何艷麗
(廣東省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,廣東 廣州 510635)
地下廠房是抽水蓄能電站的主要建筑物之一,其位置和軸線的選擇是樞紐布置格局中的重要工作[1-2]。地下廠房的位置和軸線對(duì)工程布置、工程施工和工程投資等產(chǎn)生重大影響。本文通過(guò)對(duì)桐城抽水蓄能電站的廠房地質(zhì)探洞的圍巖分類、結(jié)構(gòu)面的發(fā)育情況和地應(yīng)力情況等地質(zhì)條件的分析,并結(jié)合工程樞紐布置,從而選定合適的廠房位置和軸線。
桐城抽水蓄能電站位于安徽省安慶市桐城市境內(nèi),距桐城市現(xiàn)有公路里程約31 km,距合肥市公路里程為138 km。電站站址地處大別山區(qū),屬長(zhǎng)江流域。電站安裝4臺(tái)單機(jī)容量為320 WM的單級(jí)立軸混流可逆式水泵水輪機(jī)-發(fā)電電動(dòng)機(jī)組,總裝機(jī)容量為1 280 MW。樞紐建筑物由上水庫(kù)、下水庫(kù)、輸水系統(tǒng)、廠房系統(tǒng)和場(chǎng)內(nèi)永久公路等部分組成。地下廠房埋深為215~265 m,主副廠房洞、主變洞、尾閘洞三大洞室平行布置方式。主副廠房洞開挖尺寸為184.25 m×26.75 m×59.0 m(長(zhǎng)×寬×高,下同),主變洞開挖尺寸為172.0 m×21.0 m×22.5 m,距主廠房下游42 m處,尾水事故閘門洞開挖尺寸為114.0 m×8.8 m×21.7 m,位于主變洞下游側(cè) 35 m 處。
本工程輸水發(fā)電系統(tǒng)沿胡沖溝、毛家店溝之間的山梁布置,洞線總體方向?yàn)镾85°E(近EW)→S45°E~S70°E,沿線山體較雄厚,高差大,線路兩側(cè)SE~SEE向沖溝發(fā)育,地形較為凌亂,沖溝一般切割不深,溝內(nèi)基巖出露,部分為沖洪積滾石堆積,長(zhǎng)年流水。地面高程在155~593 m之間,山坡走向S50°E,坡度約30°~40°,上覆巖體厚度一般為100~340 m。高程為450~500 m之間地形較緩,紅星林場(chǎng)附近(高程為310~330 m)為平緩坡地,覆蓋層較厚,沿線山坡植被茂密。
廠區(qū)輸水發(fā)電系統(tǒng)位于棋盤石向斜的南東翼,呈單斜構(gòu)造,綜合地表地質(zhì)測(cè)繪、物探測(cè)試成果、探洞TD01及3個(gè)深孔(SZK17、ZK3010、ZK3011)揭露,地層片麻理總體產(chǎn)狀為N45°~75°E/SE∠25°~45°。
1) 斷層
廠區(qū)沿線未揭示有較大的斷層破碎帶穿過(guò),工程區(qū)的斷層走向玫瑰示意見圖1所示。廠房地質(zhì)探洞揭露的斷層走向玫瑰示意見圖2所示。
目前,輸水發(fā)電系統(tǒng)揭露的主要斷層有18條,均為陡傾角,可劃分為NE向、NNE向、近SN向和近EW向4組,規(guī)模較小,寬0.05~1.2 m不等,均屬Ⅲ級(jí)結(jié)構(gòu)面,斷層多由碎裂巖、角礫巖組成,個(gè)別充填糜棱巖、石英脈、斷層泥等。
圖1 工程區(qū)斷層走向玫瑰示意
圖2 廠房地質(zhì)探洞揭露的斷層走向玫瑰示意
2) 節(jié)理裂隙
廠區(qū)除發(fā)育有二長(zhǎng)片麻巖中除片麻理外,還發(fā)育NNE 向、NW 向節(jié)理(裂隙),局部形成節(jié)理(裂隙)密集帶;其次為NE~NEE 向,以中陡傾角為主。
3) 接觸面
廠房地質(zhì)探洞揭露的巖層接觸面走向見圖3所示。
圖3 廠房地質(zhì)探洞揭露的巖層接觸面走向玫瑰示意
4) 地應(yīng)力
根據(jù)地應(yīng)力測(cè)試成果,地下廠房區(qū)最大主應(yīng)力σ1=15.0~20.0MPa,方向?yàn)镹51°~76°E,主要為NE~NEE向,中等~緩傾角。強(qiáng)度應(yīng)力比Rb/σ1=5~7,為中低應(yīng)力,最大水平主應(yīng)力σh=15.1~19.9 MPa,方向?yàn)镹48°~61°E,地應(yīng)力對(duì)圍巖穩(wěn)定及廠房軸線選擇不起控制作用,廠房軸線選擇時(shí)可主要考慮與地質(zhì)結(jié)構(gòu)面方向的關(guān)系。
地下廠房軸向及位置的選擇,不但影響著整個(gè)水道廠房系統(tǒng)的布置格局,也是水道廠房系統(tǒng)總體投資的關(guān)鍵因素;廠房軸線及位置的正確選擇,能有效控制工程的設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn),減少工程投資,而且能有效控制地下水,改善地下廠房的運(yùn)行環(huán)境[3-4]。
廠房軸線和位置的選擇遵循以下原則:
1) 廠房軸線方向宜盡量垂直于地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)面,或具有較大的交角,同時(shí)要兼顧次要結(jié)構(gòu)面及中低地應(yīng)力對(duì)洞室穩(wěn)定的影響。
2) 廠房軸線和位置的選擇應(yīng)考慮水道系統(tǒng)和輔助洞室的布置,使總體樞紐布置協(xié)調(diào)合理、流道順暢。
3) 廠房位置的選擇,應(yīng)力求將廠房洞室群布置在新鮮,完整的巖體中,盡量避開大的斷層和破碎帶,盡量選擇在巖體裂隙水不發(fā)育的地區(qū)。
4) 根據(jù)樞紐布置格局比選成果,地下廠房布置在輸水發(fā)電系統(tǒng)下洞線方案的中部。
根據(jù)地下廠房主探洞的勘察成果,地下廠房圍巖地質(zhì)情況以控制性斷層f309、f319為分界,主要分為三大部分:
1) 探洞樁號(hào)TD 0+083~TD 0+456 m(該段分布范圍主要在f309斷層及其下盤):發(fā)育斷層f303~f309,以碎裂巖為主,規(guī)模較小,膠結(jié)一般~較好,局部沿?cái)鄬訋纬闪严睹芗瘞?;以NNE向裂隙為主,局部為NE和NW向裂隙,不甚發(fā)育;地下水整體干燥,局部潮濕,見滴滲水,其中在0+450~0+456段沿f309斷層帶見線流狀滲水,q=30~40 L/min;
2) 探洞樁號(hào)TD 0+456~TD 0+775 m(該段分布范圍主要在f309斷層上盤及f319斷層的下盤):發(fā)育f310~f318斷層,斷層帶多為碎裂巖、角礫巖,部分見糜棱巖和斷層泥,規(guī)模較小,膠結(jié)一般~較好;以NNE向裂隙為主,局部為NE和NW向裂隙,不甚發(fā)育;地下水整體干燥,無(wú)明顯滴滲水;
3) 探洞樁號(hào)TD 0+775~TD 0+1 053 m(該段分布范圍主要在f319斷層及其上盤):發(fā)育f319~f324,斷層帶多為碎裂巖、角礫巖,局部見糜棱巖和斷層泥,規(guī)模較小,膠結(jié)一般~較差。局部沿?cái)鄬訋Ш臀⒘严栋l(fā)育段形成裂隙密集帶,巖體完整性較差;以NNE向和NW向裂隙為主,局部為NE向裂隙,較發(fā)育,局部微裂隙組合形成裂隙密集帶,圍巖整體性一般~較差;多處潮濕、滴滲水,局部干燥。其中在0+840~0+867和0+883~0+913段呈線流狀滲水,q=25~32 L/min不等。
由以上地質(zhì)勘察成果可見,探洞樁號(hào)TD 0+456~TD 0+775 m(該段分布范圍主要在f309斷層上盤及f319斷層的下盤)的圍巖地質(zhì)條件及水文地質(zhì)條件均較好;此外,推薦的樞紐布置格局,輸水系統(tǒng)平面布置采用下洞線方案,廠房開發(fā)方式采用中部式。因此,廠房位置的初選宜布置在f309斷層的上盤、f319斷層的下盤,對(duì)應(yīng)的探洞樁號(hào)范圍為TD 0+450~TD 0+778,并在此基礎(chǔ)上,進(jìn)一步開展廠房軸線方向的選擇。
在初選的廠房位置范圍內(nèi),廠房軸線的選擇,應(yīng)使得廠房位置盡可能避開廠區(qū)主要控制性斷層f309、f319,或使得廠房主要洞室與上述斷層具有較大的交角;此外,廠房軸線和位置的選擇應(yīng)考慮水道系統(tǒng)和輔助洞室的布置,使總體樞紐布置協(xié)調(diào)合理、流道順暢。 結(jié)合下洞線方案輸水發(fā)電系統(tǒng)的布置,通過(guò)方案比較,廠房軸線選擇推薦采用NE45°(見圖4所示)。
圖4 輸水廠房系統(tǒng)底板85.0 m高程地質(zhì)平切示意(NE45°廠房軸線)
桐城抽水蓄能電站地下廠房位于微風(fēng)化二長(zhǎng)片麻巖巖體中,巖石強(qiáng)度高,吸水率低。綜合考慮了地質(zhì)條件、工程布置和運(yùn)行條件等因素,廠房位置選擇布置于樁號(hào)TD0+600 m至0+815 m(廠房地質(zhì)探洞樁號(hào))的范圍內(nèi),廠房軸線為NE45°。