山西省中部引黄工程地下泵站围岩稳定分析评价

2020-09-14郝永刚

水利建设与管理 2020年8期

郝永刚

(山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西太原 030024)

山西省中部引黄工程是山西省“十二五规划”大水网建设中的重要工程，规划年供水6.02亿m3。中部引黄工程包括取水工程和输水工程。输水工程线路全长约384km，其中隧洞长度约382km。地下泵站位于取水工程的末端、出水池下部的山体内。泵站装机容量96000kW，布置7台机组，水泵设计扬程200m。地下泵站埋深170～195m，开挖尺寸为123.3m×20.3m×37.9m(长×宽×高)。

1 地下泵站工程地质

1.1 基本地质条件

地下泵站位于保德县崔家愣村黄崖沟左岸山梁，该山梁走向S40°E，山梁顶部与黄崖沟沟底高差约150m。沟内中下部基岩出露，岸坡较陡，上部覆盖第四系及上第三系地层，山顶地形较平缓。

地下水类型主要有碎屑岩裂隙水和碳酸盐岩类岩溶裂隙水。碎屑岩裂隙水主要赋存于石炭系地层中，砂岩为相对含水层，泥页岩为相对隔水层，根据钻孔及抽水井水位观测资料，碎屑岩裂隙水水量很小，基本为干孔。碳酸盐岩类岩溶裂隙水含水层为灰岩，泥岩为相对隔水层。地下泵站地处天桥泉域排泄区，地下水整体由东向西流动，水力坡度为5‰。泵站处岩溶水水位高程834m，主要含水层为奥陶系中统上马家沟组灰岩，灰岩渗透系数32.7～34.9m/d，具强透水性，且具一定承压性。

1.2 岩石物理力学性质

地下泵站微风化岩石物理力学性质成果见表1。灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩为中硬岩，泥灰岩多为软岩—较软岩。新鲜泥岩超声波纵波波速值为4200m/s，新鲜灰岩超声波纵波波速值为5500m/s。

表1 地下泵站微化风岩石物理性质试验成果汇总

1.3 岩体完整性程度

岩体完整程度是围岩分类的主要因素。一般情况下，岩体完整程度划分指标见表2。

表2 岩体完整性程度划分

续表

随着钻孔摄影技术的发展，提出一种评价岩体完整性的新方法——RMDI法。选取泵站部位典型钻孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔内摄影成果，见图1，相应高程范围内的岩芯情况见图2。按RMDI法逐段统计岩体完整性指数，并与相应段内岩芯RQD值及声波资料进行对比，见表3。

图1 钻孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔内典型摄影图

图2 钻孔(ZK13DB-7)高程850～795m段孔内典型岩芯照片

表3 钻孔(ZK13DB-7)孔内摄影与相应段岩芯RQD值及声波资料对比

1.4 地下水状态

地下泵站处存在两层碳酸盐岩溶地下水。在区域岩溶地下水位之上的碳酸盐岩层中，存在多层泥灰岩、白云岩等相对隔水层。一定条件之下，也可能滞留一部分地下水，形成碳酸盐岩类裂隙岩溶层间水，这些层间地下水分布范围不大，水量一般不稳定。隧洞开挖时，也可能引起涌水、突水，但持续时间不会太长。上层岩溶水水位高程913m左右，奥陶系中统峰峰组下段泥灰岩、角砾状泥灰岩为相对隔水层。下层岩溶水水位高程834m左右，主要含水层为奥陶系中统上马家沟组灰岩，具有一定承压性。该段处于天桥泉域排泄区，水的来源丰富。地下泵站范围内钻孔未发现有大的溶洞、断裂，主要结构面为层面及高倾角裂隙，发育程度轻度—中等，局部结构面处存在溶蚀现象。岩溶水水位高于开挖面30m左右，分析地下水状态主要为线状流水。经估算地下泵站厂房降水至开挖底高程以下0.5m时，影响半径达1860.9m，基坑涌水量约33000～36000m3/d。施工及运行时，均存在地下水影响，且可能对泉域内水源地的供水量产生影响。建议采取适当的封堵措施进行处理，再进行开挖。对于灰岩洞段外水压力折减系数取0.7，泥灰岩洞段外水压力折减系数取0.3。

1.5 主要结构面状态及产状修正

地下泵站范围内主要结构面为层面、节理裂隙。岩层近水平分布，产状为N25°W/SW∠2°～6°，地表调查发育三组高倾角裂隙：ⓐN75°E/NW或SE∠80°，裂隙面平直，宽1～3mm，充填，延伸一般3～5m，裂隙间距0.5～1m；ⓑN25°W/NE或SW∠70°，裂隙面较粗糙，宽度0.5～2mm，有少量泥质充填，裂隙间距1.2～3m；ⓒN65°W/NE或SW∠73°，裂隙面较粗糙，宽度0.5～2mm，有少量泥质充填，裂隙间距为1.2～3m。此外，据泵站范围内钻孔摄像成果，对地下泵站高程795～850m范围内进行裂隙统计，岩层层面多闭合，局部张开，沿层面有溶蚀现象，孔壁发育三组高倾角裂隙，产状同地表接近，垂直向上裂隙间距多大于3m。

对于围岩工程地质分类来说，结构面状态是指地下洞室某一洞段内比较发育的、强度最弱的结构面的状态，包括宽度、充填物、起伏粗糙和延伸长度等情况。产状修正所考虑的主要结构面是对地下工程岩体稳定影响大、起着控制作用的结构面。包括其产状、发育程度及结合程度等因素。

对规模较大的地下泵站来说，一般要对边墙、端墙及顶拱分别进行围岩分类及稳定性评价。对本工程而言，对边墙、端墙稳定起控制作用的主要为与之夹角较小且倾向临空面的陡倾角结构面；对顶拱起主要控制作用的是缓倾角结构面。

1.6 地应力

泵站处ZK13DB-1钻孔水压致裂法地应力测量成果见表4。地下泵站埋深范围内以水平主应力σH为主，水平主应力随深度而增加，高程840.0m以下水平主应力随深度增加幅度变小，主要与地下泵站所处地形位置有关。地下泵站开挖范围处于高程800～841m之间，依据表4测量成果，采用插值法计算地下泵站开挖范围内最大水平主应力σH为11.56～11.70MPa，最小水平主应力σh为5.98～6.17MPa，垂直主应力σv为4.63～5.63MPa。最大水平主应力方向为NE30°。

表4 ZK13DB-1孔水压致裂地应力测量结果

岩体初始应力分级采用最大主应力(σH)、岩石强度应力比(R/σH)两个指标进行。其中R为岩石单轴饱和抗压强度，计算得灰岩强度应力比值为5.10～5.16，泥灰岩强度应力比值为1.54～1.56。从最大主应力量级来看，区内属中等应力；从岩石强度应力值来看，灰岩为中等地应力，泥岩为极高地应力。

2 地下泵站位置选择及长轴方向确定

地下洞室的位置和轴向选择直接关系到其运行条件、围岩稳定性、支护形式及施工安全，也是影响地下洞室工程量及其造价的主要因素，甚至关系到工程的成败。

结合工程建设进展情况，积极开展质量监督巡查工作，每年年初制定工作计划，邀请有关领导和专家组成巡查组，对监督的在建大中型工程，开展1至2次全面的质量监督巡查工作，对巡查发现的问题及时提出质量监督巡查通报，分年度有侧重地对混凝土、金属结构以及土方等专项施工重要节点开展巡查。

2.1 位置选择

本工程地下泵站跨度较大(长约123m，宽约20.3m，高约37.9m)，由运行条件确定地下泵站底板开挖高程为802.6m，顶拱开挖高程在841.0m附近。其位置选择关系到围岩条件的优劣以及施工的难易程度。场地内水文地质条件为：灰岩段内主要溶蚀现象为溶孔溶隙，考虑地形、岩性、结构面发育及其岩体完整程度等因素，地下泵站位于黄崖沟左岸山梁，该山梁走向S40°E，山梁顶部与黄崖沟沟底高差约150m；地下泵站应尽可能向山梁中部布置，保证围岩有足够的厚度。场地东南侧发育F1正断层，产状N50°W/SW∠75°，断层带宽3～5m，断距60～70m，断层影响带宽约50m，受断层影响，地下泵站要避开断层影响带。

地下泵站开挖范围内上部为峰峰组下段第一岩组(O2f1-1)泥灰岩、泥质白云岩，该层底板高程分布在829.5～847m，顶板高程多在842.8～861.8m，厚度变化范围5.5～18.7m。其下为上马家沟上段(O2s3)厚层灰岩夹薄层泥灰岩。开挖范围内岩体为微风化状态。灰岩为中硬—坚硬岩，泥灰岩多为软岩。区内岩溶地下水位埋深835m，局部存在上层滞水。根据平面及空间上岩层产状、岩性分布及岩体完整程度，选取了相对有利于围岩稳定的地段，确定地下泵站位置。

2.2 长轴方向确定

其长轴方向确定对洞室稳定至关重要。长轴方向的确定主要考虑其与岩体最大主应力方向及岩体优势结构面走向之间的夹角。一般情况下，对于初始应力场级别为高地应或极高地应力时，地应力状态是厂房轴线方向选择的重要因素，地应力在以水平主应力为主时，最大水平主应力方向与地下洞室长轴方向夹角越小，越有利于地下洞室的稳定。地下泵站处最大水平主应力σH为11.56～11.70MPa，最大水平主应力优势方向为NE24～30。相对泥灰岩来说，区内为极高地应力。地下泵站长轴方向要尽量与最大水平主应力方向平行。对于灰岩来说，为中等地应力，优势结构面对地下泵站长轴线选择更重要，优势结构面与长轴夹角较大时，对厂房地下围岩的稳定有利。岩层产N25°W/SW∠2°～6°。岩体优势结构面方向为N50°W。

综合考虑地应力和结构面等因素，确定地下泵站长轴方向为N24°E。轴线与最大水平主应力近平行，与主要优势结构面呈大角度相交，对围岩稳定有利。

3 地下泵站围岩工程地质分类

围岩分类是对地下岩体工程地质特性进行综合分析、概括和评价的方法，是许多地下工程的设计、施工和运行经验的总结，故分类的实质是广义的工程地质类比。影响围岩质量和稳定性的因素不外乎地质因素和工程因素两类，地质因素主要包括岩体的强度，岩体的结构和完整程度、结构面状态，地下水状态，初始地应力状态等。工程因素主要包括洞室的轴线方向，断面形状及尺寸以及施工开挖方法、爆破方式等。

围岩分类的方法有很多种，本文主要选用《水利水电工程地质勘察规范》(GB 50487—2008)、国标BQ《工程岩体分级标准》(GB 50218—2014)、RMR法进行分类和对比。

3.1 GB 50487—2008围岩分类

地下水泵站灰岩、泥质灰岩、泥质白云岩为中硬岩，泥灰岩多为软岩—较软岩，岩体完整程度为较完整。主要结构面呈微张—闭合状，泥灰岩中多泥质充填，灰岩中多无充填，一般延伸3～5m。顶拱泥灰岩位于岩溶地下水水位以上，仅受上层滞水影响，呈渗水或滴水状，边墙多位于岩溶地下水位以下，呈流水状。地下泵站长轴方向N24°E，岩层近水平，影响上、下游边墙稳定的主要结构面为第②组，产状N25°W/NE或SW∠70°，与下、上游边墙成49°相交；影响端墙稳定的主要结构面为第③组，产状N65°W/NE或SW∠73°，与端墙近平行；影响顶拱稳定的主要结构面为层面。强度应力比值灰岩为5.10～5.16，泥灰岩为1.54～1.56。

依据上述条件，地下泵站围岩分类见表5。地下泵站泥灰岩段为Ⅴ类围岩，灰岩段为Ⅲ类围岩。

表5 地下泵站围岩工程地质分类(GB 50487—2008法)

3.2 国标BQ方法地下工程岩体分级

国标BQ法工程岩体质量分级分两步进行，第一步为岩体基本质量分级，依据岩石的坚硬程度和岩体的完整程度两个基本参数确定岩体基本质量 BQ值，对岩体进行初步分级。第二步为工程岩体详细定级，考虑地下水状态、岩体初始应力状态、结构面的方向和组合等因素，对岩体的基本质量BQ值进行修正得到[BQ]值，进行详细定级见表6。

表6 地下泵站岩体质量分级(国标BQ方法)

3.3 RMR分类

RMR分类是1973年由Bieniawski提岀的，主要用于隧洞等地下洞室围岩分类。RMR值计算主要考虑岩石单轴抗压强度、岩石质量指标(RQD)、结构面间距、结构面状况、地下水状态、结构面方位等六个方面因素。结构面节理裂间距大于2m，层面0.5～2m；主要结构面呈微张—闭合状，泥灰岩中多泥质充填，灰岩中多无充填，结构面多平直粗糙，风化程度为微风化；地下泵站顶拱及上部泥灰岩节理水压力与最大主应力比值小于0.10，地下水状态为潮湿状，下部灰岩泥灰岩节理水压力与最大主应力比值取0.30，地下水状态为淋水状；影响上、下游边墙稳定的主要结构面为第②组，产状N25°W/NE或SW∠70°，与下、上游边墙成49°相交，存在逆倾向开挖，结工程影响的评价为较好；影响端墙稳定的主要结构面为第③组，产状N65°W/NE或SW∠73°，与端墙近平行，对工程影响的评价为很不利；影响顶拱稳定的主要结构面为层面，对工程影响的评价为较好。RMR值见表7。地下泵站顶拱泥灰岩为Ⅳ类岩体，边墙及端墙岩体为Ⅲ类岩体。

表7 地下泵站岩体RMR分类

3.4 分类评价及对比

上述三种分类方法分类结果及岩体评价见表8。GB 50487—2008法与国标BQ方法围岩分类一致，将地下泵站泥灰岩段划分为Ⅴ类围岩，灰岩段划分为Ⅲ类围岩；RMR法与上述两种规范方法划分类型主要区别在于对泥灰岩段的划分上，RMR法将边墙段泥灰岩划分Ⅲ类围岩，将顶拱泥灰岩划为Ⅳ类围岩。分析认为，对本工程地下泵站围岩来说，GB 50487—2008法和国标BQ方法分类更趋合理，地下泵站跨度较大，泥灰岩易风化及软化，且从强度应力比值看，为高地应力区，不稳定。RMR法分类未考虑地应力影响，对埋深较大的较软岩围岩分类有一定局限性。建议的围岩物理力学参数见表9。

表8 三种分类方法分类结果及岩体质量评价

表9 围岩物理力学指标建议值

4 围岩稳定评价及建议

4.1 硬质岩

地下泵站处硬质岩主要为灰岩，分布于地下泵站中下部，强度应力比值5.10～9.68，属低—中等地应力，围岩类别为Ⅲ类，围岩稳定主要受结构面控制。

上、下游边墙走向N24°E，岩层近水平发育，三组陡倾角节理裂隙与上游边墙成49°～56°相交，整体稳定性较好。左、右侧端墙走向N66°W，其中第③组陡倾角裂隙走向与端墙走向近平行，且存在倾向临空一侧的裂隙，稳定性差。需视分布情况采取喷锚支护进行加固。此外，地下泵站岩溶地下水位较高，水量丰富，开挖时存在较高的静、动水压力，施工期和运行期均存在大量围岩渗水的问题。建议对地下泵站四周采用帷幕灌浆的方式将地下水封闭后，再对厂房进行开挖。

4.2 软质岩

地下泵站处软质岩主要为泥灰岩，分布于地下泵站顶拱及上部，强度应力比值1.56～3.01，属高—极高地应力，围岩类别为Ⅴ类。围岩破坏主要以塑形变形为主。泥灰岩岩性较软，易风化，在地下水的作用下易软化，洞室稳定性极差。建议开挖前，对顶拱分布的泥灰岩层采用高压固结灌浆进行处理，提高该岩层的强度和整体性；并在开挖后及时采用格栅钢架和喷锚支护措施对开挖面进行封闭，防止其在空气中暴露时间过长；随后及时进行施工厂房顶拱的钢筋混凝土衬砌，并用锚索将衬砌与围岩拉结为一体，防止围岩变形过大。