响水涧抽水蓄能电站地下厂房位置选定和支护设计

响水涧抽水蓄能电站地下厂房位置选定和支护设计郑齐峰(华东勘测设计研究院杭州310014)[摘要]响水涧地下厂房位于上水库主坝右岸的山体内，采用首部式地下厂房布置方案。根据响水涧抽水蓄能电站地下厂房地质条件及枢纽布置要求，确定厂房位置和支护设计方法，通过观测成果，对地下厂房围岩稳定性进行评价。[关键词]响水涧抽水蓄能电站地下厂房厂房位置支护设计1地下厂房工程布置及地质条件1.1工程布置响水涧地下厂房布置在上水库主坝右岸的山体内，为微风化-新鲜中粗粒花岗岩，厂房上覆岩层厚度约150m~180m，输水系统和地下厂房布置采用为一洞一机竖井首部厂房方案，电站装有四台单机容量250MW的单级立轴混流可逆式水泵水轮机-发电电动机组，总装机容量为1000MW。地下厂房系统由主副厂房洞、主变洞、母线洞、500kV电缆出线洞、进厂交通洞、排水廊道、通风兼安全洞及地面开关站等建筑物组成。主副厂房（包括安装场）的开挖尺寸为175.0m×25.0m×55.7m（长×宽×高）。主厂房和主变洞平行排列布置，间距为35m，主变洞的开挖尺寸为167.0m×18.0m×20.8m~26.95m（长×宽×高）。厂房纵轴线方位为N30°E，它与地质结构面走向和地应力方向的交角较为有利。为缩减厂房宽度，纵轴与压力钢管进厂房的方向成60º交角，压力钢管斜向进入厂房。厂房设岩壁吊车梁。1.2工程地质条件响水涧输水系统及厂房围岩为中粗粒花岗岩（γ53(2)），暗紫或肉红色，岩石新鲜坚硬、完整，其中有后期侵入的闪长玢岩脉（δμ53（3）-13），宽度一般0.2～0.9m，新鲜、完整，与围岩呈侵入接触，胶结良好。据厂房附近钻孔资料统计，岩石质量指标RQD≥95%，属完整岩体。根据地质探洞PD7-1、PD7-2、PD7-3和钻孔揭露情况，厂房区主要断层破碎带有f36、f126、f129、F130、f141、f143、f144，宽度一般为0.03～0.30m，多数充填有角砾岩及岩屑。在探洞PD7揭露断层F14，宽度为0.4m，角砾岩砾之间以石英胶结，胶结良好。地下厂房区裂隙主要有3组，即①N65～75°E，NW∠80～90°；②N5～10°E，NW或SE∠85～90°；③N10～15°W，SW∠75～80°。尤以第①组较发育，裂隙面普遍充填钙质薄膜或高岭土膜，以及石英、方解石细脉，局部高岭土宽度达0.5～1cm；第①、②二组裂隙相互切割，延伸性均较好，延伸长度一般1～20m不等，密度一般为0.6～1.9条/m，局部达5～7条/m；第③组裂隙仅集中分布于PD7-3平洞洞深79～100段，平均密度为1～3条/m；厂房区缓倾角裂隙不发育。厂房区地下水位埋藏较浅，邻近长期观测孔ZK21的地下水位高程为176.85～184.22m，可研复核时其地下水位高程为174.58～175.78m，说明地下水位变化甚微。据探洞PD-1、PD-2、PD-3揭示的水文地质条件表明，岩石透水性微弱，基岩裂隙水仅沿少数裂隙渗、滴，水量极小。厂房围岩分类按照水电地下工程围岩分类法进行分类、并用巴顿Q系统法和比尼奥斯基方法（RMR）进行分类，地下厂房区围岩类别为II类。2地下厂房位置的选定地下厂房在输水线路上选择了三个位置，即首部、中部和尾部布置方案。由于响水涧上下水库之间水平距离较短，仅700m，首部、中部和尾部布置方案对厂房进厂交通洞、通风兼安全洞、施工支洞工程量和施工方法基本相同，仅500kV电缆出线洞工程量略有差别。首部布置方案厂房位置完全避开F13和F14断层，其中F13断层至主厂房洞处已尖灭，其他主要构造形迹表现为一些规模不大的断层破碎带及节理裂隙。为避免地质问题可能带来的隐患，地下厂房尤其是厂房洞应尽可能避开F14断层，推荐首部方案。3地下厂房轴线位置选定厂房区最大主应力值平均为9.79MPa，中间主应力值平均为6.24MPa，最小主应力值平均为3.86MPa，属中低应力区，其对厂房轴线选择影响小，最大主应力方向为N61°E。根据该部位地质条件分析，厂区岩石新鲜完整，无大的断层破碎带通过，具备修建大型地下洞室的工程地质条件，地应力对厂房轴线选择的影响小，其轴向选择主要考虑结构面的发育方向，厂房区节理发育优势面方向主要为①N65～75°E和②N5～10°E，且局部地段密集发育，相互切割，厂房轴线的选择应尽量取与结构面夹角较大的方向，而N30°E或N40°W为上述两组优势节理等分面方向，可考虑作为厂轴方向，二者与地应力最大主应力方向夹角分别为31°和79°。由于厂房区属中低应力区，对于高边墙、大跨度地下厂房，其轴线应尽量选择与结构面夹角较大的方向，厂房轴线选择N40°W布置是可行的，可使轴线与二组主要节理方向夹角最大。但由于响水涧输水系统布置方向是EW方向，厂房轴线N40°W与输水道夹角仅50°，偏小，势必造成输水道受扭。而厂房轴线选择N30°E方案是与优势结构面的等分方向，与地应力最大主应力方向夹角为31°，与输水道夹角为60°。从输水系统沿线的地形及枢纽布置来看，厂房轴线按N30°E布置可使枢纽布置平顺流畅，线路长度最短，也可使厂轴与输水道交角较大，因此，本工程选择N30°E厂房轴线方向。对于厂房纵轴线与NNE、NEE向两组裂隙交角较小，可能对高边墙和端墙稳定产生的不利影响，可以通过现场设计支护和提高施工质量等处理措施予以解决。地下厂房位置的选定见图1。4地下厂房围岩稳定分析对厂房顶拱，厂房部位缓倾角结构面不发育，结构面倾角大于75°，尤其是①、②二组较发育的裂隙倾角为80～90°，未形成严重威胁顶拱稳定的不利组合，顶拱围岩基本稳定；对于厂房边墙，厂房部位发育的第②组裂隙走向与厂房轴线交角仅为10~20°，当其倾向SE出现在上游边墙，倾向NW出现在下游边墙时，对边墙稳定会产生局部不良影响，断层部位及有蚀变现象部位岩体稳定性差，因此对局部不稳定体需进行锚固处理；对于厂房端墙，厂房区发育的三组陡倾角节理与端墙交角较大，对端墙的稳定无大的不利影响，但f138断层破碎带从南端墙的中部穿过，下盘岩体因厚度薄，受开挖爆破影响易松弛张开，产生掉块或超挖，需采取喷锚支护处理措施。5厂房支护设计地下厂房的锚喷支护设计以工程类比法为主，辅以有限元法评价论证其加固效果。在设计中采用《锚杆喷射混凝土支护技术规范》、《巴顿Q系统分类法》和《比尼奥斯基RMR法》，还参照了大量的国内外已建成和在建工程的支护参数，特别是刚刚投产建成且地质条件相近的桐柏、泰安、宝泉等抽水蓄能电站地下厂房成功的支护设计经验，进行综合分析研究。通过上述多种方法所得成果的互相验证，再结N30°E主变洞主副厂房附图1地下厂房位置的选定N图1地下厂房位置的选定合有限元计算成果的论证，选择比较合理的既经济又安全的支护参数。在施工过程中，加强现场监测，根据实际情况，调整支护参数。响水涧工程地下厂房主要洞室系统支护参数表见表1。表1响水涧工程地下厂房主要洞室系统支护参数表洞室名称及支护部位喷层锚杆类型（砂浆锚杆）直径@×@'长度备注cmmm主副厂房洞顶拱挂网、喷混凝土15mm，网筋φ6@20×20cmφ25/51.5.×1.54.5；6普通中空注浆锚杆φ27/61.5×1.08普通中空注浆锚杆拱座部位，3排边墙挂网、喷混凝土15mmφ281.5×1.58吊车梁以上随机挂网、喷混凝土10mm，网筋φ6@20×20cmφ251.5×46EL-59.35以上边墙φ281.5×48φ252.0×2.04.5EL-59.35以下边墙端墙喷混凝土10mmφ252.0×2.04.5梅花型布置主变洞顶拱挂网、喷混凝土12mm，网筋φ6@20×20cmφ25/51.5×1.54.5普通中空注浆锚杆φ25/51.5.×1.56普通中空注浆锚杆拱座部位，3排边墙随机挂网、喷混凝土10mmφ251.5×2.04.5纵轴线方向间距1.5m端墙喷混凝土10mmφ252.0×2.04.5梅花型布置1、主副厂房局部不稳定区以及岩梁加固处理：采用涨壳式预应力中空注浆锚杆Ф32/6，L=12m，T=120kN。2、交叉洞口锁口锚杆Ф28@1x1m，L=8m。6实际地质和围岩监测情况在地下厂房开挖后，根据已揭露的地质状况，地下厂房布置避开了F13、F14断层，节理、裂隙主要有三组：①N60～80°E，NW或SE∠75～90°；②N15～30°W，SW∠65～90°；③SN～N10°E，W或SE∠75～90°；其中①组较发育，节理面一般闭合，部分充填钙质薄膜或高岭土膜，石英脉、方解石细脉；缓倾角节理少量。缓倾角节理少量，短小。实际工程地质条件与勘探地质资料基本吻合，体现了地下厂房位置选择的经验与水平。地下厂房于09年8月开挖结束，根据2009年7月份提供观测资料分析，围岩变形小且已趋于收敛和稳定，主厂房顶拱最大变形为0.68mm，拱肩最大变形为5.2mm，边墙最大变形为16.77mm，围岩锚杆应力计除两个测点应力超量程外(分别为335.98MPa、432.55MPa)，最大应力为254MPa，多数锚杆应力计小于100MPa，响水涧地下厂房优化支护设计是成功和经济的。7结束语由于响水涧地下厂房围岩属中低应力区，其对厂房轴线选择影响小，厂房轴线选择应尽量使厂房纵轴线与主要结构面走向成较大夹角，同时兼顾次要构造面对洞室稳定的不利影响，因而厂房纵轴线如果选择N40°W更有利，其与结构面①N60～80°E和③SN～N10°E夹角较大。但是，响水涧上下水库间水平距离仅700m，较短，且输水系统布置为一洞一机，为EW向布置，若厂房纵轴线选择N40°W，厂房轴线与输水道夹角仅50°，偏小，势必造成输水道受扭，不但布置因难，投资和施工难度也必加大。所以，响水涧地下厂房综合了结构面、地应力和输水系统布置三个方面因素，厂房纵轴方位为N30°E是合适的。响水涧地下厂房的支护参照了大量的国内外已建成和在建工程的支护参数，在施工过程中，根据围岩监测情况，对局部支护参数进行调整或加固处理。总体上讲，地下厂房围岩变形小且已趋于收敛和稳定，支护是安全的，也是经济的。