观音峡水电站引水隧洞围岩分类及工程地质问题处理

2018-03-01蒋碧媛

小水电 2018年1期

蒋碧媛，高文

(武汉志宏水利水电设计院，湖北武汉 430070)

1 工程概况

观音峡水电站为引水式电站，主要建筑物由翻板闸坝、引水隧洞及明渠、压力管道及电站厂区建筑物等4部分组成；其中，引水隧洞总长7.6 km，洞径2.6 m，洞顶围岩最大厚度342 m，最小厚度10 m；地质条件分别处于下三叠系下统嘉陵江组厚层含泥质灰岩、灰岩夹角砾状灰岩，岩石强度为中硬强度，围岩多为Ⅱ、Ⅲ类，少见Ⅴ类岩石，洞挖围岩地质条件较好。实际选择洞轴线走向与岩层走向夹角接近10°～20°。冲沟内各洞口进、出口段为岩层片理侧向边坡，成洞条件较好。

2 区域地质构造

梅子水流域位于鄂西恩施州利川市境内的齐岳山东麓，区内山峦叠翠，山势陡峻。工程区在燕山造山运动之后又经过了多次大面积间歇性上升，地貌成因受地层岩性和构造的控制；外营力以溶蚀作用为主，侵蚀次之。区内岩溶形态发育，形成碳酸盐岩地区溶洞、落水洞、石芽、洼地和溶槽等多种岩溶地貌；碎屑岩区以侵蚀、剥蚀为主，沟谷纵横交错，地形相对平缓；二者相间分布造就了区内多级夷平面与侵蚀沟谷相结合的地貌景观。

挽近期以来，本区处于不均匀的抬升过程中，河流深切，地势上西北和北部高，形成乌江与清江的分水岭；山顶高程一般在1 000～1 700 m之间，向西南方向地势渐次降低，郁江即顺南西方向发育；其中齐岳山之夹壁为区内最高峰，峰顶高程1 988.3 m。齐岳山与北侧福宝山、东南侧马黄山构成流域分水岭；最低处为郁江河床谷底，高程为350～580 m。

区内主要大的地貌有：溶蚀～构造剥蚀地貌、溶丘洼地、槽谷中低山溶蚀地貌、河谷侵蚀地貌及远离河谷地段保留的多级夷平面。

工程区位于属四川盆地分区的川东～利川小区，基底为前震旦系变质岩系，上层为震旦纪至白垩纪厚达万余米的巨厚层沉积岩系的沉积带。沉积岩地层间均表现为整合或假整合接触，晚侏罗世后区内沉积岩层发生强烈的褶皱和形成大规模断裂。出露地层主要有二叠系、三叠系、侏罗系和第四系。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2001)，本区地震动峰值加速度为0.05 g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，相应的地震基本烈度为Ⅵ度。

3 隧洞围岩工地地质分类

根据《中小型水利水电工程地质勘察规范》(SL 55—2005)中围岩工程地质分类表A.0.1关于坚硬岩的分类，参考《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)、《水力发电工程地质勘察规范》(GB 50287—2006)中的围岩分类标准，确定观音峡水电站隧洞围岩分类原则。以控制围岩稳定的岩石强度、岩体完整程度、结构面状态、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素之和的总评分为基本差别依据(见表1)。

表1 围岩总体评分分类表及其特性

3.1 桩号0+000～0+170段

0+000～0+030段为暗涵，0+030～0+170段为隧洞。本段岩性为三叠系嘉陵江组第四段，岩性主要为灰色厚层含泥质灰岩、灰岩夹角砾状灰岩，岩层产状145°∠6°～15°。岩层中节理裂隙不太发育，岩体完整性一般，无不利结构面组合，岩层呈层状结构。地下水位710～720 m，局部地段会遇到岩溶地下水，但水量不太大，洞室可见渗水。按《中小型水利水电工程地质勘察规范》隧洞围岩工程分类标准，该段隧洞围岩属Ⅱ类，围岩属基本稳定性岩体；设计洞径2.5 m，为无压隧洞，一般不需要衬砌支护。

根据《中小型水利水电工程地质勘察规范》各类围岩经验取值，Ⅱ类围岩主要物理力学参数：密度为2.60 g/cm3，岩体变形模量为15 GPa，无压隧洞单位弹性抗力系数为16～18 MPa/cm，坚固系数为7～8，泊松比为0.20～0.17，内摩擦角为42°～45°，凝聚力为2.5 MPa。

3.2 桩号0+170～6+043段

本段岩性为三叠系嘉陵江组第四段，岩性主要为灰色厚层含泥质灰岩、灰岩夹角砾状灰岩，岩层产状140°～150°∠15°～30°，洞线与岩层走向近于一致，与洞线夹角为10°～20°。岩层中节理裂隙发育，岩体完整性一般，但断层构造不发育，主要结构面间无不利组合；岩层呈层状结构，局部岩溶发育，有顺层溶蚀性溶隙、溶洞等，多充填泥质。地下水位670～710 m，局部地段会遇到岩溶裂隙地下水，但水量不太大，洞室可见渗水或小股明流，施工期加强预测预报，可以避免隧洞涌水发生。按《中小型水利水电工程地质勘察规范》隧洞围岩工程分类标准，该段隧洞围岩属Ⅲ类和Ⅴ类。

Ⅲ类围岩为局部稳定性差岩体，建议局部进行必要的支护，如喷锚支护，拱顶系统锚杆。Ⅲ类围岩主要物理力学参数：密度为2.40 g/cm3，岩体变形模量为8 GPa，无压隧洞单位弹性抗力系数为10～12 MPa/cm，坚固系数为4～6，泊松比为0.25～0.27，内摩擦角为36°～38°，凝聚力为1.2 MPa。

Ⅴ类围岩为稳定性差岩体，其主要特征是围岩由溶洞、夹泥带、断层破碎带、裂隙密集带和石膏软岩等组成。根据地质调查、三叠系嘉陵江组灰岩的特性和梅子水三级电站引水隧洞施工开挖情况，本段隧洞与梅子水三级电站引水隧洞同属齐岳山背斜南东翼，岩性为三叠系嘉陵江组厚层含泥质灰岩、灰岩夹角砾状灰岩；该灰岩溶洞、溶隙较发育，溶洞、溶隙中充填泥质及碎石，大的溶洞充填有块石，隧洞成洞条件很差，特别是溶洞夹泥带成洞条件更差，Ⅴ类围岩约占该段隧洞长度的20%左右。

建议设计对溶洞、夹泥带、断层破碎带、裂隙密集带和石膏软岩等地段围岩考虑临时支护措施。临时支护措施主要有钢拱架支衬、管棚支护、超前锚杆等，待围岩基本稳定后迅速进行二次支护或永久支护。施工期间开展施工期地质工作，对围岩稳定性进行地质预测预报，进一步提出合理处理措施；必要时对隧洞局部地段改线，避开不利地质条件段。

Ⅴ类围岩主要物理力学参数：密度为<2.10 g/cm3，岩体变形模量为≤0.5 GPa，无压隧洞单位弹性抗力系数为≤5 MPa/cm，坚固系数为1，泊松比为≥0.35，内摩擦角为≤30°，凝聚力为≤0.1 MPa。

3.3 桩号6+012～7+458.39段

本段岩性为三叠系嘉陵江组第四段，岩性主要为灰色厚层含泥质灰岩、灰岩夹角砾状灰岩，岩层产状135°∠30°～35°，洞线与岩层走向近于一致，与洞线夹角为10°。岩层中节理裂隙发育，岩体完整性一般，但断层构造不发育，主要结构面间无不利组合；岩层呈层状结构，局部岩溶发育，如顺层溶蚀性溶隙、溶洞时有发育，并充填泥质。桩号7+106跨猴子洞冲沟，沟底高程仅715 m左右，洞顶上覆围岩厚度为5 m，小于3倍洞径，厚度较小，建议明挖做暗涵。

该段属地下水补给区，地下水为岩溶裂隙水，地下水位低于隧洞底板，隧洞可见渗水现象，但不会发生涌水问题。按《中小型水利水电工程地质勘察规范》隧洞围岩工程分类标准，该段隧洞围岩属Ⅲ类局部稳定性差岩体，建议局部进行必要的支护，如喷锚支护，拱顶系统锚杆。

4 支护措施

电站引水隧洞地层为三叠系下统嘉陵组灰岩，0+000～0+030段为暗涵，0+030～0+170段为隧洞，隧洞围岩属Ⅱ类，围岩属基本稳定性岩体，设计洞径2.5 m，为无压隧洞，一般不需要衬砌支护。

0+170～7+458.39段岩性为三叠系嘉陵江组第四段灰岩，局部岩溶发育，有顺层溶蚀性溶隙、溶洞等，多充填泥质。该段隧洞围岩属Ⅲ类和Ⅴ类。

Ⅲ类围岩为局部稳定性差岩体，建议局部进行必要的支护，如喷锚支护，拱顶系统锚杆。

Ⅴ类围岩为稳定性差岩体，隧洞成洞条件很差，特别是溶洞夹泥带成洞条件更差。建议设计对溶洞、夹泥带、断层破碎带、裂隙密集带和石膏软岩等地段围岩考虑临时支护措施，临时支护措施主要有钢拱架支衬、管棚支护，超前锚杆等，待围岩基本稳定后迅速进行二次支护或永久支护。施工期间开展施工期地质工作，对围岩稳定性进行地质预测预报，进一步提出合理处理措施，必要时对隧洞局部地段改线，避开不利地质条件段。