荒沟抽水蓄能电站深埋地下厂房位置研究

刘录君, 田作印, 郑以宝, 季 聪, 杨宗玲

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

荒沟抽水蓄能电站深埋地下厂房位置研究

刘录君, 田作印, 郑以宝, 季 聪, 杨宗玲

(中水东北勘测设计研究有限责任公司,吉林 长春 130021)

抽水蓄能电站大跨度深埋地下厂房位置的选定关系到工程设计方案科学、合理的重要问题。采用科学的工程地质勘察手段,查明厂房区工程地质条件是关系到地下厂房设计方案成立的重要工作。通过取得的工程地质资料客观评价地下厂房工程地质条件,对地下厂房位置比选及厂房轴线方向确定起到决定性作用。

地下厂房;深埋;地应力;工程地质勘察

荒沟抽水蓄能电站位于黑龙江省海林市境内,距牡丹江市约130 km,距莲花水电站约45 km。该电站系以三道河右岸的山间洼地作为上水库,正常蓄水位652.50 m,已建的莲花水库作为下水库,正常蓄水位218.00 m。电站装机1 200 MW,是一座大型水电站。其枢纽建筑物主要由上水库挡水主坝、库尾垭口挡水副坝、输水隧洞、上下游调压井和中部地下厂房等组成。

该电站地下厂房布置于输水隧洞中部的山体内,埋深达300～310 m。长150.5 m,宽24 m,高53.4 m。为典型的深埋大跨度地下洞室。工程地质条件复杂[1]。

1 工程地质勘察工作布置

1.1 地质探硐及硐内原位试验

为查明地下厂房洞室群工程地质条件及地应力特征,于该范围内布置地质探硐。主探硐PD01长1 331.4 m,进口布置于下水库进(出)水口1#输水隧洞与2#输水隧洞之间,横向贯穿厂房、主变室及尾闸室顶部岩体,高程自199.8 m降至183.4 m。于PD01主探硐桩号0+1 245 m处,沿地下主厂房轴线方向,垂直于主探硐各布置一个支硐。编号分别为PD04、PD05。与PD01主探硐呈“十”字形交叉。PD04支硐长94 m,PD05支硐长95 m,底板高程182.1～182.4 m(图1)。

图1 地质探硐地应力及岩体变形测试点位置分布图Fig.1 Distribution map of ground stress of geological exploratory adits and test point of rock mass deformation

为了查明地下厂房洞室岩体变形特征参数,在PD01主探硐岩体内分别进行了三个点的岩体地应力测试和六个点的岩体变形模量测试工作。在PD04、PD05支硐岩体内分别进行了两个点的岩体地应力和三个点的岩体变形模量测试。此外在主硐与支硐内还进行了长度1 000 m的地震波测试。

地下厂房地应力测试结果见表1,岩体变形测试结果见表2。

表1 地下厂房地质探硐地应力测试结果

表2 地下厂房新鲜岩体变形试验结果表

1.2 钻探及孔内原位试验

在地下厂房附近共布置2个机钻孔,钻孔编号分别为ZK17、ZK46。孔深分别为426.45 m、321.32 m,终孔直径59 mm。ZK17钻孔劈裂试验自孔底往上逐段进行,共进行了14段劈裂试验,只有2段劈裂成功。ZK46钻孔劈裂试验自孔底往上逐段进行,共进行了4段劈裂试验(表3)。

表3 地下厂房钻孔水压劈裂地应力测试结果

通过地下厂房附近2个深钻孔的水压劈裂试验和地质探硐内3个点的应力解除法测试。前者测试结果是:最大主应力为10.32～13.38 MPa,方向为N10°～12°E,近水平;最小主应力为6.58～8.90 MPa,岩体抗张强度7.95 MPa。后者测试结果是:最大主应力为12.2 MPa,方向为N71°W,近水平;最小主应力为5.7 MPa。两者应力值相近,方向却近于直交。经综合分析,应力解除法所得的最大主应力方向N71°W,与该区构造应力方向基本吻合。工程区NNE走向的断层较发育,挤压特征明显,亦说明近东西向挤压应力起主导作用。因此,可认为最大主应力方向为近N71°W。

2 地下厂房位置比较及选定

根据PD01地质探硐揭露的地质情况,对地下厂房位置进行了比选。

2.1 桩号1+325 m处地下厂房位置工程地质条件

布置于输水隧洞中部的山体内,埋深325～334 m,为新鲜花岗岩,岩质坚硬、完整,纵波波速达5.0～5.4 km/s,为Ⅱ类围岩。岩体中节理较发育,根据对PD01地质探硐内厂房轴线上、下游各一倍厂房宽度范围内的单位体积节理数统计结果:该部位单位体积节理数为1.06条/m3。主要发育走向①N0°～20°W,②N50°～65°W和③N75°～85°E三组节理。节理间距一般为0.2～0.5 m,多呈闭合状态。其中第①、②组节理分别与厂轴斜角和交角较小(交角29°～49°和1°～16°)。这两组节理与偶有分布缓倾角节理相互切割组合后,对厂房边墙稳定不利。第③组节理与厂轴线交角较大,对厂房边墙稳定影响不大。据PD01地质探硐揭露,该部位未发现有断层出露。节理发育情况详见图1。厂区地下水高于顶拱约307～309 m,外水压力较大。

图1 桩号1+325 m附近节理玫瑰花图Fig.1 Rose diagram of joints of stake NO.1+325 m

2.2 桩号1+245 m处地下厂房位置工程地质条件

地下厂房埋深325～334 m,为新鲜花岗岩,岩质坚硬、完整,纵波波速达5.0～5.3 km/s,为Ⅱ类围岩。岩体中节理不甚发育,根据对PD01地质探硐内厂房轴线上、下游各一倍厂房宽度范围内的单位体积节理数统计结果:该部位单位体积节理数为0.23条/m3。主要发育①走向N75°～85°W,②N45°～50°E,③N75°～85°E,④N75°～85°E的四组节理,节理间距一般为0.5～2.5 m,多呈闭合状态。其中第①、②组节理最为发育,第③、④组节理不发育。第①节理与厂房轴线斜角(26°～36°),该组节理与偶有分布缓倾角节理相互切割组合后,可能局部构成不稳定块体,对厂房边墙稳定有一定影响,但由于节理数量不多,又多趋闭合,估计影响不会太大。其它三组节理与厂房轴线交角较大,对厂房边墙稳定影响不大。缓倾角节理只偶有分布,延伸不长,也不致对顶拱稳定带来大的影响。据PD01地质探硐揭露,该部位发现有f33、f34两条裂隙状小断层,宽仅3～5 mm,延伸不长。按其出露位置、产状及延伸情况分析,对顶拱及边墙稳定均无大的影响。节理分布及发育情况见图2。厂房主要结构面与厂房边墙赤平投影分析见图3。

2.3 地下厂房位置比较及选定

PD01地质探硐桩号1+325 m与桩号1+245 m两处厂房位置相比,均为新鲜、坚硬、完整的Ⅱ类花岗岩围岩。

图2 桩号1+255 m附近节理玫瑰花图Fig.2 Rose diagram of joints of stake NO.1+255 m

图3 地下厂房边墙稳定性赤平投影图Fig.3 Stereographic projection of side wall stability①地下厂房边墙;②走向N80°W,倾向NE,倾角70° 节理;③走向N50°E,倾向NW,倾角65° 节理;④走向N30°W,倾向NE,倾角80° f33断层;⑤走向N55°W,倾向SW,倾角70° f34断层。

桩号1+325 m比桩号1+245 m节理更发育,单位体积节理数分别为1.06条/m3、0.23条/m3。从节理发育程度分析,桩号1+245 m优于桩号1+325 m。

从两部位节理玫瑰花图1、图2可以看出:桩号1+325 m有两组与厂房轴线交角较小的节理,桩号1+245 m只有一组与厂房轴线交角较小的节理,从结构面对厂房边墙稳定影响分析,桩号1+245 m优于桩号1+325 m。因此,就地质条件而言,地下厂房选定在PD01地质探硐桩号1+245 m附近较合适。

3 地下厂房轴线的确定

厂房轴线的确定主要从以下两方面考虑:一是使厂房区最大主应力方向与厂房轴线交角较小;二是使厂房区主要地质结构面走向与厂房轴线交角较大。对地下厂房轴线N49°W,向NW、NE方向偏转进行比较工作。

据厂房部位2个深钻孔的水压劈裂试验和地质探硐内5个点的应力解除法测试结果:最大主应力方向为近N71°W,与厂房轴线交角为22°。

据PD01、PD04、PD05地质探硐揭露:地下厂房区影响边墙稳定的节理走向N75°～85°W的节理。断层主要有f33(走向N21°～30°W)、f34(走向N55°～67°W)、f31(走向EW)、f32(走向N15°W)。

如果厂房轴线向NW向偏转,厂房轴线与最大主应力方向交角变小,与NWW向的节理交角也变小。NWW向的节理与厂房轴线交角变小,对边墙稳定不利。

如果厂房轴线向NE向偏转,厂房轴线虽然与NWW向的节理交角变大,对边墙稳定有利,但是厂房轴线与f33、f32两断层交角变小,对边墙稳定不利。另一个不利因素是厂房轴线与最大主应力方向交角变大。

综合地质条件分析,地下厂房轴线确定为N49°W合适。

4 结语

(1) 抽水蓄能电站地下厂房洞室群的特点通常是埋深大、跨度大、勘察工作难度大,如何查明地下厂房区工程地质条件是一个重要的地质课题。

(2) 本电站地下厂房洞室群主要采用钻探与地质探硐相结合的勘察手段,合理地布置各种试验工作,查明厂房区地质构造及地应力的方向,为论证地下厂房位置及厂房轴线方向提供科学的地质依据。

[1] 刘录君.荒沟抽水蓄能电站可行性研究报告[R].长春:中水东北勘测设计研究有限责任公司,2010.

(责任编辑：陈文宝)

Study of Site Selection of Deep Underground Powerhouse inHuanggou Pumped Storage Power Station

LIU Lujun, TIAN Zuoyin, ZHENG Yibao, JI Cong, YANG Zongling

(ChinaWaterNortheasternInvestigation,DesignandResearchCo.,LTD.,Changchun,Jilin130021)

The site selection of deeply buried large-span underground powerhouse of a pumped storage power plant is an important issue that concerns whether it is scientific and rational for a project design. So,to indentify the engineering geological conditions by using scientific engineering geological investigation is an important work related to whether the underground plant design program can be established. In this article,an objective evaluation of geological conditions for the underground plant is provided through gained geological data,which plays a decisive role in determining the location and axial direction of underground powerhouse.

underground powerhouse; deeply buried; ground stress; engineering geological investigation

2015-06-10;改回日期:2015-07-10

刘录君(1972-),男,高级工程师,工程地质专业,从事工程地质勘察设计工作。E-mail:1340760789@qq.com

TV731; P642

A

1671-1211(2016)01-0096-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201601017

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20151217.0912.014.html 数字出版日期:2015-12-17 09:12