抽蓄电站地下厂房位置与轴线选择的设计思路

刘寅 冯飞

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安710065）

1 概述

本文所涉及抽蓄电站输水线路总长度为3178m，距高比为6.00。地下厂房系统采用中部偏尾部式布置方式。电站单机容量为300MW，装机台数为4 台，总装机容量为1200MW，采用立轴单级混流可逆式蓄能机组。地下厂房洞室群由主厂房、母线洞、主变洞、220kV 电缆出线洞、尾闸洞、进厂交通洞、通风兼安全洞、排水廊道、排风排烟竖井及施工支洞等组成。主厂房洞的开挖尺寸为173.5m×24.3m×56.30m（长×宽×高）。

2 工程地质条件

地下厂房布置于上坝线以上230m 的左岸山体内，与主变室和尾闸室呈平行布置，地下厂房洞距离坡外约870m，地下厂房上覆岩体厚度396m～486m，水平埋深约710m，深埋地下。根据地面测绘及平硐编录资料，主厂房及主变室位置地层岩性为微新花岗岩，岩体呈弱～微风化。地下厂房部位断裂构造不发育，岩体完整性好，硐室围岩稳定，以Ⅲ类围岩为主，少量Ⅱ类。

地下厂房处于地下水位以下，地下水位高程约1825m～1835m，高于顶拱约135m～145m。地下水为基岩裂隙水，主要赋存在断层带及裂隙密集带部位。地下水活动可能较强，主要呈滴水或线状流水，断层带集中性涌水现象可能较多。同时，下水库蓄水后，也可能存在向地下厂房的渗漏的问题。

主要发育的裂隙有三组：①组走向NE80°～NW280°，倾向SE/NE，高倾角为主，一般70°～85°，较发育，一般宽20cm～30cm，面较平直、较光滑，充填碎裂岩、岩粉、泥质等，代表断层为f31、f32、f41 等；②组走向NW310°～330°，倾向NE/SW，中陡倾角为主，一般30°～75°，发育，个别规模相对较大，一般宽1cm～5cm，充填碎裂岩、断层泥等；③组走向NE60°～NE80°，倾向SE，中陡倾角为主，一般50°～90°，较发育，宽度小于1cm，面较平直、较光滑，充填碎裂岩、断层泥等。同时发育多组节理，延伸较短，但分布较广。走向多与层面平行或垂直，发育间距0.5m～4cm，倾角一般25°～40°，部分陡倾。岩体总体较完整，呈中厚层～次块状结构，局部断层影响带、节理密集带碎裂状结构。

根据钻孔及平硐资料，未发现高地应力造成的饼状岩芯和探硐岩爆现象，初步判断工程区地应力水平属低～中等水平。厂房部位上覆岩体厚度396m～486m，按岩体厚度和密度2.6g/cm3计，岩体自重应力σh=12.7MPa～14.0MPa，属中等应力水平。

图1 地下厂房断裂等密度图

3 地下厂房位置及轴线选择原则

地下厂房在选定的中部偏尾部开发方案的基础上，结合厂房区地质条件及输水发电系统布置，进一步优选厂房位置及轴线方向。厂房位置及轴线方向选择时主要遵循以下原则：

（1）厂房洞室群和引水高压岔管应尽量置于围岩稳定的Ⅱ类、Ⅲ类围岩内；避开区域性大的断裂及规模较大的断层破碎带。

（2）厂房埋深不宜过大，避免产生过高的地应力。

（3）厂房轴线方向与主要结构面走向应构成较大的夹角。

（4）在高地应力区，厂房洞室纵轴线与最大主应力水平投影方向的夹角宜采用较小的角度。

（5）洞室群离库岸应预留足够的距离以满足防渗及枢纽建筑物的布置要求。

（6）在地质条件允许的情况下，厂房位置、洞室纵轴线方选择应兼顾输水发电系统布置，使工程总体布置合理、顺畅。

4 地下厂房位置选择

本抽蓄电站输水发电系统整体岩性划分明显，以A 大断裂为分界，上游均为花岗岩，岩体总体较完整，呈中厚层～次块状结构，断层裂隙较发育，单规模均较小，成洞条件较好，A 大断裂断裂下游岩性为二迭系砂岩泥岩，总体较差，不利于大型洞室的稳定A 大断裂上游侧花岗岩结构面不发育，三组结构面宽度均较小，部分为短小断续延伸的硬性结构面，对厂房稳定性影响有限，不控制厂房位置的选择。因此本工程厂房洞群布置选择避开A大断裂，将厂房洞室群布置于花岗岩区内，并且考虑进场交通、通风、运行管理等因素，厂房位置尽量靠近下库库岸。

选定主厂房位置位于A 大断裂影响带上游200m，距下库进出水口约800m，避开了上游砂岩条带以及下游A 大断裂的影响，并缩短了辅助洞室的长度，根据地面地质测绘及平硐勘探结果，选定厂房位置部位出露岩性为较坚硬的花岗岩，岩体呈弱～微风化，断裂构造少发育，岩体较完整，呈块状～次块状结构，局部断层影响带、节理密集带为碎裂状结构。地下厂房围岩以Ⅲ类围岩，主要是以Ⅲ1 类围岩为主，成洞条件较好。

5 地下厂房轴线选择

在拟定地下厂房轴线时，一般认为，轴线应尽量平行最大主应力方向或呈小角度斜交，与主要结构面走向呈较大夹角，这样对顶拱、边墙稳定有利。同时轴线应满足各枢纽建筑物的布置协调和运行要求。

从区域构造应力场看，根据钻孔、平硐资料及地应力试验结论，工程区地应力水平属低～中等水平，区域构造主应力场方位为NE35°，1100m 深处的花岗岩探硐也未见明显的高地应力现象，总体来说地应力方位对厂轴线选择无控制性影响。但按厂房轴线选择原则考虑，厂房轴线优先选择与主应力方向NE35°一致或呈小角度（小于10°）相交，厂房轴线宜为NE25°～NE45°

从结构面发育情况看，地下厂房洞室群的主要结构面最发育的有三组（工程地质条件中已详细阐述），三组结构面规模均不大，对地下洞室围岩稳定性影响较小。其中第③组结构面部分为短小且断续延伸的硬性结构面，对洞室稳定影响最小。因此厂区内结构面虽总体不控制厂房轴线的选择，但按厂房轴线选择原则考虑，厂房轴线选择宜与①组走向NE80°～NW280°结构面以及②组走向NW310°～330°结构面大角度相交（大于45°），厂房轴线宜为NE15°～NE35°。

因此厂房轴线方向在兼顾结构面和地应力方位，同时考虑与输水线路布置相协调，便于于机电设备的布置等因素，优先考虑采用斜进厂方式。斜进厂方向与厂房轴线的夹角初选为60°～80°范围，对应厂房轴线范围为NE20°～NE40°。

图2 厂房轴线与结构面走向以及地应力主应力方向相互关系

为更好的优选出合适的厂房轴线，可以在上述斜进厂与厂房轴线夹角的合理范围内对厂房轴线进行敏感性分析。轴线方向的调整对地下厂房三维整体稳定性计算结果（位移、应力、塑性区等）影响不大，而是通过断层与地下厂房相对位置改变，从而导致块体的形状、大小和位置均发生变化，使地下厂房围岩的局部稳定性存在差异。因此块体稳定性问题是轴线方向优选的主要依据。

根据敏感性分析计算的结果，对块体可能出露的位置、大小、安全系数综合比较，表明当厂房轴线方向为NE30°时，三大洞室的块体体积小于其他两种方案，块体稳定系数较大，最终采用厂房轴线方向为NE30°。

6 结论

本文涉及抽蓄电站的地下厂房地质条件较为鲜明，岩性划分比较有特点。综合考虑实际地质条件，包括地质岩性、地应力情况，结构面发育情况，以及结合水工布置条件，确定了地下厂房的较佳位置和较佳轴线方向，为结合地质条件判定抽蓄电站地下厂房位置与轴线选择提供了设计思路。下一步将在现有的工作基础上，根据世界开挖所揭露的地质条件和监测分析成果，进一步完善支护设计参数。