楊繼華，郭衛(wèi)新，齊三紅，張黨立

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司，河南 鄭州 4 50003)

0 引言

水電工程地下建筑一般包括主廠房、主變室、引水洞、母線洞、尾水洞及交通洞等諸多地下洞室。隨著水電工程地下洞室規(guī)模的日益擴大，水電站地下洞室呈現(xiàn)出“大跨度、高邊墻、長軸線”的特點，洞室的工程地質(zhì)問題日漸復(fù)雜和突出。因此，采用合理的方法對地下洞室圍巖進行分類是一項急需解決的問題。對于此問題，多位學(xué)者及工程人員結(jié)合具體工程采用不同的方法對地下洞室圍巖分類進行了研究［1-7］，并得出了一些有益的結(jié)論。文獻［1］介紹了目前國內(nèi)外幾種圍巖分類方法及其相互關(guān)系，并以溪洛渡水電站導(dǎo)流洞為例，具體說明水電工程地下洞室圍巖如何分類，并對RMR法和Q系統(tǒng)分類結(jié)果進行了對比;文獻［2-4］分析了不同地應(yīng)力、外水壓力條件下RMR法、Q系統(tǒng)、HC法及國標BQ分類法的適用性，并提出了水利水電地下洞室圍巖分類存在的主要問題及發(fā)展方向;文獻［5］以蒲石河抽水蓄能電站大型地下廠房為例，在分析巖體結(jié)構(gòu)特征的基礎(chǔ)上采用國際BQ法對圍巖進行了分類;文獻［6］對比分析了RMR法與國標BQ法的特點，并在圍巖分類的基礎(chǔ)上確定了巖體力學(xué)參數(shù);文獻［7］建立了巖質(zhì)圍巖施工階段亞級分級指標體系。從以上研究可以看出，RMR法和Q系統(tǒng)分類法是目前國內(nèi)外常用的圍巖分類方法，而國內(nèi)規(guī)范中的圍巖分類方法，如BQ法、水電HC法在國外鮮有應(yīng)用，值得向國外推廣應(yīng)用。

本文以厄瓜多爾CCS水電站地下廠房洞群為工程實例，以主廠房中導(dǎo)洞開挖的地質(zhì)資料為基礎(chǔ)，綜合分析目前國內(nèi)外常用的幾種圍巖分類方法，采用RMR法、Q系統(tǒng)分類法對圍巖進行分類，同時以水電HC法對分類結(jié)果進行驗證，并對分類結(jié)果進行對比分析，探討水電HC法對國外工程的適用性。

1 工程概況

1．1 水電站概況

CCS水電站是厄瓜多爾最大的水電站，位于厄Sucumbios省境內(nèi)的COCA河下游，為引水式電站。電站廠房類型為地下廠房，總裝機容量1 500 MW。地下廠房系統(tǒng)由主廠房、主變室、母線洞、引水洞、壓力管道、尾水洞、交通洞、排水廊道以及高壓電纜洞等洞室組成，見圖1。其中主廠房開挖斷面為城門洞型，開挖長、寬、高、分別為 212．8，27．5，50．0 m，走向 315°，垂直埋深150～300 m。

圖1 CCS水電站地下廠房洞室群三維布置圖Fig．1 3D layout of underground powerhouse caverns of CCS hydropower station

1．2 工程地質(zhì)條件

CCS水電站廠房區(qū)構(gòu)造相對簡單，地質(zhì)調(diào)查沒有發(fā)現(xiàn)規(guī)模較大的斷層，但局部發(fā)育有小規(guī)模斷層及節(jié)理裂隙密集帶。廠房區(qū)內(nèi)巖性主要為侏羅系-白堊系Misahualli地層(J-Km)青灰色、紫紅色及淺紅色火山凝灰?guī)r，火山角礫巖及流紋巖等，巖體結(jié)構(gòu)以整體塊狀、塊狀、次塊狀為主。廠房區(qū)地下水類型為基巖裂隙水，主要賦存于地層的節(jié)理裂隙中，廠區(qū)附近不存在穩(wěn)定的地下水位，局部存在脈狀、帶狀地下水。區(qū)內(nèi)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力作用并不強烈，應(yīng)力值不高，主應(yīng)力方向為NW向，最大量值約9．5 MPa。

2 水電地下洞室圍巖分類常用方法

2．1 RMR 分類法

RMR分類［8-9］根據(jù)6個指標，即巖塊的單軸抗壓強度(R1)、巖石質(zhì)量指標(R2)、節(jié)理間距(R3)、節(jié)理狀況(R4)、地下水狀況(R5)及修正系數(shù)(R6，洞室的方向關(guān)系確定)來確定巖體的綜合質(zhì)量評分。把上述各個指標的巖體評分值相加起來就得到巖體的RMR值，RMR法評分與巖體等級的關(guān)系如表1所示。

表1 巖體質(zhì)量的RMR評價分類Table 1 Classification of surrounding rock by RMR method

2．2 Q 系統(tǒng)法

Q系統(tǒng)法［10-12］以6個參數(shù)，即 Deere的質(zhì)量指標、節(jié)理組數(shù)、最脆弱的節(jié)理粗糙度系數(shù)、最脆弱節(jié)理面的蝕變程度或充填情況、裂隙水折減系數(shù)和應(yīng)力折減系數(shù)確定圍巖穩(wěn)定性的巖體質(zhì)量指標Q值。具體Q值與圍巖類別的對應(yīng)關(guān)系見表2。

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2．3 HC 法

HC法［13］的工程地質(zhì)分類分為初步分類和詳細分類，以評分的方式對圍巖進行評價。初步分類以巖石強度、巖體完整程度和巖體結(jié)構(gòu)類型為依據(jù)，以巖層走向與洞軸線的關(guān)系、地下水條件為輔助依據(jù)。詳細分類以控制圍巖穩(wěn)定的巖石強度、巖石完整程度、結(jié)構(gòu)面狀態(tài)、地下水和主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀5項因素之和的總評分為基本判據(jù)，圍巖強度應(yīng)力比為限定判據(jù)。HC圍巖分類法同時考慮了高地應(yīng)力對圍巖類別的影響。HC法圍巖類別與評分的對應(yīng)關(guān)系如表3所示。

表3 HC法地下洞室圍巖詳細分類Table 3 Classification of surrounding rock by HC method

2．4 3種分類方法的優(yōu)、缺點

HC分類法、Q系統(tǒng)法及RMR法均考慮了巖石強度、巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面的特征、地下水及地應(yīng)力等因素，并采用了多個指標復(fù)合計算的方法，同時根據(jù)不同影響因素對圍巖穩(wěn)定性影響的權(quán)重進行評分。但3種分類方法在特定的條件下均有一定的局限性，如HC分類法在高地應(yīng)力條件下對圍巖類別采取了降級的處理方法，這樣會影響圍巖分類的精度，同時該方法沒有考慮高外水壓力的影響;Q系統(tǒng)法也有幾個方面的不足，沒有直接考慮巖石的強度，同樣沒有考慮高外水壓力對圍巖類別的影響;RMR法亦沒有考慮高地應(yīng)力和高外水壓力的影響。3種圍巖分類方法均考慮了結(jié)構(gòu)面的影響，但并沒有考慮不同組別結(jié)構(gòu)面的不利組合這一因素的影響。

在地下洞室的圍巖分類中，如果采用單一的方法，所得結(jié)果往往因為分類方法的局限性造成誤差，因此，應(yīng)采用多種分類方法對分類結(jié)果進行對比驗證，使誤差降到最低。

3 CCS水電站地下廠房圍巖分類

3．1 CCS水電站地下廠房圍巖分類標準

在CCS水電站主廠房開挖之前，設(shè)計單位沿廠房軸線方向進行了探硐勘察，并在探硐里進行試驗。但探硐洞徑遠小于廠房，在廠房中導(dǎo)洞開挖過程中，一些探硐中沒有出現(xiàn)的地質(zhì)現(xiàn)象也隨著導(dǎo)洞的開挖推進依次揭露，因而依據(jù)探硐資料建立的圍巖分類也需要進一步的修正和完善，這對提高施工質(zhì)量、保證施工完全及優(yōu)化設(shè)計等都有重要的意義。

為了正確評價地下廠房洞群圍巖的穩(wěn)定性，合理地選取圍巖的力學(xué)參數(shù)及支護類型，并考慮地下洞室區(qū)域地應(yīng)力量值中等、外水壓力較低的特點，選取國際上通用的且對本工程適用性較好的RMR法、Q系統(tǒng)法及HC法進行對比驗證，對地下洞室圍巖進行分類。根據(jù)上述圍巖分類方法，將地下洞室圍巖劃分成5個大類。各類圍巖的分類特征見表4。

表4 CCS水電站地下洞室圍巖分類標準Table 4 Standard of classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

3．2 CCS水電站主廠房圍巖分類

通過廠房中導(dǎo)洞開挖的地質(zhì)編錄及地質(zhì)素描圖并參照表4的分類標準對廠房進行詳細的分段圍巖分類，分類結(jié)果見表5。以RMR法、Q系統(tǒng)法和HC法分類結(jié)果為基礎(chǔ)，對主廠房圍巖進行綜合評判，由表5及表4可以看出，地下廠房圍巖巖體新鮮、堅硬致密，巖石單軸飽和抗壓強度較高，裂隙不發(fā)育-中等發(fā)育，巖體呈整體塊狀-塊狀-次塊狀結(jié)構(gòu)，地應(yīng)力量值中等，地下水不活躍，圍巖穩(wěn)定性較好，以Ⅱ、Ⅲ圍巖為主;局部出現(xiàn)的斷層及破碎帶為碎裂-散體結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性較差，為Ⅳ類圍巖;無Ⅰ類和Ⅴ類圍巖。

3．3 3種圍巖分類方法結(jié)果對比

圖2給出了RMR法、Q系統(tǒng)法及HC法3種不同分類方法各類圍巖所占比例的對比圖。從圖2可以看出:RMR法分類中，Ⅱ類圍巖占58．6%，Ⅲ類圍巖占36．1%，Ⅳ類圍巖占5．3%;Q系統(tǒng)法分類中，Ⅱ類圍巖占43．5%，Ⅲ類圍巖占45．9%，Ⅳ類圍巖占10．6%;HC法分類中，Ⅱ類圍巖占 48．2%，Ⅲ類圍巖占43．6%，Ⅳ類圍巖占8．2%。3種分類方法各類圍巖所占比例稍有差別，但彼此較為接近，這主要是因3種方法所選取的指標的側(cè)重點不完全不同，且部分定性或半定量指標依賴于地質(zhì)人員的經(jīng)驗?？傮w來說，3種方法都較好地評價了地下廠房區(qū)的圍巖特征。

3．4 圍巖分類方法相關(guān)性分析

圖2、圖3及圖4分別給出了RMR法和Q系統(tǒng)法、Q系統(tǒng)法和HC法、HC法和RMR法的相關(guān)性，可以看出，RMR法和Q系統(tǒng)法呈指數(shù)關(guān)系，Q系統(tǒng)法和HC法呈對數(shù)關(guān)系，HC法和RMR法呈線性關(guān)系，三者的相關(guān)系數(shù)別為0．786 2，0．822 9 和 0．920 8，3 類圍巖分類方法的相關(guān)性較高，表明3種分類對CCS水電站地下廠房圍巖分類具有較高的可比性和可參考性，分類結(jié)果的可靠性較高。

表5 CCS水電站廠房分段圍巖分類Table 5 Section-by-section classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

圖2 不同分類方法各類圍巖所占比例Fig．2 Proportions of surrounding rock classified by different classification methods

圖3 RMR法和Q系統(tǒng)法的相關(guān)性Fig．3 Correlation between RMR method and Q system

圖4 Q和HC分類法的相關(guān)性Fig．4 Correlation between Q system and HC method

圖5 HC和RMR分類法的相關(guān)性Fig．5 Correlation between HC method and RMR method

4 結(jié)論與體會

本文對水電工程常用的圍巖分類方法進行了綜合分析及討論，并采用RMR法、Q系統(tǒng)法及水電HC法對厄瓜多爾CCS水電站地下廠房進行了圍巖分類，最終以RMR法、Q系統(tǒng)法和HC法分類結(jié)果為基礎(chǔ)，采用專家經(jīng)驗對主廠房圍巖進行綜合評判，得出各洞段的最終圍巖等級，主要得出了如下結(jié)論:

1)RMR法、Q系統(tǒng)法及水電HC分類法均運用了多個因素復(fù)合計算的方法，全面考慮了巖石的強度、巖體的完整性、結(jié)構(gòu)面的特征、地下水及地應(yīng)力等影響圍巖穩(wěn)定性的因素。

2)CCS地下廠房以Ⅱ、Ⅲ類圍巖為主，局部斷層破碎帶為Ⅳ類圍巖，無Ⅰ類和Ⅴ類圍巖，圍巖條件總體較好。3種分類方法中各類圍巖所占比例相差較小。

3)RMR法和Q系統(tǒng)分類法呈指數(shù)關(guān)系，Q系統(tǒng)法和HC法呈對數(shù)關(guān)系，HC法和RMR法呈線性關(guān)系，三者的相關(guān)系數(shù)別為 0．786 2，0．822 9，0．920 8，3 種圍巖分類方法的相關(guān)性較高。

4)對于水電地下工程圍巖分類，應(yīng)選用在國際上有影響的且常用的2～3種分類方法進行分類，以便相互比較和驗證。

值得一提的是，水電HC圍巖分類方法在國內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，但遠未達到國際通用的程度。在厄瓜多爾CCS水電站地下廠房洞室的施工過程中，地質(zhì)工程師分別采用了RMR法、Q系統(tǒng)法及HC法對洞室進行了圍巖分類，并對結(jié)果進行了對比分析，所得結(jié)果得到了當(dāng)?shù)貥I(yè)主和咨詢專家的認可，這說明了HC法的合理性，同時也為中國規(guī)范向國外推廣應(yīng)用積累了經(jīng)驗。

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