鄭海倫，于立宏，劉德斌

(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)

抽水蓄能電站是利用電能將水從下水庫(kù)抽到上水庫(kù)進(jìn)行儲(chǔ)能，需要電能時(shí)，再把水從上水庫(kù)放到下水庫(kù)進(jìn)行發(fā)電的一種水電站[1]。這是一個(gè)系統(tǒng)工程[2]，設(shè)計(jì)需要按照中華人民共和國(guó)能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)“抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范”進(jìn)行[3]，設(shè)計(jì)過(guò)程中涉及水文、動(dòng)能、工程地質(zhì)、水工結(jié)構(gòu)、水力機(jī)械、電氣等方方面面，專(zhuān)業(yè)性強(qiáng)，各專(zhuān)業(yè)更需要密切配合。工程地質(zhì)專(zhuān)業(yè)需要遵守“水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范”進(jìn)行[4]。

渾源抽水蓄能電站為一裝機(jī)1500MW的大(1)型工程，泄洪排沙洞出口樁號(hào)0+660～0+694.3m段為城門(mén)洞型，洞高11.9m，上覆巖體厚0～23.8m，即泄洪排沙洞該洞段隧洞埋深小于2倍洞徑，如圖1—2所示。

圖1 泄洪排沙洞軸線工程地質(zhì)剖面圖

水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范內(nèi)沒(méi)有此種條件下的圍巖分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[5]，泄洪排沙洞該洞段圍巖類(lèi)別如何確定，工程地質(zhì)如何評(píng)價(jià)，對(duì)于渾源抽水蓄能電站工程具有重要意義。

1 工程地質(zhì)條件

泄洪排沙洞位于渾源抽水蓄能電站下水庫(kù)河流左岸，出口段軸線方向NW336.8°，地層年代為太古代，巖性為片麻巖，灰色，主要礦物成份為長(zhǎng)石、角閃石、石英，粒狀變晶結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，片麻理主要由角閃石、黑云母組成，片麻理發(fā)育規(guī)律性差，整體產(chǎn)狀：走向NW300°，傾向NE，傾角42°。巖石呈弱風(fēng)化～微風(fēng)化狀態(tài)，巖石點(diǎn)荷載試驗(yàn)表明，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度值為50MPa，工程地質(zhì)測(cè)繪、鉆孔資料表明，片麻理結(jié)合緊密、強(qiáng)度高，片麻理不能成為該區(qū)結(jié)構(gòu)面。該區(qū)域不發(fā)育斷層等大的地質(zhì)缺陷，節(jié)理裂隙主要發(fā)育有3組，分別為：①走向NW330°～350°，傾向NE，傾角60°～80°，間距10～20cm；②走向NE50°～70°，傾向NW，傾角60°～80°，間距20～30cm；③走向NW270°～280°，傾向NE，傾角30°～50°，間距30～50cm。

上述節(jié)理裂隙寬度均小于0.5mm，面均起伏粗糙，延伸長(zhǎng)度一般6～8m，每立方米巖體中發(fā)育節(jié)理裂隙12～15條，受節(jié)理裂隙組合切割，巖體完整性差，呈碎裂結(jié)構(gòu)，巖體滲透性等級(jí)為中等～強(qiáng)透水性，地下水埋藏深度低于泄洪排沙洞底板。

2 工程地質(zhì)分析

2.1 工程地質(zhì)圍巖分類(lèi)方法

泄洪排沙洞樁號(hào)0+660～0+694.3m段圍巖不能利用水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范進(jìn)行分類(lèi)，按照“抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范”核心理念，該洞段圍巖分類(lèi)需參照國(guó)家現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。目前，常用抽水蓄能電站泄洪排沙洞工程相關(guān)的國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)有2個(gè)，分別為“水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范”和“工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)”。下面分別利用這2種規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)對(duì)泄洪排沙洞樁號(hào)0+660～0+694.3m洞段進(jìn)行圍巖分類(lèi)和工程地質(zhì)評(píng)價(jià)研究。而圍巖巖體的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù)按相應(yīng)規(guī)范內(nèi)參數(shù)值采用內(nèi)差法進(jìn)行取值[6]。

2.2 水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范方法研究[7]

水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范主編部門(mén)：中華人民共和國(guó)水利部，批準(zhǔn)部門(mén)：中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，施行日期：2009年8月1日。本標(biāo)準(zhǔn)按圍巖總評(píng)分T和圍巖強(qiáng)度應(yīng)力比S將圍巖分為Ⅰ類(lèi)、Ⅱ類(lèi)、Ⅲ類(lèi)、Ⅳ類(lèi)、Ⅴ類(lèi)等5個(gè)類(lèi)別。

T=T1+T2+T3+T4+T5

(1)

S=Rb·Kv/σm

(2)

式中，T1—巖石強(qiáng)度評(píng)分，巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度Rb=50MPa，則T1=16.7；T2—巖體完整程度評(píng)分，圍巖巖體內(nèi)主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙，第(1)組節(jié)理裂隙間距10～20cm，所以，巖體完整性程度為完整性差，綜合判定巖體完整性系數(shù)Kv=0.45，則T2=18；T3—結(jié)構(gòu)面狀態(tài)評(píng)分，Rb=50MPa，說(shuō)明巖石為硬質(zhì)巖，節(jié)理裂隙面寬度均小于0.5mm，節(jié)理裂隙面均起伏粗糙，延伸長(zhǎng)度一般6～8m，則T3=24；T4—地下水狀態(tài)評(píng)分，雖然地下水位在該洞段低于隧洞底板，考慮該區(qū)巖體滲透性等級(jí)為中等～強(qiáng)透水性及大氣降水影響，利用：T′=T1+T2+T3=16.7+18+24=58.7，計(jì)算得出，T4=-3.26；T5—主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀評(píng)分，因?yàn)樵摱嗡矶磭鷰r巖體完整性差，T5=0；σm—圍巖最大主應(yīng)力，σm=γ·h=ρ·g·h=2.58g/cm3·9.8N/kg·23.8m=0.602MPa。

T=T1+T2+T3+T4+T5=16.7+18+24-3.26+0=55.44。

S=Rb·Kv/σm=50MPa·0.45/0.602MPa=37.4>2。

所以，該段圍巖類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)。隧洞開(kāi)挖形成后，圍巖局部巖體穩(wěn)定性差，圍巖強(qiáng)度不足，局部圍巖會(huì)產(chǎn)生塑性變形，不支護(hù)可能產(chǎn)生塌方或變形破壞。

2.3 工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)方法研究[8]

2.3.1巖體級(jí)別分析

工程巖體分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)主編部門(mén)：中華人民共和國(guó)水利部，批準(zhǔn)部門(mén)：中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部，施行日期：2015年5月1日。本標(biāo)準(zhǔn)將泄洪排沙洞定義為巖石地下工程，按[BQ]值的大小將工程巖體分成Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)、Ⅲ級(jí)、Ⅳ級(jí)、Ⅴ級(jí)等5個(gè)級(jí)別。

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)

(3)

BQ=100+3×Rc+250×Kv

(4)

式中，Rc—巖石飽和單軸抗壓強(qiáng)度，Rc=50MPa；Kv—巖體完整性指數(shù)，該區(qū)域每立方米巖體中發(fā)育節(jié)理裂隙12～15條，考慮工程安全情況下[9]，綜合判定圍巖巖體完整性指數(shù)Kv=0.45；90×Kv+30=90×0.45+30=70.5>50，所以最終確定Rc=50；0.04×Rc+0.4=2.4>0.45，所以最終確定Kv=0.45，所以：BQ=100+3×50+250×0.45=362.5；K1—地下水影響系數(shù)，泄洪排沙洞位于地下水位線以上，巖體呈中等透水性～強(qiáng)透水性，隧洞開(kāi)挖形成后，10m長(zhǎng)洞段外水壓力值P<0.1MPa或者Q<25L/(min×10m)，上述已計(jì)算得出BQ=362.5，所以，計(jì)算得出K1=0.088；K2—主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀影響修正系數(shù)，該泄洪排沙洞洞段主要發(fā)育3組節(jié)理裂隙，其中第(1)組節(jié)理裂隙走向與洞軸線336.8°夾角小于30°，該組節(jié)理裂隙傾角60°～80°，則K2=0.6；K3—初始應(yīng)力影響系數(shù)，受Rc/σmax控制；σmax—垂直洞軸線方向的最大初始應(yīng)力，這里無(wú)實(shí)測(cè)值，采用自重應(yīng)力代替，即：σmax=ρ·g·h=2.58g/cm3·9.8N/kg·23.8m=0.602MPa，則Rc/σmax=50/0.602=83.1>7，則K3=0。

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)=362.5-100×(0.088+0.6+0)=293.7。

所以，該段圍巖巖體級(jí)別為Ⅳ級(jí)。圍巖巖體物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖體物理力學(xué)參數(shù)

2.3.2有限元分析[10-12]

把圖2中的工程地質(zhì)剖面抽象、概括成可利用大型有限元軟件進(jìn)行數(shù)值模擬的地質(zhì)模型，巖體材料滿足Mohr’-Coueomb屈服破壞準(zhǔn)則，建立二維平面直角坐標(biāo)系統(tǒng)，X軸與水平面平行，把NE66.8°方向確定為正方向，垂直向上確定為Y軸正方向，模型中各點(diǎn)坐標(biāo)取各點(diǎn)真實(shí)值，底部高程1250m，地面上最高點(diǎn)高程為1381m，選擇非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則，有限元單元選定為平面應(yīng)變單元，單元形狀多為四邊形，少量為三角形，共劃分24138個(gè)模型單元，24065個(gè)結(jié)點(diǎn)，剪脹角為0°，其它巖體參數(shù)見(jiàn)表1。原始地面為自由邊界，底邊設(shè)置成法向與水平向的雙約束，側(cè)邊設(shè)置成水平向約束，模型計(jì)算分析分為2步，分別為：①隧洞開(kāi)挖前的天然狀態(tài)(地應(yīng)力平衡)；②泄洪排沙洞開(kāi)挖后的狀態(tài)(泄洪排沙洞單元移除)。

圖2 泄洪排沙洞典型工程地質(zhì)剖面圖

數(shù)值模擬計(jì)算成果及分析如下。

(1)第一步計(jì)算后，巖體塑性云圖如圖3所示，位移云圖如圖4所示。

圖3 巖體開(kāi)挖前塑性云圖

圖4 巖體開(kāi)挖前位移云圖

圖3顯示巖體內(nèi)部沒(méi)有發(fā)生塑性變化，圖4表明巖體最大位移為1e-18m級(jí)，位移值非常小，近似等于0，相當(dāng)于數(shù)值模擬出來(lái)的巖體內(nèi)沒(méi)有發(fā)生位移變化，說(shuō)明此大型有限元軟件數(shù)值模擬的巖體與該區(qū)原始天然巖體基本一致。

(2)第二步計(jì)算后，相當(dāng)于泄洪排沙洞開(kāi)挖后的狀態(tài)，巖體塑性云圖如圖5所示，位移云圖如圖6所示。

圖5 巖體開(kāi)挖后塑性云圖

圖6 巖體開(kāi)挖后位移云圖

圖5顯示隧洞開(kāi)挖后，圍巖巖體內(nèi)沒(méi)有出現(xiàn)塑性變化的區(qū)域，圍巖內(nèi)更沒(méi)有出現(xiàn)貫穿性的塑性變化區(qū)，說(shuō)明隧洞開(kāi)挖形成后，圍巖不會(huì)發(fā)生持續(xù)的塑性變形，伴隨時(shí)間的推移，圍巖也不會(huì)發(fā)生由于塑性變形原因而導(dǎo)致節(jié)理裂隙面、巖體被拉開(kāi)現(xiàn)象，圍巖也不會(huì)出現(xiàn)塑性變形原因引起的破壞。圖6中顯示泄洪排沙洞周邊圍巖發(fā)生了位移，對(duì)比圖5，說(shuō)明這些位移都是彈性變化導(dǎo)致的，最大位移值達(dá)1.81mm，發(fā)生在隧洞底部，底部圍巖不會(huì)發(fā)生塌方破壞，圖6同時(shí)也顯示除了隧洞底部圍巖變形大于1mm外，其它部位變形均小于1mm。

沿圖二中隧洞頂拱A→B→C為路徑，隧洞頂拱區(qū)周邊圍巖位移值如圖7所示，沿圖2中隧洞頂拱B→E→F為路徑，隧洞頂拱區(qū)圍巖位移值如圖8所示。

圖7 隧洞頂拱周邊圍巖巖體位移值

圖8 隧洞頂拱圍巖巖體位移值

圖7—8顯示圍巖位移值距離洞頂邊緣距離近而值更大一些，隧洞頂拱周邊圍巖位移值最達(dá)可達(dá)到0.95mm，這些位移值均主要來(lái)自圍巖節(jié)理裂隙面變化，圖8表明伴隨巖體距離隧洞周邊遠(yuǎn)而逐漸變小，也就是說(shuō)，0.95mm位移值來(lái)自隧洞頂拱區(qū)圍巖位移值的累積。天然狀態(tài)下，原本閉合的節(jié)理裂隙面由于隧洞開(kāi)挖而變成張開(kāi)狀態(tài)或者向張開(kāi)方向發(fā)展，因此，距離隧洞邊緣近的圍巖內(nèi)節(jié)理裂隙面張開(kāi)的可能性大，節(jié)理裂隙面一旦張開(kāi)，圍巖巖體節(jié)理裂隙面性狀及強(qiáng)度將明顯降低，巖體滲透性也會(huì)由于節(jié)理裂隙面發(fā)生變化而改變，圍巖受地下水影響程度將會(huì)發(fā)生變化，這些因素將導(dǎo)致圍巖巖體性狀發(fā)生改變，圍巖穩(wěn)定性也將發(fā)生變化，隧洞開(kāi)挖形成過(guò)程中，由于隧洞周邊巖體向隧洞形成的臨空面變形，頂拱區(qū)圍巖又受到重力作用等因素影響，隧洞周邊圍巖，尤其頂拱區(qū)圍巖局部有發(fā)生破壞的可能，因此，隧洞開(kāi)挖過(guò)程中需要及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。

2.3.3總結(jié)性評(píng)價(jià)

泄洪排沙洞樁號(hào)0+660～0+694.3m洞段區(qū)域不發(fā)育斷層等大的地質(zhì)缺陷，節(jié)理裂隙較發(fā)育，運(yùn)用工程地質(zhì)分析原理分析表明，隧洞開(kāi)挖形成后，節(jié)理裂隙可在圍巖局部形成不利組合[13]，受隧洞開(kāi)挖影響，圍巖會(huì)向隧洞臨空面卸荷、變形，圍巖有發(fā)生破壞的可能[14]。[BQ]值雖然落在Ⅳ級(jí)巖體之內(nèi)，但有限元深入研究分析表明，隧洞開(kāi)挖形成后，圍巖不會(huì)發(fā)生塑性變化，圍巖巖體會(huì)發(fā)生位移變化，不對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)情況下，局部圍巖有可能受巖體位移影響而導(dǎo)致圍巖巖體性狀發(fā)生改變，局部圍巖受重力、大氣降雨入滲引起的地下水等因素影響而發(fā)生破壞，隧洞圍巖整體自穩(wěn)能力較好，因此，綜合上述分析可判定，該段圍巖巖體基本質(zhì)量級(jí)別為Ⅲ級(jí)，隧洞開(kāi)挖形成后，圍巖整體穩(wěn)定，圍巖局部巖石塊體將發(fā)生位移，局部圍巖有發(fā)生破壞的可能，需要及時(shí)對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。

3 綜合分析

針對(duì)上述泄洪排沙洞出口樁號(hào)0+660～0+694.3m段圍巖工程地質(zhì)的研究，對(duì)比2種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該段圍巖的研究成果，發(fā)現(xiàn)，2種標(biāo)準(zhǔn)對(duì)該段圍巖工程地質(zhì)評(píng)價(jià)基本相同，即：隧洞開(kāi)挖后，圍巖整體穩(wěn)定，局部圍巖穩(wěn)定性差，隧洞開(kāi)挖后需對(duì)圍巖進(jìn)行支護(hù)。這一成果與水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范內(nèi)Ⅲ類(lèi)圍巖描述基本一致，因此，按水力發(fā)電工程地質(zhì)勘察規(guī)范條文，該段圍巖類(lèi)別為Ⅲ類(lèi)，渾源抽水蓄能電站泄洪排沙洞樁號(hào)0+660～0+694.3m段圍巖需要按Ⅲ類(lèi)圍巖進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

外部環(huán)境復(fù)雜，工程地質(zhì)條件千變?nèi)f化，隧洞設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常會(huì)遇到各種問(wèn)題，綜合運(yùn)用專(zhuān)業(yè)技術(shù)知識(shí)，深入理解規(guī)范條文含義，充分利用規(guī)程規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定進(jìn)行綜合分析研究是解決問(wèn)題的關(guān)鍵。渾源抽水蓄能電站泄洪排沙洞樁號(hào)0+660～0+694.3m段圍巖類(lèi)別就是在充分運(yùn)用現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范基礎(chǔ)上，利用有限元數(shù)值模擬法綜合確定，為類(lèi)似工程提供了參考與指導(dǎo)。

采用二維有限元數(shù)值模擬分析計(jì)算，略顯粗糙，待下一階段深入研究，但是，有限元數(shù)值模擬預(yù)測(cè)出了隧洞開(kāi)挖后圍巖巖體塑性變化、位移情況及其圍巖位移變化規(guī)律，為該段隧洞圍巖類(lèi)別最終確定奠定了基礎(chǔ)。