曲海珠，李治國(guó)，李紅心

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，四川成都610072;2.國(guó)電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川康定626005)

1 概述

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流水電規(guī)劃調(diào)整推薦22級(jí)開(kāi)發(fā)方案中的第9個(gè)梯級(jí)電站。地下廠房位于右岸山體內(nèi)，廠房開(kāi)挖尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為224.4 m×29.2 m×74.4 m。廠房底板高程1 661.8 m，廠房下游側(cè)設(shè)主變室和尾調(diào)室，三者之間巖柱厚度均為45 m。電站裝機(jī)容量為1 700 MW(425 MW×4)。

2 工程地質(zhì)情況

工程區(qū)位于色龍溝口至折駱溝口河段，全長(zhǎng)3.8 km，河道略呈“S”型流向。壩址河谷狹窄，河谷形態(tài)呈較對(duì)稱(chēng)的“V”型谷。河谷兩岸地形陡峻，臨河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般為60°～65°，以上變緩為30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般為55°～60°，以上為40°～50°。壩前右岸發(fā)育有磨子溝，溝谷切割較深。

地下廠房區(qū)出露基巖主要為泥盆系下統(tǒng)(D11)第⑨層中厚層～厚層～巨厚層狀，局部夾薄層狀白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖層產(chǎn)狀為N50°～70°E/NW∠40°～60°。據(jù)勘探揭示，地表巖體風(fēng)化卸荷較弱，強(qiáng)卸荷、弱風(fēng)化上段水平深2 m，弱卸荷、弱風(fēng)化下段水平深度為52～58 m，向內(nèi)為微風(fēng)化～新鮮巖體。

地下廠房區(qū)無(wú)區(qū)域斷裂通過(guò)。據(jù)勘探平洞揭示，廠區(qū)上游側(cè)發(fā)育一條規(guī)模較大的斷層F1－1，產(chǎn)狀N60°E/NW∠85°，主要由碎粒巖、碎粉巖組成，主錯(cuò)帶寬1～1.5 m，碎粉巖帶寬30 cm，斷層影響帶寬約20 m，斷層處洞壁垮塌，地下水沿?cái)鄬庸蔂盍鞒?。其它結(jié)構(gòu)面主要有次級(jí)小斷層23條、擠壓破碎帶42條和節(jié)理裂隙6組。廠房部位巖體完整性總體為較完整～完整。

廠房區(qū)巖性為白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖體中巖溶不發(fā)育，僅見(jiàn)個(gè)別溶隙，除斷層帶具較強(qiáng)透水性外，中陡傾裂隙一般透水性較弱。由于河谷深切，岸坡陡峻，地表水入滲困難，補(bǔ)給水源有限，岸坡排泄條件較好，因此，地下水位埋藏較深，總體上為地下水補(bǔ)給河水，巖體中地下水不豐。

廠房區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)。在勘探平硐中，多處出現(xiàn)片幫現(xiàn)象?？裳须A段分別在平硐進(jìn)行了6組地應(yīng)力測(cè)量，最大主應(yīng)力σ1量級(jí)為21.53～36.43 MPa，最大主應(yīng)力σ1方向大致為N41°～75°W，傾角為21°～47°(仰角為正、俯角為負(fù))。洞壁片幫發(fā)育程度和地應(yīng)力測(cè)量結(jié)果表明:右岸廠房區(qū)為高地應(yīng)力區(qū)，為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地形自重應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果。

3 地下廠房位置和縱軸線

3.1 地下廠房位置

地下廠房的進(jìn)水口布置于壩軸線上游約500 m處，由于地形、地質(zhì)條件的限制，進(jìn)水口位置相對(duì)固定，可調(diào)整的范圍不大。廠房位置受電站進(jìn)水口位置和壓力管道不設(shè)上游調(diào)壓室的極限長(zhǎng)度控制，同時(shí)考慮F1－1斷層、SPD1－3平硐0+48以里的IV類(lèi)圍巖體、放空洞有壓段內(nèi)水壓約90 m的影響、引水發(fā)電系統(tǒng)等樞紐建筑物的布置協(xié)調(diào)以及機(jī)組運(yùn)行、工程投資等因素，比較了3個(gè)廠房位置方案。3個(gè)方案的廠房均位于SPD1－1探洞附近(圖1)。

圖1 地下廠房1 704.9 m高程工程平切圖

方案一:廠房布置于大渡河右岸略靠壩軸線上游山體內(nèi)，廠房縱軸線方向?yàn)镹61°W，廠房左上角距壩軸線鉛直面約100 m，順壩軸線方向距右壩肩約200 m?？碧狡蕉碨PD1－4、SPD1－3縱向穿過(guò)廠房，廠房最小垂直埋深約380 m，最小水平埋深約250 m。據(jù)勘探平硐揭示，廠房區(qū)巖性為泥盆系下統(tǒng)(D11)第⑨層微風(fēng)化～新鮮的白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r，巖性較單一，巖體以中厚層～厚層～巨厚層狀結(jié)構(gòu)為主，巖體完整～較完整，圍巖類(lèi)別以Ⅲ1類(lèi)為主;SPD1－3平洞0+048以里的IV類(lèi)圍巖外邊界距廠房右端墻約3～5 m，僅對(duì)安裝間端墻圍巖穩(wěn)定有一定影響;F1－1斷層主錯(cuò)動(dòng)帶距廠房右端墻約25 m，基本上不影響廠房圍巖穩(wěn)定。廠區(qū)整體成洞條件和圍巖自穩(wěn)能力較好。廠房左端墻距放空洞約80～100 m，能滿(mǎn)足通風(fēng)系統(tǒng)布置、廠房及其附屬洞室防滲需要。方案一的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為70°，單條壓力管道最長(zhǎng)約640 m。在滿(mǎn)足不設(shè)上游調(diào)壓室和機(jī)組穩(wěn)定運(yùn)行條件下的管道直徑為10.5 m。

方案二:在方案一的基礎(chǔ)上，廠房沿廠房軸線方向向山內(nèi)移動(dòng)約25 m，并為避開(kāi)F1－1斷層主錯(cuò)動(dòng)帶向下游移動(dòng)了10 m。廠房所處地質(zhì)條件與方案一基本相同。但因廠房向山內(nèi)移動(dòng)，相對(duì)有利于通風(fēng)系統(tǒng)及附屬洞室布置。方案二中廠房右端墻距F1－1斷層主錯(cuò)動(dòng)帶外邊界僅約5 m，而安裝間段直接穿過(guò)SPD1－3平洞0+048以里的IV類(lèi)圍巖，故安裝間端墻及邊頂拱圍巖條件惡化，圍巖穩(wěn)定問(wèn)題突出，防滲難度略有增加。方案二較方案一離放空洞有壓段略遠(yuǎn)，相對(duì)有利于通風(fēng)系統(tǒng)及附屬洞室布置。方案二中的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為70°，壓力管道增長(zhǎng)，單條壓力管道最長(zhǎng)約681 m。

方案三:在方案一的基礎(chǔ)上，廠房沿廠軸線方向向山外移動(dòng)約25 m。廠房所處地質(zhì)條件與方案一基本相同。因廠房向山外移動(dòng)，SPD1－3平洞0+048以里的IV類(lèi)圍巖外邊界距廠房右端墻約28～30 m，基本上不影響廠房右端墻圍巖穩(wěn)定。方案三較方案一遠(yuǎn)離F1－1斷層但靠近放空洞有壓段，廠房左端墻距放空洞有壓段約55～75 m，難以滿(mǎn)足在其間布置附屬通風(fēng)系統(tǒng)洞井及廠區(qū)排水廊道的需要，防滲難度大、要求高。方案三中的廠房縱軸線與壓力管道中心線夾角為56°，壓力管道增長(zhǎng)，單條壓力管道最長(zhǎng)約710 m。

綜上所述，受地質(zhì)條件和樞紐布置的影響，廠房位置可調(diào)整的余地很小。綜合地質(zhì)條件、樞紐布置、水力條件、結(jié)構(gòu)安全、機(jī)組運(yùn)行和工程投資等因素對(duì)于地下廠房位置的選取，推薦方案一。

3.2 廠房縱軸線

廠房縱軸線布置原則:廠房縱軸線與初始地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向呈較小夾角;與主要結(jié)構(gòu)面走向呈較大夾角，并滿(mǎn)足各樞紐建筑物的布置協(xié)調(diào)和運(yùn)行要求。

廠區(qū)初始地應(yīng)力最大主應(yīng)力σ1量級(jí)為21.53～36.43 MPa，最大主應(yīng)力σ1方向大致為N41°～75°W，廠房軸線要與初始地應(yīng)力方向呈較小夾角，其方位宜為N41°W～N75°W。

根據(jù)以上因素，結(jié)合地質(zhì)條件和水工布置情況比較了2個(gè)廠房縱軸線布置方案，即縱軸線方向?yàn)镹61°W和縱軸線方向?yàn)镹41°W。

從地質(zhì)條件上比較可知(表1):

圖2 廠房縱軸線布置(N61°W和N41°W)方案圖

表1 地質(zhì)條件比較表

根據(jù)對(duì)表1的結(jié)果進(jìn)行分析，兩個(gè)方案的軸線方向均與巖層產(chǎn)狀大角度相交，與地應(yīng)力小角度相交。N41°W方案與目前所測(cè)的量級(jí)36.43 MPa最大地應(yīng)力δ1幾乎平行。再與小斷層的夾角進(jìn)行比較，N41°W方案略?xún)?yōu)于N61°W方案。從水工布置上比較(表2):

表2 水工布置比較表

對(duì)水工布置比較表(表2)的結(jié)果進(jìn)行分析，N41°W方案中的壓力管道和主要附屬洞室的長(zhǎng)度均有增加。壓力管道間的巖體厚度減少，小于1倍的開(kāi)挖洞徑且壓力管道要穿過(guò)F1－1斷層和IV類(lèi)巖體，對(duì)圍巖穩(wěn)定不利。從廠壩防滲排水系統(tǒng)布置協(xié)調(diào)、縮短壓力管道長(zhǎng)度、引水發(fā)電系統(tǒng)布置順暢等方面出發(fā)，廠房軸線方位宜選為N61°W左右。

綜合考慮上述各方面因素，確定廠房縱軸線方向?yàn)镹61°W，廠房軸線方向與廠區(qū)實(shí)測(cè)初始地應(yīng)力最大主應(yīng)力σ1方向夾角為6.5°～16.69°，與廠房區(qū)主要結(jié)構(gòu)面N50°E～N70°E的夾角為49°～69°，有利于圍巖穩(wěn)定。廠房縱軸線方向與廠區(qū)主要小斷層、擠壓破碎帶的夾角見(jiàn)表3。

表3 廠區(qū)主要小斷層、擠壓破碎帶與廠房縱軸線(N61°W)夾角表

可見(jiàn)，所選擇的廠房縱軸線與結(jié)構(gòu)面夾角較大，與初始地應(yīng)力最大主應(yīng)力方向夾角較小，有利于洞室圍巖穩(wěn)定;同時(shí)，廠房縱軸線也滿(mǎn)足了整個(gè)樞紐的布置協(xié)調(diào)要求。因此，所選擇的地下廠房縱軸線方位是合理的。

3.3 廠區(qū)初始應(yīng)力場(chǎng)的反演分析

為了充分利用地應(yīng)力測(cè)點(diǎn)進(jìn)行廠區(qū)的地應(yīng)力回歸，在廠區(qū)三維地應(yīng)力場(chǎng)回歸中采用了大范圍的反演模型，而地下廠房洞室群的計(jì)算則包含在回歸模型中，回歸的地應(yīng)力場(chǎng)作為計(jì)算模型的初始條件輸入，根據(jù)右岸地下廠區(qū)6組(SPD1－1、SPD1－2、SPD9－1、SPD1－3、SPD1－4、SPD1－5)地應(yīng)力實(shí)測(cè)成果進(jìn)行了初始地應(yīng)力場(chǎng)反演回歸分析。對(duì)計(jì)算區(qū)域共劃分了97 290個(gè)單元和104 935個(gè)節(jié)點(diǎn)。主要結(jié)果如表4、5所示。

計(jì)算結(jié)果表明:采用三維有限元反演擬合的初始應(yīng)力場(chǎng)綜合反應(yīng)了地形地貌對(duì)初始應(yīng)力場(chǎng)的影響，保證了在實(shí)測(cè)點(diǎn)處計(jì)算值與實(shí)際值基本一致，反演回歸的復(fù)相關(guān)系數(shù)為0.909 63，其結(jié)果具有較好的可靠性。回歸計(jì)算最大主應(yīng)力σ1的方向近似平行于地下廠房的軸線方向，最小主應(yīng)力σ3的方向近似垂直于地下廠房的軸線方向。從廠區(qū)回歸應(yīng)力分量對(duì)比關(guān)系看，同樣呈現(xiàn)σz＞σx＞σy的分布特征，即鉛直方向的初始應(yīng)力水平要大于水平向的初始應(yīng)力。最大主應(yīng)力方向與區(qū)域構(gòu)造主壓應(yīng)力方向較為接近，顯示為區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)與地形自重應(yīng)力場(chǎng)疊加的結(jié)果，地應(yīng)力大小隨水平埋深增大而增加，地應(yīng)力量值對(duì)圍巖穩(wěn)定有一定影響。

表4 實(shí)測(cè)點(diǎn)處計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的主應(yīng)力值比較表

表5 實(shí)測(cè)點(diǎn)處計(jì)算應(yīng)力與實(shí)測(cè)應(yīng)力的分量值比較表

4 結(jié)語(yǔ)

猴子巖水電站地下廠房位于中厚層～厚層狀白云質(zhì)灰?guī)r、變質(zhì)灰?guī)r中，圍巖條件較好。在地下廠房位置及其軸線選擇時(shí)充分考慮了地質(zhì)條件、水工布置和運(yùn)行條件，且通過(guò)三維有限元反演分析，最大主應(yīng)力方向近似平行于地下廠房的軸線方向。根據(jù)以上綜合比較，確定了猴子巖水電站地下廠房的位置及其軸線方向。