劉永峰

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024)

敦化抽水蓄能電站輸水發(fā)電系統(tǒng)勘察重點(diǎn)探析

劉永峰

(中國(guó)電建集團(tuán) 北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京 100024)

回顧敦化抽水蓄能電站前期工程地質(zhì)勘察工作,梳理分析輸水發(fā)電系統(tǒng)的勘察重點(diǎn),主要包括:地下廠房位置及軸線的選擇、地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析、地應(yīng)力與巖爆評(píng)價(jià)、高壓管道和岔管段圍巖滲透特性研究、高壓管道襯砌形式選擇等。

工程地質(zhì);勘察;高水頭;抽水蓄能電站;輸水發(fā)電系統(tǒng);地下廠房

1 工程概況

敦化抽水蓄能電站位于吉林省敦化市境內(nèi),電站裝機(jī)容量1 400 MW,樞紐工程由上水庫、下水庫、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)等建筑物組成[1]。電站額定水頭655 m,最大凈水頭795 m。水道系統(tǒng)和地下廠房洞室群是抽水蓄能電站的核心工程,其勘察工作是抽水蓄能電站的勘察和設(shè)計(jì)工作的重點(diǎn)。本文梳理敦化工程輸水發(fā)電系統(tǒng)的勘察重點(diǎn)和勘察方法,并根據(jù)實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)條件分析驗(yàn)證勘察結(jié)論,以供借鑒。

2 地下廠房系統(tǒng)勘察重點(diǎn)

敦化抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)深埋于地下,埋

深約400 m,巖性為華力西晚期正長(zhǎng)花崗巖。主要由廠房、主變室、母線洞、尾水調(diào)壓室、尾水閘門室等建筑物組成。其勘察重點(diǎn)包括:地下廠房位置的選擇與優(yōu)化、地下洞室圍巖穩(wěn)定分析等。

2.1 地下廠房位置選擇與優(yōu)化[2]

2.1.1 勘探平硐地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/p>

為查明敦化抽水蓄能電站地下廠房系統(tǒng)的工程地質(zhì)條件以及選擇廠房位置,從下水庫大壩下游側(cè)的山坡上高程695 m處布置勘探平硐PD803,洞長(zhǎng)1 650 m;到達(dá)廠房部位時(shí)勘探平硐PD803洞底高程701 m,高出廠房頂拱64.5 m。通過對(duì)勘探平硐進(jìn)行系統(tǒng)的工程地質(zhì)分段統(tǒng)計(jì)和工程地質(zhì)單元?jiǎng)澐?將廠房平硐PD803劃分為3個(gè)工程地質(zhì)單元,按巖性、巖體風(fēng)化、構(gòu)造發(fā)育等方面進(jìn)行列表比較,詳見表1。

表1 敦化廠房區(qū)平硐PD803圍巖特征分區(qū)比較表

2.1.2 廠房位置比選

水工樞紐布置將首部、中部、尾部三個(gè)廠房布置方案進(jìn)行了比較。首部廠房方案位于F1的下盤巖體中;中部廠房方案位于F1的上盤巖體內(nèi),其可選范圍在平硐地質(zhì)單元的第Ⅱ單元、第Ⅲ單元中;尾部廠房方案位于第Ⅰ單元內(nèi)。各布置方案工程地質(zhì)條件比較見表2。

表2 敦化地下廠房各布置方案工程地質(zhì)條件比較表

從工程地質(zhì)角度分析,上水庫天然的水文地質(zhì)條件良好,無須采用全庫防滲的防滲方式。從減少對(duì)上水庫水文地質(zhì)環(huán)境的影響角度來說,不宜采用首部廠房方案。通過對(duì)廠房區(qū)勘探平硐進(jìn)行系統(tǒng)的工程地質(zhì)分段統(tǒng)計(jì)和工程地質(zhì)單元?jiǎng)澐?將廠房洞室群選擇在斷裂最不發(fā)育、巖體完整性最好的第Ⅲ工程地質(zhì)單元內(nèi)。避開了較大規(guī)模的斷層,選擇了在相對(duì)完整巖體中布置地下廠房洞室群。

2.1.3 廠房位置微調(diào)

在選定了廠房位置后,為了查明廠房的工程地質(zhì)條件在該位置布置了左、右支洞PD803-1、PD803-2,合計(jì)總長(zhǎng)度350 m,穿過廠房?jī)蓚?cè)端墻且超過30 m。

在右側(cè)支洞PD803-1發(fā)現(xiàn)了一條中等傾角斷層fp42,產(chǎn)狀NE20°～25°NW∠35°～50°,寬度3～4 m,斷層帶內(nèi)巖體破碎,呈碎塊狀,巖體有蝕變,呈黃色,破碎帶內(nèi)有滴水。該斷層正好穿過廠房頂拱中部,對(duì)擬選廠房頂拱圍巖穩(wěn)定極為不利。左側(cè)支洞PD803-2揭露的圍巖條件較好,遂決定將廠房位置向西側(cè)平移,為此將勘探支洞PD803-2延長(zhǎng)至235 m。在延長(zhǎng)段開挖完成后經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)編錄查看認(rèn)為,該段圍巖條件很好,可定此處為廠房位置。

微調(diào)后的位置較之前擬定位置整體往西側(cè)平移了約110 m,避開了較大規(guī)模的斷層(見圖1),選擇了在相對(duì)完整巖體中布置地下廠房洞室群。

圖1 敦化廠房位置頂拱高程636.5 m平切圖Fig.1 Flat map of top arch at the elevation of 636.5 m in Dunhua powerhouse

2.1.4 地下廠房軸線選擇

在廠房位置基本選定之后,廠房軸線方向的選擇主要遵循以下原則:

(1) 按照水道系統(tǒng)水工建筑物布置的要求,保證水道系統(tǒng)隧洞進(jìn)出廠房的順暢。

(2) 廠房軸線與巖體中主要構(gòu)造面有較大的夾角(圖2)。

(3) 廠房軸線與工區(qū)內(nèi)最大水平主應(yīng)力方向保持較小的交角。

綜合考慮上述因素,廠房軸線方向選擇NW275°。其與水道系統(tǒng)的軸線方向夾角為80°;與主要的近NNE向斷層夾角近垂直,與主要裂隙發(fā)育方向近SN向的裂隙近垂直,與近EW向裂隙的夾角較小;與最大水平主應(yīng)力方向夾角為20°。當(dāng)廠房軸線為NW275°時(shí),除與近EW向這組裂隙的交角較小外,其余均能較好地滿足各項(xiàng)條件。

圖2 敦化廠房軸線與主要結(jié)構(gòu)面及最大主應(yīng)力關(guān)系圖Fig.2 Relation graph of axis,main structural plane and maximum principal stress in Dunhua powerhouse

2.2 地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定問題

2.2.1 地下廠房區(qū)圍巖穩(wěn)定分析

經(jīng)過比較,選定位置的廠房洞室群圍巖具有良好的整體穩(wěn)定性,圍巖以Ⅱ-Ⅲ類為主。需要關(guān)注的是由廠房區(qū)域主要發(fā)育的幾組結(jié)構(gòu)面相互切割組合形成局部不穩(wěn)定塊體的問題。

根據(jù)廠房勘探平硐裂隙統(tǒng)計(jì),敦化廠房區(qū)主要發(fā)育NW340°～360°、NW270°～300°、NE70°～90°三組走向的陡傾角裂隙,其中NW270°～300°、NE70°～90°兩組中有緩傾角裂隙發(fā)育。據(jù)此進(jìn)行赤平投影分析(圖3),在洞室的端墻、兩側(cè)邊墻及頂拱均可能出現(xiàn)不穩(wěn)定塊體。端墻出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體主要受NW340°～360°這組裂隙的控制,邊墻出現(xiàn)的不穩(wěn)定塊體主要受NW270°～300°、NE70°～90°兩組裂隙的控制,在其他方位裂隙的組合下,形成不穩(wěn)定塊體的概率較大。另外,頂拱部位不穩(wěn)定塊體除了受緩傾角裂隙的影響更大,易在頂拱、拱角部位與陡傾角裂隙組合形成潛在不穩(wěn)定塊體,出現(xiàn)掉塊甚至坍塌,開挖施工時(shí)應(yīng)密切關(guān)注。

2.2.2 地應(yīng)力測(cè)試與巖爆評(píng)價(jià)

廠房區(qū)域的地應(yīng)力測(cè)試點(diǎn)均在廠房軸線探洞的3個(gè)鉆孔中進(jìn)行,以水壓致裂法為主、應(yīng)力解除法為輔,相互驗(yàn)證。其中水壓致裂法在ZK115、ZK116兩個(gè)鉆孔內(nèi)測(cè)試,應(yīng)力解除法在ZK115鉆孔內(nèi)測(cè)試,具體位置見圖4。

圖3 敦化廠房、主變室裂隙赤平投影圖Fig.3 Stereographic projection of Dunhua powerhouse and fracture of main transformer chamber

根據(jù)實(shí)測(cè)地應(yīng)力值,廠房區(qū)為中等地應(yīng)力區(qū)。廠房區(qū)地應(yīng)力范圍值最大水平主應(yīng)力σH為12～16 MPa,最小水平主應(yīng)力σh為7～11 MPa,垂直主應(yīng)力σV為10～13 MPa;最大水平主應(yīng)力方位角為NE50°～79°,優(yōu)勢(shì)方向?yàn)镹E64.5°。

據(jù)鉆孔ZK115-ZK117在廠房部位實(shí)測(cè)最大水平主應(yīng)力值估算巖石強(qiáng)度應(yīng)力比值,判斷巖爆發(fā)生的強(qiáng)度。廠房區(qū)微新正?；◢弾rRb最小值69.80 MPa,平均值128.76 MPa,取最小值進(jìn)行計(jì)算(見表3)。

表3 廠房部位巖石強(qiáng)度應(yīng)力比及巖爆評(píng)價(jià)

由上表巖石強(qiáng)度應(yīng)力比值所對(duì)應(yīng)的巖爆級(jí)別得出:廠房部位僅為輕微巖爆,表現(xiàn)圍巖表層有脫落、剝離現(xiàn)象,洞頂和側(cè)壁的劈裂—松脹等,影響深度<0.5 m,對(duì)工程影響較小。

圖4 地下廠房地應(yīng)力測(cè)試位置示意圖Fig.4 Schematic diagram of measuring positions of ground stress about underground powerhouse

3 壓力管道及岔管段勘察重點(diǎn)

抽水蓄能電站壓力管道及岔管段一般承受高于常規(guī)水電站的內(nèi)水壓力。因此,研究巖體在高水頭下的滲透特性、滲透穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)面張開壓力是該部位的勘察重點(diǎn)。一般采用鉆孔高壓壓水試驗(yàn)方法作為勘察手段[3],并根據(jù)壓水試驗(yàn)結(jié)果對(duì)圍巖分擔(dān)高內(nèi)水壓力的適應(yīng)性進(jìn)行評(píng)價(jià),為高壓管道襯砌形式選擇提供地質(zhì)資料。

3.1 高壓壓水試驗(yàn)

敦化抽水蓄能電站最大靜水頭795 m,在引水系統(tǒng)上斜段—中平段區(qū)域、下斜段—下平段區(qū)域、高壓岔管—廠房區(qū)域等10孔內(nèi)進(jìn)行了高壓壓水試驗(yàn)。其中,引水系統(tǒng)上斜段—中平段區(qū)域的最大試驗(yàn)壓力為6 MPa,其余地段最大試驗(yàn)壓力為10 MPa,一般采用4個(gè)壓力、分7個(gè)階段完成,分別選取了在完整巖體、有隱裂隙發(fā)育、裂隙發(fā)育等不同構(gòu)造發(fā)育的巖體類型中進(jìn)行試驗(yàn),每級(jí)壓水時(shí)間為前階段壓力值下的滲流流量穩(wěn)定30 min后進(jìn)行下一壓力級(jí)壓水。在每個(gè)壓水試驗(yàn)段位置進(jìn)行了水力劈裂試驗(yàn),實(shí)測(cè)出不同巖體類型的原位抗劈裂壓力的臨界值。

3.2 試驗(yàn)成果分析整理

根據(jù)鉆孔高壓壓水試驗(yàn)成果資料分析整理P-Q曲線,由曲線特點(diǎn)判讀每段壓水試驗(yàn)曲線類型,并將試驗(yàn)結(jié)果按照試驗(yàn)段圍巖類型歸納分析如下:①較完整的Ⅰ-Ⅱ類圍巖洞段;②裂隙發(fā)育的Ⅲ類圍巖洞段;③斷層破碎帶Ⅳ-Ⅴ類圍巖洞段(表4)。

表4 各類圍巖高壓水作用下工程地質(zhì)特性

從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,完整的Ⅱ類圍巖一般有較好的抗?jié)B透破壞能力,抗劈裂值較好;裂隙發(fā)育的Ⅲ類圍巖以及斷層破碎帶Ⅳ-Ⅴ類圍巖洞段,結(jié)構(gòu)面的力學(xué)性質(zhì)等對(duì)巖體的抗?jié)B抗劈裂能力為關(guān)鍵影響因素,當(dāng)其力學(xué)性質(zhì)為壓性,充填密實(shí)、連通性差的結(jié)構(gòu)面也可能具有較好抗?jié)B性能,因此結(jié)構(gòu)面發(fā)育的巖體其抗?jié)B透破壞能力具有較大的不穩(wěn)定性。

3.3 高壓管道襯砌形式推薦

高壓管道及岔管采用鋼筋混凝土襯砌時(shí),主要依靠圍巖承擔(dān)內(nèi)水壓力,因此需要圍巖具有較好的完整性以及抗水力劈裂特性,并且需要同時(shí)滿足以下幾個(gè)條件:①管道線路布置要滿足內(nèi)水壓力上臺(tái)理論,即需要足夠的上覆巖體以及側(cè)向巖體覆蓋厚度;②滿足最小應(yīng)力準(zhǔn)則,即管道及岔管圍巖初始最小主應(yīng)力大于該處管道最大內(nèi)水壓力的1.2～1.5倍;③對(duì)于Ⅰ-Ⅱ類圍巖,壓水試驗(yàn)表明內(nèi)水壓力小于其抗劈裂壓力值;對(duì)于Ⅲ類圍巖應(yīng)進(jìn)行高壓灌漿處理;對(duì)于Ⅳ-Ⅴ類圍巖,需作置換處理。

從地應(yīng)力測(cè)試成果分析,敦化高壓管道圍巖地應(yīng)力值滿足鋼筋混凝土襯砌條件,但從高壓壓水試驗(yàn)成果來看,高壓管道段巖體的滲透性具有較大的跳躍性,透水率值與結(jié)構(gòu)面的性狀及結(jié)構(gòu)面貫通性有關(guān)。而結(jié)構(gòu)面發(fā)育部位圍巖的抗?jié)B能力關(guān)系到整個(gè)高壓管道的安全,雖然圍巖破碎段可采取工程措施進(jìn)行處理,但在高水頭作用下管道圍巖的穩(wěn)定仍有較大的風(fēng)險(xiǎn)性。

鋼板襯砌較混凝土襯砌對(duì)圍巖有較好的適應(yīng)性,且能降低裂隙巖體抗?jié)B性能不確定性的風(fēng)險(xiǎn),因此從穩(wěn)妥和安全的角度出發(fā),推薦敦化抽水蓄能電站高壓管道選擇采用鋼板襯砌方案。

4 結(jié)語

敦化抽水蓄能電站已于2013年7月開工。目前,地下廠房及主變室均已完成了第一層中導(dǎo)洞的開挖工作,從揭露的地質(zhì)條件來看,廠房及主變室圍巖條件較好,巖體結(jié)構(gòu)類型以塊狀—次塊狀結(jié)構(gòu)為主,無較大結(jié)構(gòu)面通過,整體圍巖分類以Ⅱ類為主。

從實(shí)際開挖揭露的地質(zhì)條件分析,廠房區(qū)未發(fā)現(xiàn)新的規(guī)模較大的斷層、裂隙密集帶及軟弱夾層等通過,與可研階段勘察結(jié)論一致,說明廠房部位的勘察工作及評(píng)價(jià)結(jié)論是客觀準(zhǔn)確的。

[1] 邱彬如,呂明治.抽水蓄能電站樞紐布置[C]//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)電網(wǎng)調(diào)峰與抽水蓄能專業(yè)委員會(huì).抽水蓄能電站工程建設(shè)文集:2011.北京:中國(guó)電力出版社,2011:89-96.

[2] 劉永峰,陳丹.敦化抽水蓄能電站地下廠房位置的選擇[C]//中國(guó)水力發(fā)電工程學(xué)會(huì)電網(wǎng)調(diào)峰與抽水蓄能專業(yè)委員會(huì).抽水蓄能電站工程建設(shè)文集:2013.北京:中國(guó)電力出版社,2013:109-114.

[3] 郭啟良,安美其,丁立豐.高水頭電站鉆孔高壓壓水的作用和意義[C]//中國(guó)地震局地殼應(yīng)力研究所.地殼構(gòu)造與地殼應(yīng)力文集:13.北京:地震出版社,2000:148-154.

(責(zé)任編輯：于繼紅)

Further Analysis of Investigation Emphases on Water Conveyance andPower Generation System of Dunhua Pumped Storage Power Station

LIU Yongfeng

(PowerchianBeijingEngineeringCorporationLimited,Beijing100024)

The investigation emphases on water conveyance and power generation system of Dunhua pumped storage power station are analyzed through reviewing the preliminary engineering geological investigation,which mainly including the selection of location and axis of the underground powerhouse,the stability analysis of surrounding rock of underground powerhouse cavern complex,the evaluation of ground stress and rock burst,the seepage characteristics for the surrounding rock of high pressure pipes and branch pipe sections,and the selection of lining pattern of high pressure pipeline.

engineering geology; investigation; high head; pumped storage power station; water conveyance and power generation system; underground powerhouse

2016-04-22;改回日期:2016-05-09

劉永峰(1983-),男,高級(jí)工程師,工程地質(zhì)專業(yè),從事大型抽水蓄能電站以及常規(guī)水電站地質(zhì)勘察工作。E-mail:liuyf@bhidi.com

TV743; TV73

A

1671-1211(2016)03-0374-05

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.030

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160505.1531.016.html 數(shù)字出版日期:2016-05-05 15:31