李 松，高 健，高 博

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，長春130021）

1 工程概況

垣曲抽水蓄能電站位于山西省運(yùn)城市垣曲縣境內(nèi)，站點距運(yùn)城100km，距垣曲縣35km。 電站為一等工程，規(guī)模為大（1）型，電站樞紐建筑物主要由上水庫、水道系統(tǒng)、下水庫擋水和泄水建筑物、地下廠房及其附屬建筑物等組成。 電站安裝4 臺單機(jī)容量為300MW 的立軸單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組，裝機(jī)容量1200MW。 地下廠房埋深224.20～324.20m，主副廠房洞開挖尺寸170.0m×24.5（26）m×53.5m（長×寬×高）。 主變洞平行布置在主廠房下游，與主副廠房洞之間的巖體厚度40m， 主變洞開挖尺寸為145.0m×21.0m×22.0 m（長×寬×高）。 三者緊密布置，且與其他洞室交錯相接， 進(jìn)而構(gòu)成了極其復(fù)雜龐大的地下洞室群。 因此地下廠房軸線方向的選擇直接關(guān)系到地下洞室群整體的穩(wěn)定性。

2 研究區(qū)主要工程地質(zhì)特性

2.1 地形地貌

地下廠房系統(tǒng)位于松樹嶺村所在山梁上， 地形上總體表現(xiàn)為“兩溝夾一梁”，其東側(cè)為嶺溝，走向N5°W～N25°E，西側(cè)為泉溝，走向N22°E～N57°E，山梁總體走向為N10°E，寬約300m，高程650～756m，兩岸地形坡度為30°～40°，局部基巖陡立。

2.2 地層巖性

地下廠房系統(tǒng)基巖巖性主要為震旦系下統(tǒng)馬家河組安山巖，以及紫紅色凝灰熔巖透鏡體，屬中性熔巖?？碧狡蕉磧?nèi)布置5個鉆孔，均揭露凝灰熔巖，以透鏡體形式出露，單層厚度一般1.2～27m，平均值約8m；根據(jù)勘探平洞內(nèi)鉆孔中凝灰熔巖出露情況統(tǒng)計，馬家河組巖層中凝灰熔巖約占4%～35%， 引水岔管ZK213鉆孔凝灰熔巖所占比例較大，約占53%。 山脊覆蓋層為風(fēng)積（）粉質(zhì)黏土（馬蘭黃土），厚度15～30m，兩側(cè)大部分基巖裸露。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

（1）根據(jù)地質(zhì)測繪、鉆探、勘探平洞揭露，廠區(qū)內(nèi)斷層分為3類，第1類是在廠房區(qū)出露，但未延伸至廠區(qū)廠房頂拱（高程約426.3m）的斷層，如F50，F(xiàn)111，F(xiàn)112等斷層；第2類是在廠房區(qū)出露，且已延伸至廠房底板高程， 但在廠房開挖區(qū)以外出露的斷層，如F145，F(xiàn)147，F(xiàn)148，f71等斷層， 其中規(guī)模較大的F145斷層靠近副廠房，距副廠房右端墻7.66～22.47m；第3類為廠區(qū)內(nèi)主要發(fā)育的斷層， 即在廠房開挖區(qū)內(nèi)出露的斷層，如F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等斷層，其中F146，f77斷層出露寬度0.80～2.00m，f68，f79，f81、f83斷層出露寬度0.10～0.20m，f53，f54，f65，f80斷層出露寬度0.03～0.05m。

F7 接觸擠壓破碎帶距地下廠房水平距離近500m。 F7接觸擠壓破碎帶產(chǎn)狀： 走向N67°E， 傾向NW，傾角54°，破碎帶寬度25～65m，由斷層角泥、碎裂巖、糜棱巖及碎屑組成，性狀極差。 上盤巖性為石英砂巖，下盤巖性為安山巖，為地下廠房區(qū)域發(fā)育規(guī)模最大的構(gòu)造破碎帶， 廠房軸線方向選擇應(yīng)充分考慮該斷層影響。

（2）據(jù)PD201，PD202，PD203，PD205，PD206勘探平洞勘探資料統(tǒng)計， 廠區(qū)部位的節(jié)理裂隙主要發(fā)育四組：

J1走向N50°～70°E，傾向SE （NW），傾角60°～75°，少數(shù)45°～55°，節(jié)理間距10～30cm，局部50～80cm，節(jié)理多閉合，局部張開2～5mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續(xù)分布，局部延伸較長，節(jié)理面起伏粗糙，局部平直光滑；該組節(jié)理最發(fā)育。

J2走向N60°～80°W，傾向NE（SW），傾角65°～85°，或45°～50°，節(jié)理間距30～60cm，局部10～20cm，節(jié)理多閉合，局部張開2～3mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續(xù)分布，局部連續(xù)出露，節(jié)理面多平直粗糙；該組節(jié)理次之。

J3走向N15°～30°E，傾向NW（SE），傾角40°～60°，節(jié)理間距20～50cm，節(jié)理多閉合，少數(shù)張開3～5mm，充填方解石脈，斷續(xù)分布，節(jié)理面起伏（平直）粗糙；該組節(jié)理不發(fā)育；

J4走向N15°～30°W，傾向SW，傾角70°～80°，節(jié)理間距20～30cm，節(jié)理多閉合，局部張開3～5mm，充填方解石脈，個別充填巖屑或泥，斷續(xù)分布，局部連續(xù)出露，節(jié)理面起伏粗糙，局部平直光滑；該組節(jié)理不發(fā)育。

此外廠房區(qū)域探洞揭露緩傾角節(jié)理不發(fā)育，局部零星出露。

2.4 水文地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)域地下水類型為基巖裂隙水， 主要受大氣降水補(bǔ)給， 以脈狀或網(wǎng)狀貯存于斷層帶及節(jié)理內(nèi)，天然地下水位總體上東北高、西南低，最終排泄至下水庫。 根據(jù)廠房鉆孔ZK203水位觀測資料，地下水位埋深一般130m左右， 地下水位高程568m左右；廠房區(qū)地下水位高程637m左右，高出廠房頂拱約210m，廠房區(qū)內(nèi)水位變化不大。 勘探平洞PD201開挖至樁號1+084m及在廠房十字支洞PD202開挖至樁號0-102～0-059m時， 頂拱和邊墻多處均出現(xiàn)線狀流水， 流量約為18～70L/min。 據(jù)鉆孔高壓壓水試驗資料，廠區(qū)巖體透水率一般在3Lu左右，屬于弱透水巖體，局部屬微透水巖體。

對地下廠房區(qū)地下水取樣進(jìn)行水質(zhì)分析。 所取水樣的水質(zhì)各項指標(biāo)均未超標(biāo)， 地下水對建筑物混凝土不具腐蝕性。

3 地下廠房軸線方向選擇

類比于其他工程建筑物， 地下廠房具有顯著的工程特點，根據(jù)SL279—2016《水工隧洞設(shè)計規(guī)范》，在滿足總體要求的條件下， 洞線宜布置在地質(zhì)構(gòu)造簡單、巖體完整穩(wěn)定、水文地質(zhì)條件有利及施工方便的地區(qū)。洞線與巖層、構(gòu)造線及主要軟弱帶走向宜有較大的交角； 對整體塊狀結(jié)構(gòu)巖體及厚層并膠結(jié)緊密、巖石堅硬完整地巖體，交角不宜小于30°；對薄層巖體、特別是層間結(jié)合較差的陡傾角薄巖層，交角不宜小于45°。 隧洞通過較大的地質(zhì)構(gòu)造帶時，綜合考慮，選定洞線方向。

深埋地下廠房軸線方向的選擇不僅要考慮結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，還需要考慮與地應(yīng)力的關(guān)系。當(dāng)洞室長軸方向與最大主應(yīng)力方向水平投影的夾角在15°～30°時，其穩(wěn)定性較好，但是洞室長軸方向不宜與結(jié)構(gòu)面走向平行。 在各向異性巖體中若主應(yīng)力方向與結(jié)構(gòu)面、層理走向相近時，洞室長軸方向與結(jié)構(gòu)面走向夾角不小于35°。

一般而言， 深埋地下廠房軸線方向選擇主要遵循以下原則：廠房軸線與巖體中主要結(jié)構(gòu)面（斷層、節(jié)理）走向呈大角度相交；廠房軸線與工程區(qū)內(nèi)最大主應(yīng)力方向保持小角度相交或平行。 特別是高地應(yīng)力地區(qū)， 廠房縱軸線走向應(yīng)與地應(yīng)力最大主應(yīng)力水平投影方向的交角宜采用較小角度。 根據(jù)以上兩點原則結(jié)合垣曲抽水蓄能電站工程廠房區(qū)域的地質(zhì)特點分別在構(gòu)造裂隙及地應(yīng)力兩個方面做了針對性分析論述。

（1）通過常規(guī)地質(zhì)測繪、鉆探、勘探平洞等勘查手段，查明廠房區(qū)域主要構(gòu)造裂隙（斷層、節(jié)理）的發(fā)育規(guī)律：由于整個工程區(qū)域地層非常古老，并且受到多期次的地質(zhì)構(gòu)造運(yùn)動影響，導(dǎo)致廠區(qū)的斷層、節(jié)理非常發(fā)育，受其互相切割影響，工程區(qū)域巖體相對較破碎，強(qiáng)度較低。經(jīng)過大量的內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析分別繪制了斷層及節(jié)理的走向玫瑰花圖， 確定研究區(qū)的主要結(jié)構(gòu)面走向的發(fā)育方向。 如圖1，圖2。

圖1 研究區(qū)斷層玫瑰花圖

圖2 廠房區(qū)域節(jié)理走向玫瑰花圖

通過以上數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析地下廠房主要結(jié)構(gòu)面發(fā)育方向多為NE～NNE， 初步確定廠房方向并確定上下游及兩側(cè)邊墻與結(jié)構(gòu)面組合關(guān)系，如圖3，圖4。

圖3 廠房區(qū)域400.5m高程平切圖

圖4 廠房區(qū)域節(jié)理走向赤平投影圖

（2）為查明地下廠房、高壓岔管等工程部位的原始地應(yīng)力大小及其方向、空間分布規(guī)律，在位于1#引水岔管部位鉆孔ZK213和廠房右支洞PD202部位鉆孔ZK215中采用水壓致裂法、在廠房右支洞PD202水平孔ZK215-1中采用空心包體套芯應(yīng)力解除法分別進(jìn)行了地應(yīng)力測試工作。

水壓致裂原地應(yīng)力測試分析結(jié)果表明， 該工程區(qū)的現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力作用明顯， 三向主應(yīng)力之間的關(guān)系表現(xiàn)為：SH＞SV＞Sh，應(yīng)力狀態(tài)有利于走滑斷層活動；測區(qū)現(xiàn)今應(yīng)力場狀態(tài)以近NE向擠壓為主，實測最大主應(yīng)力優(yōu)勢方位N17.6°E～N36.8°E。 根據(jù)水壓致裂測試結(jié)果，對于ZK213孔（岔管）水平最大、最小主應(yīng)力范圍分別為7.71～15.14MPa和5.35～9.21MPa， 平均值分別為10.74MPa和6.99MPa。 對于ZK215孔（廠房），水平最大、 最小主應(yīng)力范圍分別為10.06～16.04MPa和6.87～9.35MPa，平均值分別為12.24，8.71MPa?？傮w來說水平主應(yīng)力作用較為明顯， 需要引起工程施工和設(shè)計單位的重視。

空心包體應(yīng)力解除三維應(yīng)力測量結(jié)果。 在6.1～6.4m的測量深度上，最大主應(yīng)力（σ1）10.5MPa、中間主應(yīng)力（σ2）8.1MPa、最小主應(yīng)力（σ3）7.2MPa。 最大主應(yīng)力的方向呈向近NE，傾角7.14°；中間主應(yīng)力（σ2）的方向呈近NW向，傾角4.97°；最小主應(yīng)力（σ3）的方向呈SEE向，傾角-81.29°。

有限元計算結(jié)果。 應(yīng)力云圖基本上呈沿著河流走向的條帶式分布， 隨地勢升高應(yīng)力值逐漸增大；廠房機(jī)組安裝高程（385m）位置的應(yīng)力：測點附近的σ1計算應(yīng)力值為8.5～9.5MPa，σ1主應(yīng)力方位為近NE向，σ2計算值為為8.5～9.5MPa，σ3計算應(yīng)力值為7.5～8.5MPa， 最小主應(yīng)力σ3方位在工程區(qū)附近為近NW向。

廠房區(qū)及引水線路應(yīng)力值。 由數(shù)值模型得到的廠房區(qū)的最大主應(yīng)力范圍在8.0～16.0MPa之間，中間主應(yīng)力范圍在7.5～10.5MPa之間，最小主應(yīng)力范圍在6.0～9.5MPa之間；輸水洞線經(jīng)過區(qū)域較廣，而且埋深在不同部位各不相同，如果洞線埋深較淺，則應(yīng)力值偏小，反之亦然。

工程區(qū)應(yīng)力場總體特征。 工程區(qū)的現(xiàn)今地殼應(yīng)力特征主要表現(xiàn)為上覆巖體的靜巖壓力與構(gòu)造應(yīng)力共同作用的結(jié)果； 工程區(qū)地應(yīng)力場明顯受地形的影響，構(gòu)造應(yīng)力隨埋深增加而增加；工程區(qū)水平最大主壓應(yīng)力方位近NE方向；測點附近水平應(yīng)力起主導(dǎo)作用。

綜合以上兩點數(shù)據(jù)結(jié)論， 最大主應(yīng)力優(yōu)勢方位N17.6°E～N36.8°E，最小水平主應(yīng)力（σh）值為5.35～9.35MPa，最大水平主應(yīng)力（σH）值為7.71～16.04MPa，屬中低等應(yīng)力場，最大與最小應(yīng)力差值較小，圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比大于7，廠房軸線選取以結(jié)構(gòu)面為主。

地下廠房軸線方向選擇N46°W方向布置， 其軸線與主應(yīng)力方向交角為63.6°～82.8°，平均為73.2°。 廠房軸線與F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等斷層及NEE向主要節(jié)理近于垂直；與NWW向節(jié)理交角小于30°。 故地下廠房軸線方向N46°W是合適的。

此外深埋地下廠房軸線方向選擇還需要考慮是否能合理兼顧地質(zhì)條件、施工、運(yùn)行等因素，統(tǒng)籌考慮，結(jié)合水工結(jié)構(gòu)的自身特點抓住工程核心及重點，盡量規(guī)避、限制或處理缺陷及薄弱環(huán)節(jié)，最終達(dá)到工程建設(shè)與自然環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

4 結(jié)語

（1）垣曲抽水蓄能電站地下廠房軸線選擇N46°W方向是適宜的。

（2）建議深埋地下廠房軸線方向選擇應(yīng)充分考慮廠房區(qū)域主要裂隙（斷層、節(jié)理）的發(fā)育產(chǎn)狀和廠區(qū)最大主應(yīng)力方向。

（3）分析統(tǒng)計結(jié)構(gòu)面發(fā)育規(guī)律時，原始數(shù)據(jù)確保真實可靠，特別是緩傾角軟弱結(jié)構(gòu)面。 尤其在洞室交叉段及大跨度部位， 頂拱及邊墻多發(fā)生塌方、掉塊現(xiàn)象。

（4）由于地應(yīng)力測試數(shù)據(jù)相對較少及離散，以及數(shù)據(jù)處理中的邊界理想化處理， 使得最大主應(yīng)力計算結(jié)果與實際有所偏差， 因此廠房軸線布置時應(yīng)充分考究。