巴基斯坦某水电站深埋长隧洞围岩地质参数论证分析

刘向飞, 张学东, 衣雪峰, 胡剑锋

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

巴基斯坦某水电站深埋长隧洞围岩地质参数论证分析

刘向飞, 张学东, 衣雪峰, 胡剑锋

(中水北方勘测设计研究有限责任公司,天津 300222)

深埋长隧洞是水电工程设计中常见的建筑物形式,在整个工程的设计及施工中占据重要的地位,在勘察工作中,关于隧洞相关地质参数的正确选取关系到能够进行最优化的设计以及施工阶段顺利组织施工。以巴基斯坦某水电站深埋长隧洞为例,根据室内岩石物理力学试验数据,使用霍克—布朗准则推求岩体力学参数,并结合临近N-J水电站工程隧洞段所采用的围岩地质参数进行对比分析,综合确定适用于拟建工程的围岩地质参数。

深埋长隧洞;地质参数;霍克—布朗准则

拟建水电站工程位于巴基斯坦北部山区,采用引水式发电,设计水头316 m,引水流量420 m3/s,隧洞样式为平行双洞,断面呈圆形,直径8.5 m,长度17 900 m,隧洞埋深多为300～1 000 m,最大埋深为1 150 m,属于深埋长隧洞[1]。

深埋长隧洞的设计是本工程的关键,为此采用霍克—布朗准则、现行水电规范法及工程类比法综合分析,最终给出隧洞围岩地质参数建议值。

1 基本工程地质条件

1.1 地层岩性

隧洞穿越地区地层为第三系中新统Murree组和Kamlial组基岩地层,岩性主要以砂岩、粉砂岩和泥质粉砂岩及泥岩、劈理化泥岩为主。根据岩石的颜色、颗粒组成、粒径大小、强度和工程性状等的不同指标,将2种典型砂岩分为砂岩(SS1)和粉砂岩、泥质粉砂岩(SS2)。该地区岩性组成多以砂岩(SS1)与粉砂岩、泥质粉砂岩(SS2)和泥岩(M)构成一个沉积韵律,Murree组和Kamlial组地层都是以多个这样的沉积韵律形成。

1.2 地质构造

隧洞沿线为一系列的背斜和向斜交替发育,岩层总体走向为北西320°～330°,倾向NE或SW,以中等倾角为主。由于该区构造运动发育,绝大部分岩层间发生过剪切滑动。在SS1砂岩和SS2砂岩中的节理主要为中等发育,局部密集发育。

1.3 水文地质

隧洞穿越部位地下水类型主要为浅层基岩裂隙潜水、深层基岩裂隙潜水及承压水。浅层基岩裂隙潜水以大气降水渗入补给为主,主要赋存于基岩卸荷带—弱风化带上限范围内;深层基岩裂隙潜水以浅层基岩裂隙水及地表径流渗入补给为主,多赋存于向斜等大的储水构造中,可造成深埋隧洞开挖过程中突、涌水等较大的工程危害。承压水经过初步勘察发现存在着向斜构造承压水、单斜构造承压水、断层带承压水及块状岩体中的承压水等,这些承压水的水头往往较高,含水层多属于裂隙含水层。

1.4 地应力

在隧洞沿线进行了3个钻孔的地应力测试工作,三个钻孔的测量结果均表明最大水平主应力占主导地位,该工程区的水平构造作用明显。综合分析,主导应力状态应为SH>Sh>SV(SH为最大水平主应力,Sh为最小水平主应力,SV为垂直主应力)。

三个钻孔实测所得到的测区最大水平主应力方向为北东70.3°～89°。根据隧洞沿线的地应力预测,最大水平主应力为56.70 MPa(埋深约1 150 m)。

1.5 岩石物理力学性质

根据室内试验结果统计,得到的各项物理力学指标见表1。

表1 岩石物理力学指标统计表Table 1 Statistical tables of the rock physical mechanics indexes

注:泥岩具有失水崩解和饱和状态下泥化现象。

2 隧洞围岩地质参数论证

2.1 根据霍克—布朗准则推求岩体力学参数

由霍克及霍克、凯撒和宝登提出的地质强度指标提供了一种评价在不同地质条件下岩体强度降低的方法[2-3],利用霍克—布朗的Rocklab软件,根据岩块的试验成果和岩体的GSI值(Geological Strength Index,地质强度指标)等信息大致推求岩体的力学参数。

推求过程中所需要的主要参数有岩块单轴抗压强度(σci)、岩块变形模量(Ei)、岩石材料常数(mi)、开挖扰动系数(D)和地质强度指标(GSI)。拟建工程中所采用的参数值见表2。

表2 霍克—布朗输入参数取值Table 2 Hock-Brown parameters

利用地质强度指标(GSI)对岩体进行描述,GSI取值可以根据岩体结构和结构面性状确定,根据地质测绘及沿线钻孔揭露情况,针对输水隧洞围岩岩体、岩层厚度、岩体中节理组的数量和发育频率,发现岩体结构多为中厚层—厚层结构,属于“块状”或“碎块状”结构,结构面多闭合、微风化—新鲜,性状多为“好”—“一般”,属于Ⅱ-Ⅲ类围岩,地质强度指标GSI可取45～75。部分段由于受紧闭褶皱或断层影响,为镶嵌结构—块裂结构,属于“块状/扰动/咬合”或“碎裂体”结构,结构面多闭合,性状多为“一般”,局部有泥质充填物,一般为Ⅳ类围岩,地质强度指标GSI可取25～35。对于糜棱化的泥质粉砂岩,为碎裂结构,对应于“糜棱状/经受过剪切”结构,地质强度指标GSI取5～20。

根据GSI值和开挖扰动系数D计算霍克—布朗参数mb、s、a[4],计算公式分别为:

(1)

(2)

(3)

(4)

σc=σcisa

(5)

(6)

根据Ei、GSI值和D计算岩体模量Erm,公式如下:

(7)

(8)

(9)

计算不同埋深下,当隧洞围岩达到临界破坏状态时,岩体有效内摩擦角和有效凝聚力:

(10)

(11)

通过以上公式,计算可得到深度1 100 m处典型Ⅲ类围岩在钻爆法开挖情况下的岩体参数(见表3)。

2.2 根据现行水电规范法确定岩体力学参数

根据《水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规范》[5]给出的各类围岩主要物理力学参数经验取值,见表4。

2.3 工程类比法

附近在建N-J水电工程隧洞段距离拟建隧洞距离约5～12 km,地质构造、岩性等工程地质条件类似,2014年—2015年,中国科学院地质与地球物理研究所对N-J工程隧洞(TBM开挖段)围岩取样进行了系统研究。给出四种不同岩性的岩样力学建议值,见表5。

表3 霍克—布朗准则推求拟建工程岩体力学参数结果Table 3 Rock mechanical parameters fitted by Hock-Brown criterion

表4 各类围岩主要物理力学参数经验取值Table 4 Empirical values of main physical mechanics parameters for surrounding rock

采用霍克—布朗准则推求N-J工程引水隧洞段的岩体力学参数见表6(深度1 100 m处典型Ⅲ类围岩)。

2.4 综合分析

根据以上分析综合确定隧洞地下洞室的岩石(体)物理力学指标建议值,见表7。

3 结论

由于受试验条件、计算公式及边界条件的影响,根据室内岩石试验、原位试验成果,采用霍克—布朗准则推算出的隧洞不同埋深段岩体的力学参数分析结果与现行水电规范法给出的各类围岩主要物理力学参数经验值部分参数存在较大差异,但采用霍克—布朗准则推算隧洞不同埋深位置的岩体力学参数这一特点对于工程设计具有更强的实际意义,而在此基础上参考临近水电工程使用工程类比法综合分析可以进一步可靠地确定隧洞各类围岩的地质参数。

表5 N-J项目TBM施工段不同岩性力学参数统计值及建议值Table 5 Actual and suggested values for various rock mechanical parameters at TBM construction in N-J project

表6 霍克—布朗准则推求N-J工程岩体力学参数结果Table 6 Rock mechanical values derived from Hock-Brown criterion

表7 拟建工程隧洞段各类围岩指标建议值Table 7 Suggested values of surrounding rock indexes at the tunnel in the proposed project

[1] 中华人民共和国住房与城乡建设部. 水利水电工程地质勘察规范:GB 50487—2008[S].北京:中国计划出版社,2009.

[2] Evert Hoek.实用岩石工程技术[M].郑州：黄河水利出版社,2002.

[3] E.Hoek,P.K.Kaiser,W.F.Bawden.Support of underground excavations in hard rock[M].Rotterdam,Netherlands:A.A.Balkema,1995.

[4] 黄达,黄润秋,张永兴.基于改进GSI体系确定三峡地下厂房围岩等效变形模量及强度[J].地球科学——中国地质大学学报,2009,34(6):1031-1032.

[5] 中华人民共和国国家能源局.水电水利工程地下建筑物工程地质勘察技术规范:DL/T 5415—2009[S].北京:中国电力出版社,2009.

(责任编辑：费雯丽)

Demonstration Analysis of Geological Parameters of Surrounding Rock inDeep-lying Tunnel of a Hydropower Station in Pakistan

LIU Xiangfei, ZHANG Xuedong, YI Xuefeng, HU Jianfeng

(BeiFangInvestigation,Design&ResearchCo.Ltd,TianjinChina300222)

The deep-lying tunnel,a common form in hydropower engineering design,occupies an important position in the design and construction of the whole project. During the investigation,a correct selection of relevant geological parameters is the key to realize optimum design and smooth construction. Using the deep-lying tunnel of a hydropower station in Pakistan as an example,Hock-Brown criterion is developed for calculating rock mechanical parameter according to the experimental results of the rock physical mechanics. Then,comparisons with geotechnical parameters of the tunnel in the adjacent N-J hydropower project synthetically determine geotechnical parameters of surrounding rock at the tunnel in the proposed project.

deep-lying tunnel; geological parameters; Hock-Brown criterion

2017-06-05;改回日期:2017-06-22

刘向飞(1986-),男,工程师,硕士,地质工程专业,从事水利水电、岩土工程勘察工作。E-mail:gdfyhao@163.com

TV554

A

1671-1211(2017)04-0420-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.015

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1344.030.html 数字出版日期:2017-06-20 13:44