某水电站地下厂房位置及轴线选择

中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 310014

1 工程概况

该水电站安装总容量为220MW的2台冲击式机组，平均年发电量约为1.094×109kW·h。工程枢纽主要由挡水建筑物、汇洪建筑物、引水发电建筑物等组成，输水线路总长约20km。由于在隧洞开挖中揭露出一条宽204m的Ⅰ级构造（即F1断层），且F1断层上下游的地质情况有较大变化，其上下游的岩性及主要结构面的方向均有所改变，根据所揭露的地形、地质条件以及枢纽布置情况，地下厂房的位置布置在F1断层上游较为合适。因此，地下厂房位置及轴线选择的主要依据为F1断层上游已开挖所揭露的地质信息，并结合厂区地应力试验成果及相关业主方前期提供的资料。

2 地下厂房位置及轴线选择原则

（1）厂房轴线方向选择应结合输水系统洞室的布置，尽可能将枢纽布置顺畅，使工程总体布置合理。（2）地下厂房位置应尽可能布置在围岩完整、微风化—新鲜岩石的区域，尽量避开主要的断层破碎带，并使厂房和其上游的高压岔管满足最小岩石覆盖厚度要求。（3）厂房轴线方向与主要结构面走向应尽量构成较大的交角。（4）厂房纵轴线与最大水平地应力方向应尽量构成较小的夹角，但鉴于该工程地应力不大，其不属于控制性因素。

3 厂址区工程地质条件

（1）地形地貌。①厂址区近地表总体埋深为200～400m，厂房最大高程达500m（尾水方向），山坡地形坡度约为50°～60°。进厂交通洞沿线地形以平缓坡为主，一般坡度为25°～35°，其中进口段坡度约为15°，沿线最大高程达600m，进口段最低高程只有325m，最大高差约为275m。②沿线植被茂盛。③拟开挖厂房区山体雄厚，垂直埋深约为375～425m，具有较好的厂房布置条件。

（2）地层岩性。厂址区分布有PR1tp地层及aQ地层，主要岩性为黑云母片麻岩、花岗片麻岩、片麻岩等。

（3）地层构造。①厂址区发育一条Ⅰ级断层（F1），出露宽度达204m。②F1断层上游厂址区共发育6条构造，揭露的构造规模均较小。

（4）水文地质。根据地下水点统计，厂址区地下水均以渗滴水为主，局部洞段渗流水或淋雨状渗滴水，总体地下水不甚发育。

4 厂址位置选择

4.1 厂房区与F1断层相互关系

原方案主变洞布置在F1断层构造带内，该断层带地表显示为一条大冲沟，冲沟内常年流水，为灰—灰黑色片麻岩和灰白—白色片麻岩岩性界线，上盘由一系列NW向构造组成，单条NW向构造宽度为1～2m，产状为N35°～40°WNE∠75°～80°，具有蚀变性质，一般两侧影响带最宽达10m左右，带内岩体较破碎，充填碎裂岩、碎粉岩，夹绿泥石、岩屑，两侧同产状节理平行发育，并沿断层带渗流水，水量约为0.5L/s，因长期受地下水影响，形成较大规模垮塌。下盘由一系列近SN向构造组成，单条构造宽度为4～5m，构造带内岩石蚀变，绿泥石化、糜棱化，局部碳化，胶结差。地下厂房右侧约一半在F1断层构造带内，断层带内岩体自稳性差，不具备修建大型地下厂房的条件。为避开F1断层，综合考虑已揭露的地质情况及厂址区水力布置条件，厂房位置拟在原方案位置处向上游侧上移85m。

4.2 厂址区工程地质条件及评价

（1）地形地貌。拟建厂房区山体雄厚，垂直埋深约为375～425m，具有较好的厂房布置条件。（2）地层岩性。拟上移厂房区岩性较单一，为PR1tp地层的灰白—白色变粒岩夹灰黑色角闪石片麻岩，岩体呈新鲜—微风化，围岩呈稳定—基本稳定，局部稳定性差，具有较好的成洞条件。（3）地质构造。①厂址区共发育6条构造，构造规模均较小。②通过构造统计，厂址区的优势构造为NNW（N10°～25°W）向。③根据节理统计，厂址区主要发育有产状分别为N40°～65°ENW∠61°～68°和N15°～30°WSW∠38°～52°的两组节理，容易在顶拱形成共轭节理。④在拟建厂址区出露一条节理密集带，产状为N25°WSW∠54°，总宽度约为2～3m，间距为5～10cm，该节理带内岩体破碎。（4）水文地质条件。目前揭露洞段地下水不甚发育，只有局部构造发育处两侧潮湿或少量渗滴水，预测厂址区以干燥为主，地下水总体不发育。（5）围岩分类。通过对已揭露洞段围岩分类统计显示，Ⅱ类围岩超过92%，洞段岩体完整性为较好—好，强度高，裂隙为不发育—中等发育，围岩稳定，仅局部断层带发育部位或不利结构面组合洞段围岩稳定性差及围岩不稳定段需要加强支护。

5 厂房轴线选择

（1）新布置厂址区地形条件、岩性条件、构造条件以及水文地质条件均满足地下厂房的布置，但是受二洞室水力条件的限制，其东西向移动的余度较小，厂址区的布置应避开主要构造的影响。（2）选择轴线时主要考虑其与主要结构面和最大主地应力的方向与厂房轴线之间夹角。

5.1 结构面

厂址区共发育4条构造，均为NNW（N10°～25°W）向，且以陡倾角为主，只发育一条中倾角。裂隙不甚发育，主要发育有产状分别为N40°～65°E NW∠61°～68°和N15°～30°W SW∠38°～52°的两组裂隙。

结合揭露的构造及裂隙可知：（1）充分考虑NNW（N10°～25°W）向结构面和优势走向面，片麻理和构造方向基本一致。（2）综合统计，N40°～65°E向和N10°～25°W向为优势结构面，结合倾角方向，最佳轴线角度应该与优势结构面大角度相交，因此最有利厂房轴线应该为最有利轴线N70°～90°W走向。（3）鉴于厂房预布置不可能进行较大的调整，目前拟定轴线方向（N1.1°E）与主要构造及片麻理方向夹角较小，那么N10°～15°E走向为相对合理的一个轴线走向，该走向与主要裂隙交角为30°～40°，建议厂房轴线按N15°E控制。

5.2 地应力

根据地质力学分析，垂直褶皱轴线等主构造方向的应力一般是当地区域构造应力场的最大主应力，在低地应力地区，宜选择洞室纵轴与较大水平主应力的方向垂直，这样有利于克服拱顶出现拉应力，避免侧壁发生严重变形或失稳。

根据厂址区地应力测试成果，地应力水平为中等偏低，最大主应力为8.7～14.72MPa，方向为130°～158°，与目前拟定轴线夹角23°～51°，将轴线转至N15°E后将夹角增大至38°～66°，能较好地克服拱顶的拉应力。

6 结论

（1）拟开挖厂址区山体雄厚，垂直埋深约为375～425m，水平埋深达1700m，具有较好的厂房布置埋深条件。

（2）拟建地下厂址区围岩较单一，为灰白—白色变粒岩。围岩分类主要以Ⅱ类为主，占洞段92%以上。岩体为新鲜—微风化，围岩为稳定—基本稳定，局部稳定性差，具有较好的成洞条件。

（3）经实测厂址区最大主应力量值为8.7～14.72MPa，方向为130°～158°，属中等偏低地应力区。开挖过程中可能局部发生岩爆，但其量级为轻微，地应力不是厂房布置的主控因素。

（4）厂址区围岩以弱透水为主，且均位于地下水位以下，其地下水类型主要为构造裂隙水。目前开挖段均以干燥为主，局部沿断层破碎带两侧有少量渗滴水。

（5）为避开厂区揭露的Ⅰ级构造、节理密集带对厂房洞室群的影响，将厂房上移85m，上移后拟建厂址区为PR1tp地层灰白—白色变粒岩夹灰黑色角闪石片麻岩，岩体坚硬，呈新鲜状，岩体完整性为较好—好，强度高，围岩类别以Ⅱ类为主，占92%以上，Ⅰ类及Ⅲ类围岩次之，局部断层破碎带处为Ⅳ围岩，说明厂房区围岩的工程地质条件良好，仅局部有潜在的不稳定体，具备大型地下洞室的成洞条件。

（6）从地质条件分析，同时考虑主要结构面和最大主地应力方向，地下厂房轴线的布置方向以N80°W左右较为合适，但该方向与山体呈大角度相交，水工难以布置，且与已开挖洞室难已结合。考虑到该方案的地应力量级为中等到低，对厂房稳定的影响相对较小，因此以主厂房避开主要断层和节理密集带的影响为前提，同时考虑主要结构面的方向（NNW向、NE向）与厂房轴线的交角进行地下厂房布置，厂房轴线按N15°E控制是合适的。