蒲石河抽水蓄能电站地下厂房围岩地质条件分析

田作印，郑以宝，杨宗玲，王宝文，李 凯

（中水东北公司地质处,吉林 长春 130021）

1 工程概况

蒲石河抽水蓄能电站为Ⅰ等工程，工程规模为大（1）型，枢纽中主要建筑物有上、下库坝、地下厂房及输水系统。地下厂房装机4×300 MW，主副厂房洞室开挖尺寸为173.3 m×25.7 m×54.6 m（长×宽×高），主变洞室开挖尺寸为132.6 m×20.4 m×24.4 m（长×宽×高），尾闸室开挖尺寸为96.2 m×12.9 m×22.3 m（长×宽×高），三者布置紧密，洞室纵横交错，构成了一个结构极为复杂的地下建筑群。

2 地质概况

地下厂房系统深埋于黄草沟右侧第一条NEE向支沟沟尾山体内，地面高程260～325 m，该段冲沟宽约30 m，切割深度50～70 m，两侧山坡坡度约30°～40°。厂房枢纽区基岩主要为新鲜混合花岗岩，穿插有闪长玢岩岩脉，岩石新鲜、坚硬，上覆岩体较厚。断层破碎带较发育，宽度多较小，倾角较陡，其走向多与厂轴交角较大。岩石节理局部较发育，多以陡倾角为主，其主要节理走向与厂轴交角亦较大，多呈闭合、微张或钙质胶结。厂房区地下水主要为赋存于基岩裂隙及断层破碎带内的裂隙水，主要受大气降水补给，以脉状或网状贮存于断层带及裂隙内。地下水位埋深约40～55 m。

3 洞室围岩稳定分析

影响地下洞室稳定性的因素主要分为三大类：第一类是通过围岩应力状态而影响地下洞室围岩稳定，第二类主要是岩体中地下水的赋存、活动条件，第三类是岩石的强度和结构面组合。蒲石河地下厂房属坚硬脆性岩体大跨度的地下工程，影响围岩稳定的破坏模式为结构面控制的三维块体破坏，结构面对围岩稳定性的影响，不仅决定于岩体结构面本身的特征，还与结构面的组合及其与周边洞室的方位有密切关系。

地下厂房枢纽地段，由新鲜、坚硬的混合花岗岩组成。顶拱全长173.3 m，桩号0-070.9～0+102.4 m。其中桩号0-070.9～0-010 m段节理较发育，有15条断层破碎带通过，为Ⅲ～Ⅳ类围岩，其中Fj34，fc16，fc4断层部位围岩稳定性差，开挖时发生塌方；桩号0-010～0+080 m段岩体较完整，节理局部较发育，为Ⅱ类围岩；桩号0+080～0+102.4 m段岩体完整，节理不发育，为Ⅰ类围岩。

上游边墙桩号0-070.9～0-050 m段，岩体较完整，节理不发育，为Ⅱ类围岩；桩号0-050～0+025 m段，节理、断层、岩脉发育，受断层、岩脉及节理切割影响，岩体完整性差，开挖多处掉块，为Ⅲ类围岩；桩号0+025～0+070 m段岩体一般较完整，局部节理发育，围岩整体稳定，为Ⅱ类围岩；桩号0+070～0+094.9 m段，局部节理发育，其中δπc3、δπc9走向与边墙夹角较小，在岩锚梁附近出露，围岩稳定性差，为Ⅲ类围岩。

下游边墙桩号0-070.9～0-050 m段，岩体较完整，节理、断层不发育，未见有不利于边坡稳定的结构面组合存在，为Ⅱ类围岩。桩号0-050～0+015 m段，该段分布有主变运输洞、1号母线洞、1号尾水支洞。此段围岩节理以陡倾角为主，部分微张，局部节理呈X型组合切割。

下游边墙桩号0+015～0+065 m段，岩体局部完整性差，节理较发育，见有8条闪长玢岩岩脉和9条断层破碎带，断层宽度多小于20 cm，其中Fj34-1宽30～50 cm，延伸较长在3号尾水支洞附近被fc50截断，fc50高程6 m以上宽度小于20 cm，高程6 m以下破碎宽度宽60～80 cm。虽未见有较大不利结构面组合存在，但是岩体完整性较差，桩0+020～0+030 m岩锚梁部位有δπc24岩脉与边墙平行切割，局部见有沿节理、岩脉掉块，对边墙稳定不利，为Ⅲ类围岩。

综上所述，厂房主机间顶拱岩体完整，未见有较大断层通过和不利软弱结构面组合体存在，为Ⅰ，Ⅱ类围岩，分别占12.93%和占51.93%，围岩稳定条件良好；而副厂房与安装间顶拱受Fj34，F16断层影响，围岩稳定性较差，主要为Ⅲ—Ⅳ类围岩，占35.14%。厂房上、下游边墙岩体节理发育，岩体欠完整，尤以下游边墙因受Fj34，F59等断层及与其平行的一组节理切割影响，岩体完整性差。上游边墙Ⅱ类围岩占39.75%，Ⅲ类占60.25%；下游边墙Ⅱ类围岩占30.64%，Ⅲ类占30.16%，Ⅳ类占39.2%。边墙经锚固后一般无较大的稳定问题。

3.1 地下厂房桩号0-30～0-50 m地段

该部位下游边墙布置有主变运输洞，见有Fj34，f16，f4，f26，f25，f45 等数条断层出露。顶拱开挖时沿断层渗水和塌方。对该部位绘制赤平投影图进行分析如下：

①取 Fj34，f26，f16，f4 组合（见图 1）进行分析，结构面在顶拱形成楔形体，组合块体在顶拱部位沿Fj34断层面滑动，块体不稳定。

图2 赤平投影图

②取 Fj34，f45，J33组合进行分析（见图 2），Fj34，f45，J33构造在主变运输洞顶构成三棱椎体，该块体沿节理J33向临空面方向滑动，故Fj34，f45，J33组合不稳定，在主变运输洞与厂房下游边墙交叉口塌方。

3.2 地下厂房桩号0-5～0+5 m地段

该部位下游边墙8～20 m高程布置有1号母线洞，下游边墙-8～-15 m高程布置有1号尾水支洞。厂房下游边墙走向N80°W，母线洞洞轴线为N10°E，尾水支洞洞轴线为N10°E。该部位发育有 f2，f20，f38，fj34-1 等断层。

1）1号母线洞与厂房下游边墙交叉部位取f2，f20，f38，Fj34-1组合分析（见图 3），结构面在顶拱形成形成楔形体，向临空面面滑动，对厂房与1号母线洞交叉口稳定不利。

2）1号尾水支洞与厂房下游边墙交叉部位取Fj34、J33、J14 组合分析（见图 4），结构面在顶拱形成向临空面滑动的三棱锥体，开挖时发生塌方。

4 建议支护措施

4.1 地下厂房桩号0-30～0-50 m为塌方地段

图3 赤平投影图

图4 赤平投影图

施工时建议对塌方段采取如下支护处理方案：

1）混凝土回填。对桩号0-25～0-50 m塌方区采用了回填混凝土。

2）预应力锚索。在主变运输洞桩号0-24.5～0-45.5 m段侧壁及顶拱共设置了10根预应力锚索加固，边墙锚索长23.9 m，顶拱长30 m。

3）对穿锚杆。在厂房安装间下游墙厂房桩号0-04.15～0-031.35段之间，对穿锚杆将厂房下游墙与主变搬运洞、主变洞间岩体对穿，共设置36根，长度分别为30.0～47.5 m。对穿锚杆设置高程为8.2～23.2 m。

4）强锚杆加固。锚杆长度12 m，锚深10.6 m。具体为厂房下游边墙桩号0-055.5～0-045.3 m布置24根，高程8.2～23.2 m；厂房下游边墙桩号0-045.3～0-020.55 m 布置 36根，高程 8.2～30.2 m；在主变运输洞右侧边墙布置45根。

5）工字钢钢拱架支护。对主变运输洞桩号0-25～0-50 m，采用B型钢拱架支护；对塌方段外0-7.6～0-25.0 m段采用A型钢拱架支护。

6）混凝土衬砌。对主变运输洞桩号0-7.6～0-50 m进行混凝土衬砌。

7）加厚贴壁混凝土墙：考虑到塌方对厂房拱角及岩锚梁有一定影响，在厂房桩号0-055.5～0-045.3 m、高程7.1～24 m段下游边墙扩挖0.85 m，加设贴壁混凝土墙；在厂房桩号0-045.3～0-020.55 m、高程7.1～22.6 m段下游边墙也扩挖0.85 m，将原0.8 m贴壁混凝土墙曾至1.65 m（含喷护15 cm）。

8）固结灌浆。对厂房桩号0-007～0-053 m间的下游边墙，在厂房上层排水廊道向下打孔进行固结灌浆。经过3年多的观察，处理后，该段塌方段处于稳定状态。

4.2 地下厂房桩号0-5～0+5地段

该部位下游边墙8～20 m高程，布置有1号母线洞，下游边墙-8～-15 m高程，布置有1号尾水支洞。厂房下游边墙走向N80°W，母线洞洞轴线为N10°E，尾水支洞洞轴线为N10°E。该部位发育有f2，f20，f38，fj34-1等断层。开挖时地质建议对此部位及时采取钢支撑和喷混凝土支护处理，经处理后在整个开挖过程未发生变形，围岩整体稳定。

5 结语

根据以上分析，得出以下认识和结论：

1）厂房轴线布置的方向应充分考虑最大主应力方向和构造的产状。

2）结构面的分析对厂房稳定至关重要，蒲石河洞室围岩稳定主要受软弱结构面的发育分布及组合特点所控制。尤其在洞室交叉部位，受结构面及相连洞室开挖等影响，多处发生掉块、塌方等地质现象。

3）围岩稳定分析中假设结构面产状不发生变化，结构面切割块体均为刚体。

4）蒲石河抽水蓄能电站地下厂房岩体质量整体较好，Ⅰ类和Ⅱ类围岩占50%以上，Ⅲ类围岩占约37%，Ⅳ类围岩约11%。