魏炳榮,吳國榮

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東廣州 510635)

惠州抽水蓄能電站控制性斷層研究

魏炳榮,吳國榮

(廣東省水利電力勘測設計研究院,廣東廣州 510635)

惠州抽水蓄能電站工程輸水發(fā)電系統(tǒng)主要為地下建筑物,地下廠房洞室群及高壓隧洞穩(wěn)定性是工程關鍵。場區(qū)發(fā)育的f304斷層是控制性斷層,對輸水發(fā)電系統(tǒng)的布置、安全關系重大。對f304斷層的研究準確查明了斷層的空間分布、性狀,對優(yōu)化輸水發(fā)電系統(tǒng)地下廠房洞室群及高壓隧洞位置,避開重大工程地質(zhì)問題,顯著改善建筑物工程地質(zhì)條件,確保工程安全運行等方面起到關鍵性作用。

惠州抽水蓄能電站;地下廠房洞室群;高壓隧洞;控制性斷層;優(yōu)化布置

0 引言

惠州抽水蓄能電站工程是世界上一次性修建的裝機容量最大的抽水蓄能電站。電站總裝機容量為8×300MW,工程為Ⅰ等大(1)型,分A、B廠輸水發(fā)電系統(tǒng),采用一洞四機供水方式。兩廠共用同一上、下水庫,上、下水庫自然高差531 m,水平距離約4 140 m。A廠輸水隧洞長4 493m,高壓隧洞長1 257 m;B廠輸水隧洞長4 487 m,高壓隧洞長955 m。高壓隧洞開挖洞徑約10 m,采用鋼筋混凝土襯砌,限裂設計。高壓隧洞最大內(nèi)水靜水壓力約630 m。A、B廠地下廠房規(guī)模分別為:長 ×寬 ×高=152 m×21.5 m×49.4 m(154 m×21.5 m×49.4 m)。核心建筑物為高壓岔管—地下廠房洞室群—尾水調(diào)壓井,這些建筑物深埋地下300～500 m,集中布置在約300 m×500 m范圍,洞室縱橫交錯,跨度大,間距近,其位置選擇中其地質(zhì)條件成為控制因素。

f304斷層,產(chǎn)狀N40°～75°E/SE∠60°～65°,破碎帶寬度達10～15 m,破碎帶由構(gòu)造角礫巖、碎裂巖、石英脈、方解石脈等組成。地表沖溝發(fā)現(xiàn),f304斷層膠結(jié)較好,呈硅化巖及裂隙密集帶。但在地下廠房探洞PD01(高程246 m)揭露膠結(jié)較差,沿斷裂面存在空洞,揭露空洞寬最大達70 cm,探洞掘進時出現(xiàn)突發(fā)性涌水,初始流量1 m3/s,3 d后涌水量基本穩(wěn)定在0.02 m3/s,前3 d的涌水量達7萬多立方米。斷層大致位于場區(qū)輸水發(fā)電系統(tǒng)附近靠北面,與高壓水道近平行,對高壓隧洞及地下廠房洞室群布置影響重大,對洞室群的布置起控制作用。該斷層屬張扭性,有過多期次活動。它的規(guī)模、產(chǎn)狀及工程地質(zhì)和水文地質(zhì)特征復雜多變,加之該區(qū)地形地貌條件復雜,植被茂密露頭差,利用常規(guī)手段難以查明f304斷層的空間延伸情況及其工程地質(zhì)特征等。因此,開展f304的空間分布及性狀研究意義重大。

1 研究方法內(nèi)容

(1)探洞高程246 m斷層的延伸:在地下廠房主探洞PD01揭露f304斷層。由于斷層屬張扭性,產(chǎn)狀不穩(wěn)定,為查明斷層在探洞高程246 m的位置,結(jié)合查明高壓岔管、高壓隧洞斜井地質(zhì)條件,布置探洞PD01-3、PD01-4揭露斷層f304(見圖1)。

(2)高壓岔管高程130～140 m斷層位置:探洞高程約246 m,高壓岔管、下平洞高程約135 m。為查明斷層向下100～120 m的主體建筑物高壓岔管高程斷層帶的位置及性狀,在斷層的上盤位置,支探洞PD01-2布置鉆孔PDZK02,主探洞PD01布置鉆孔PDZK01,支探洞PD01-3布置鉆孔PDZK03,支探洞PD01-4布置鉆孔PDZK04四個鉆孔,揭露f304斷層,并進行鉆孔壓水試驗、聲波測試等現(xiàn)場試驗(見圖1)。

(3)地面斷層的位置:場地地表植被發(fā)育,有坡積、風化土覆蓋,基巖露頭少,沖溝位置多見基巖出露。在下水庫邊高程約246 m的沖溝中,可見斷層出露地表,基本與探洞同高程,制圖分析該出露位置與探洞揭露位置在斷層走向的方向上。在高壓隧洞中斜井一帶,地面高程600～700 m的地面,繪制剖面圖分析推斷斷層地表出露位置附近,布置斷層帶氡氣測量剖面,發(fā)現(xiàn)氡氣測量值高于正常場的范圍3倍,與推斷的f304斷層位置、寬度基本吻合,圖上位置也吻合,從而斷定斷層在地表的出露位置。通過地表鉆孔ZK2001、ZK2002、ZK2057、ZK2085、ZK2086、ZK2087深鉆孔控制斷層在高壓隧洞一帶的位置,并進行壓水、聲波測試、地應力測試等現(xiàn)場試驗以查明斷層的工程地質(zhì)特征(見圖2)。

圖1 廠房探洞斷層及鉆孔布置圖Fig.1 Layout of fault in exploratory adit and borehole

通過地表測繪、物探氡氣測量、鉆探、洞探及鉆孔壓水、聲波測試、地應力測量等,查明了f304斷層的特征。

圖2 斷層地面位置及勘探孔布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of ground position of the fault and layout of the borehole

2 斷層特征

2.1 斷層工程地質(zhì)特征

f304斷層是場區(qū)控制性斷層,斷層帶寬度10～15 m,由上、下兩條大致平行的構(gòu)造角礫巖帶(或斷層破碎帶)、中間夾碎裂花崗巖(或碎裂混合巖)或裂隙密集帶夾小斷層等組成,是復合型的斷層帶,產(chǎn)狀N45°～70°E/SE∠60°～75°,多數(shù)傾角在60°～70°,探洞和鉆孔揭露視厚度變化范圍在30～68 m,換算真厚度10～15 m(見圖3)。由探洞及鉆孔揭露綜合分析,f304斷層上界面主破碎帶寬度由南西往北東有逐漸變小的趨勢,下界面主破碎帶寬度由南西往北東逐漸變寬。

在ZK2001孔,高程240.44～238.64 m揭露到空洞,有掉鉆,反應斷層帶存在空洞。在PD01平硐東壁高程約246 m,破碎帶上見有一個最寬處近0.7 m的透鏡狀空洞。探洞中有5個鉆孔揭露到f304,鉆孔揭露視厚度一般38.90～45.40 m,破碎帶高程98～205.10 m,未發(fā)現(xiàn)空洞、空腔,斷層破碎帶膠結(jié)較好,呈弱—微風化狀。針對f304斷層鉆孔聲波測試斷層帶聲波值為3 143～5 488 m/s,各孔斷層帶聲波平均值為4 470～5 049 m/s,根據(jù)聲波值換算靜彈性模量為22.1～49.7 GPa,完整性系數(shù)0.66～0.84,屬較完整—完整。探洞中5個鉆孔在鉆探過程中沒有掉鉆現(xiàn)象,鉆孔巖芯弱—微風化裝、壓水試驗結(jié)果為透水率弱—微透水,聲波測試成果聲波值3 143～5 488 m/s,均表明f304斷層在廠房區(qū)200 m高程以下膠結(jié)較好,不存在空洞。

圖3 PD01 f304斷裂破碎帶剖面素描圖Fig.3 Profiles sketch of fracture zone of f304fault

f304斷層特征在平面及垂向上均存在差異,破碎帶寬度、組成物質(zhì)及風化程度各處不一。探洞中揭露在246 m高程附近,以PD01處最差,而PD01-3次之,PD01-4處較好。探洞中鉆孔揭露的f304斷層破碎帶均屬弱—微風化狀,膠結(jié)較好,高程一般在200 m以下,這可能與下水庫的侵蝕基準面在200 m高程左右有關,在侵蝕基準面以下,埋深增加,地下水循環(huán)活動減弱,風化營力減弱。地面鉆孔以廠房區(qū)鉆孔ZK2001、高壓隧洞中平洞附近鉆孔ZK2057、ZK2085的斷層破碎帶性狀較差,而高壓隧洞下斜井附近鉆孔ZK2002,中斜井附近鉆孔ZK2086、ZK2087孔的斷層破碎帶性狀較好。

f304斷層泥樣品熱釋光年齡分別為(153 300±10 700)年和(146 800±10 300)年,表明斷裂最新一次變動發(fā)生在晚更新世早期。在探洞可見到NNW向斷層切過f304斷層,地表沖溝可見到f304斷層露頭,有NNW向石英脈切過f304斷層帶。在鉆孔巖芯見到f304斷層角礫巖成分為閃長玢巖脈,且斷層破碎帶范圍及上、下盤均有NNW向的閃長玢巖脈發(fā)育。說明NE向的f304斷層形成早于NNW向的斷層及巖脈,并且在巖脈形成之后,f304斷層仍有活動,探洞見到沿f304斷層侵入的石英脈、方解石脈、螢石脈均有后期遭構(gòu)造破碎的角礫巖,也說明f304斷層具有多期次活動。由于后期熱液活動,使斷層帶內(nèi)的物質(zhì)有硅化及膠結(jié)的作用[1]。

PD01主探洞斷層帶空洞的形態(tài)顯示早期破碎帶應屬于擠壓性質(zhì),在透鏡狀空洞的下方,可以見到早期充填的石英—螢石—方解石脈已被后期一系列的破裂面切割成角礫,平硐施工過程擊穿f304斷裂面后出現(xiàn)的涌水現(xiàn)象,說明上述透鏡狀空洞是一儲水構(gòu)造。洞壁上殘留的褐鐵礦薄膜或團塊及指示空洞的形成極有可能與原來充填于其內(nèi)的硫化物(及碳酸鹽)脈體,因斷裂的后期變化而被破壞,是地下水作用下的風化和溶蝕的結(jié)果。

2.2 斷層水文地質(zhì)特征

f304斷層涌水量最大,在A廠主探洞PD01揭露此斷層時,出現(xiàn)了突發(fā)性大量涌水,初始揭露時,斷層帶中的地下水從掌子面離探洞底板1 m、直徑30 cm的孔口中噴射6～7 m遠,測得初始單位流量約1 000 L/s,歷時7 h,累計涌水量約2.44萬m3;10 h后,單位流量減弱為670 L/s,累計涌水量約3.3萬m3;24 h后,單位流量約380 L/s,累計涌水量約5.5萬m3;9 d后單位流量29.6 L/s,累計8 d涌水量約8.4萬m3;PD01-3支洞揭露f304斷層由碎裂巖及角礫巖組成,膠結(jié)稍好,揭露斷層時出現(xiàn)線狀流水,7 d后減弱為滴水;在PD01-4探洞揭露f304斷層后,PD01-3支洞已無滴水現(xiàn)象,出水量較少。B廠主探洞PD01-4揭露f304斷層上、下破碎帶均出現(xiàn)股狀流水,涌水量分別為6.7 L/s、0.65 L/s。

PD01-4探洞中鉆孔PDZK04鉆穿f304斷層時涌水量較大,孔口流量為0.5 L/s;主探洞PD01中鉆孔PDZK01、支洞PD01-3中鉆孔PDZK03孔口流水量較小,分別為0.067 L/s、0.125 L/s;而西支洞PD01-2中鉆孔PDZK02孔口無水流出。

探洞揭露f304斷層大量涌水后,地面鉆孔地下水位有不同程度的下降。廠房區(qū)ZK2001、ZK2002、ZK2008降幅分別為209.44 m、55.71 m和165.59 m;ZK2001、ZK2057地下水位下降幅度相當大,而其附近的ZK2002、ZK2085孔地下水位降幅相比要小。A廠中斜井附近鉆孔ZK2086、ZK2087孔地下水位埋藏淺,地下水位變幅小,受到探洞開挖的影響不明顯,除高程較高外,這二孔距探洞較遠,在其影響范圍之外,同時與這二孔中揭露的斷層膠結(jié)較好也有關。

由以上資料表明,f304斷層為一儲水導水構(gòu)造,存在儲水空洞和透水裂隙斷層網(wǎng)絡,但分布是局部的,斷層帶透水性存在差異,這是由斷層在不同部位的規(guī)模、組成物質(zhì)、膠結(jié)情況和裂隙發(fā)育程度等不同所決定的。

探洞揭露分析發(fā)現(xiàn)有地下水出露的斷層、裂隙主要集中在f304斷層上盤附近一定范圍,對應地表上靠近平塘沖溝,超出一定距離后,地下水活動明顯減弱。探洞揭露f304斷層后,明顯改變了巖體中地下水的運動條件,使得部分滲、滴水洞段出現(xiàn)地下水疏干現(xiàn)象。地下水的活動與f304斷層存在密切相關,形成一個寬達數(shù)十米至上百米的條帶狀區(qū)域[2]。在這一區(qū)域地下水活動強烈,說明這些部位的巖體節(jié)理網(wǎng)絡具備良好的連通條件,從地質(zhì)構(gòu)造上看,f304斷層的多期次活動,加上其配套構(gòu)造的影響,形成了沿f304斷層及影響帶在內(nèi)的拉裂滲漏區(qū)。正是處于飽水狀態(tài)的拉裂滲漏區(qū)的大量儲水,導致了f304斷層初始揭露時產(chǎn)生大量的涌水。

高壓壓水試驗結(jié)果:除個別斷層破碎帶透水性稍大,達到中等透水外,絕大多數(shù)試段在總壓力6～9.5 MPa作用下,透水率為0～4.5 Lu,透水性微弱。在f304斷層破碎帶的高壓壓水結(jié)果顯示,在壓力0.2～6.2 MPa時流量為28.0～30 L/min,透水率為1.7～30 Lu?？傮w上f304斷層破碎帶透水性要比其它巖體大,但屬弱—微透水性。

在鉆孔中進行了水力劈裂試驗,結(jié)果其中兩段位于f304斷層帶中的裂隙密集帶受f304斷層的影響,劈裂壓力相對偏低,分別為4.8 MPa、5.0 MPa,而非f304斷層帶的其它巖體劈裂壓力在6.9～12.0MPa。

2.3 斷層地應力特征

在f304斷層帶進行的水壓致裂測試成果顯示,f304斷層帶及其影響帶的最小水平主應力σh=1.48～7.01 MPa,平均值為4.18 MPa;最大水平主應力σH=2.23～12.86 MPa,平均值為7.01 MPa。并且在斷層帶中12個測段有7個測段測不到原地破裂壓力,而相同高程、相同埋深范圍,f304斷層的上盤巖體最小水平主應力σh=6.07～9.72 MPa,平均值為7.82 MPa;最大水平主應力σH=11.07～17.17 MPa,平均值為13.84 MPa。f304斷層的下盤巖體最小水平主應力σh=4.96～9.18 MPa,平均值為7.14 MPa;最大水平主應力σH=8.76～16.68MPa,平均值為11.97MPa。測試成果反映f304斷層帶為一應力釋放帶,表現(xiàn)為地應力較低,斷層上盤地應力比斷層下盤稍大一點。應力場回歸分析計算結(jié)果,斷層帶為地應力帶,但影響范圍一般在斷層帶兩側(cè)約15 m范圍內(nèi)較明顯(見圖4)。

圖4 應力場回歸分析結(jié)果圖Fig.4 Regression analysis results of stress field

3 輸水發(fā)電系統(tǒng)布置優(yōu)化

根據(jù)地質(zhì)勘察揭露的地下廠房區(qū)工程地質(zhì)條件,本工程地下廠房洞室群深埋在微風化—新鮮燕山四期花崗巖體中,對廠房洞室群影響最大的工程地質(zhì)條件是f304斷層破碎帶和其透水帶,以及其它一些較小斷層。

f304斷層是場區(qū)控制性斷層,寬度達10～15 m,破碎帶中存在有空洞,儲水和導水性好,高壓壓水和水力劈裂試驗表明,斷層帶破裂壓力僅4.8 MPa,水壓致裂,其中有7段無破裂壓力。f304斷層帶內(nèi)最小水平主應力明顯低于兩側(cè)應力,不能滿足內(nèi)水壓力的要求。因此地質(zhì)上要求對f304斷層慎重處理,并盡可能在地下廠房、高壓岔管等重要部位的布置上避開其影響。

可研階段布置的A廠地下廠房和高壓岔管分別位于斷層f304上、下盤,f304斷層在高壓鋼襯支管中通過。存在的主要問題有:①廠房西端墻距離f304斷層最近距離約5 m,除對端墻的穩(wěn)定性影響外,還存在較嚴重的滲漏問題。②高壓岔管距離f304斷層最短距離約45～55 m。③f304斷層除在高壓引水支管中通過外,還在A廠的高壓隧洞下斜井靠近中平洞的上彎段附近(高程300～350 m)通過,由于斷層與高壓隧洞軸線夾角小或近于平行,在斜洞中出露很長,對圍巖穩(wěn)定和安全施工都會造成嚴重影響。④f304斷層在B廠的高壓隧洞下平洞及下斜井下彎段通過,對高壓隧洞影響較大[3]。

根據(jù)已查明的地質(zhì)條件,尤其是f304斷層的空間位置、場地地形條件,以及輸水水道水力過度計算結(jié)果,對洞室群位置進行了優(yōu)化調(diào)整,將A、B廠高壓隧洞都向南東方向移動,下斜井南移縮短下平洞,廠房、岔管和高壓隧洞都布置在f304斷層上盤,高壓岔管距f304斷層最短距離水力梯度控制在10左右約60～70 m,B廠高壓岔管由原來的“Y”型改為“卜”型。根據(jù)探洞和鉆孔揭露的地質(zhì)條件,兩個方案的地下廠房和高壓岔管都處在地質(zhì)條件良好的巖體上,技術上都是可行的。在地質(zhì)條件上,整體南移方案基本上避免了f304等斷層的影響,總體地質(zhì)條件明顯改善(見圖5)。優(yōu)化后A廠高壓岔管及下平洞距f304斷層60～80 m,A廠中平洞距f304斷層90～140 m,A廠上平洞距f304斷層約200 m。從這個距離看,直接影響是避開了,但斷層的水文地質(zhì)影響仍需要重視。做好固結(jié)灌漿,減少內(nèi)水外滲量,避免給地下廠房造成較大外水壓力。

4 結(jié)語

(1)抓住關鍵性地質(zhì)問題,綜合采用地質(zhì)測繪、洞探、鉆探、斷層帶氡氣測量、鉆孔壓水、水力劈裂、地應力測量等方法,查明了f304斷層的空間展布、最新活動時間及其他工程地質(zhì)特征。

(2)研究成果不僅為輸水發(fā)電系統(tǒng)設計方案的布置提供了工程地質(zhì)條件依據(jù),也為其它一系列科研打開了方便之門。因此,它是一個基礎性的研究,其研究思路和方法值得類似工程推廣應用。

(3)根據(jù)研究成果,對地下廠房洞室群和高壓隧洞布置進行了優(yōu)化,最終選擇全部布置在f304斷層上盤的方案,避免了高壓隧洞多次遭遇f304斷層帶,使得整個輸水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件大大改善,從而避免高壓隧洞遇到f304斷層可能產(chǎn)生的開挖支護困難、施工安全、圍巖穩(wěn)定、內(nèi)水外滲及高壓鋼支管較大外水壓力等一系列地質(zhì)問題,節(jié)省了處理上述地質(zhì)問題的工程費用,保證了工期,對工程的經(jīng)濟效益是顯著的,更重要的是確保了工程施工和運行的安全性。因此,研究成果具有重大意義。

(4)施工開挖表明,地下廠房和高壓岔管圍巖穩(wěn)定性好,施工順利安全,圍巖多屬Ⅰ-Ⅱ類,少量Ⅲ類,地質(zhì)條件優(yōu)良。在靠近f304斷層的A廠高壓岔管、下平洞采取加強水泥、化學固結(jié)灌漿處理措施,對地質(zhì)探洞出露的f304斷層位置采取封堵等措施,實踐證明是成功的。

圖5 A廠高壓隧洞與f304斷層關系圖Fig.5 Relation graph of high pressure tunnels and the f304fault

[1] 陳國能,陳云長,王匯明,魏炳榮,吳國榮,等.廣東惠州抽水蓄能電站f304斷裂及其相關地質(zhì)體研究[R].廣州:中山大學地球科學系,廣東省水利電力勘測設計研究院,2003.

[2] 谷兆祺,等.惠州抽水蓄能電站高壓水道安全評估報告[R].北京:清華大學水利水電工程系,2009.

[3] 吳國榮.廣東惠州抽水蓄能電站工程施工圖設計階段輸水發(fā)電系統(tǒng)工程地質(zhì)勘察報告[R].廣州:廣東省水利電力勘測設計研究院,2007.

(責任編輯:于繼紅)

Research on Control Fault of Huizhou Pumped Storage Power Station

WEIBingrong,WU Guorong
(Guangdong Provincial Investigation Design and Research Institute of Water Conservancy and Electric Power,Guangzhou,Guangdong510635)

The water delivery system of Huizhou pumped storage power station is mainly underground structure.The stability of underground powerhouse caverns and high pressure tunnels is the key point of the project.The f304fault developed in plant area is control fault,which is very important for the layout and safety ofwater delivery system.Through research on the f304fault,this paper finds out the distribution and properties of the fault,thus to play an important role on optimizing the position of underground powerhouse caverns and high pressure tunnels of water delivery system,avoiding serious engineering geological problems,obviously improving the geologic condition of structures aswell as ensuring safe operation of the project.

Huizhou pumped storage power station;underground powerhouse caverns;high pressure tunnels;control fault;optimized layout

TV743

A

1671-1211(2010)05-0461-05

2010-07-01;改回日期:2010-08-09

魏炳榮(1954-),男,高級工程師,地質(zhì)專業(yè),從事工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:wu.gr@gpdiwe.com