③对于Ⅰ-Ⅱ类围岩,压水试验表明内水压力小于其抗劈裂压力值;对于Ⅲ类围岩应进行高压灌浆处理;对于Ⅳ-Ⅴ类围岩,需作置换处理。

从地应力测试成果分析,敦化高压管道围岩地应力值满足钢筋混凝土衬砌条件,但从高压压水试验成果来看,高压管道段岩体的渗透性具有较大的跳跃性,透水率值与结构面的性状及结构面贯通性有关。而结构面发育部位围岩的抗渗能力关系到整个高压管道的安全,虽然围岩破碎段可采取工程措施进行处理,但在高水头作用下管道围岩的稳定仍有较大的风险性。

钢板衬砌较混凝土衬砌对围岩有较好的适应性,且能降低裂隙岩体抗渗性能不确定性的风险,因此从稳妥和安全的角度出发,推荐敦化抽水蓄能电站高压管道选择采用钢板衬砌方案。

4 结语

敦化抽水蓄能电站已于2013年7月开工。目前,地下厂房及主变室均已完成了第一层中导洞的开挖工作,从揭露的地质条件来看,厂房及主变室围岩条件较好,岩体结构类型以块状—次块状结构为主,无较大结构面通过,整体围岩分类以Ⅱ类为主。

从实际开挖揭露的地质条件分析,厂房区未发现新的规模较大的断层、裂隙密集带及软弱夹层等通过,与可研阶段勘察结论一致,说明厂房部位的勘察工作及评价结论是客观准确的。

[1] 邱彬如,吕明治.抽水蓄能电站枢纽布置[C]//中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集:2011.北京:中国电力出版社,2011:89-96.

[2] 刘永峰,陈丹.敦化抽水蓄能电站地下厂房位置的选择[C]//中国水力发电工程学会电网调峰与抽水蓄能专业委员会.抽水蓄能电站工程建设文集:2013.北京:中国电力出版社,2013:109-114.

[3] 郭启良,安美其,丁立丰.高水头电站钻孔高压压水的作用和意义[C]//中国地震局地壳应力研究所.地壳构造与地壳应力文集:13.北京:地震出版社,2000:148-154.

(责任编辑：于继红)

Further Analysis of Investigation Emphases on Water Conveyance andPower Generation System of Dunhua Pumped Storage Power Station

LIU Yongfeng

(PowerchianBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

The investigation emphases on water conveyance and power generation system of Dunhua pumped storage power station are analyzed through reviewing the preliminary engineering geological investigation,which mainly including the selection of location and axis of the underground powerhouse,the stability analysis of surrounding rock of underground powerhouse cavern complex,the evaluation of ground stress and rock burst,the seepage characteristics for the surrounding rock of high pressure pipes and branch pipe sections,and the selection of lining pattern of high pressure pipeline.

engineering geology; investigation; high head; pumped storage power station; water conveyance and power generation system; underground powerhouse

2016-04-22;改回日期:2016-05-09

刘永峰(1983-),男,高级工程师,工程地质专业,从事大型抽水蓄能电站以及常规水电站地质勘察工作。E-mail:liuyf@bhidi.com

TV743; TV73

A

1671-1211(2016)03-0374-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.030

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.016.html 数字出版日期:2016-05-05 15:31