垣曲抽水蓄能电站工程深埋地下厂房轴线选择合理性解析

李 松，高 健，高 博

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，长春130021）

1 工程概况

垣曲抽水蓄能电站位于山西省运城市垣曲县境内，站点距运城100km，距垣曲县35km。 电站为一等工程，规模为大（1）型，电站枢纽建筑物主要由上水库、水道系统、下水库挡水和泄水建筑物、地下厂房及其附属建筑物等组成。 电站安装4 台单机容量为300MW 的立轴单级混流可逆式水泵水轮机组，装机容量1200MW。 地下厂房埋深224.20～324.20m，主副厂房洞开挖尺寸170.0m×24.5（26）m×53.5m（长×宽×高）。 主变洞平行布置在主厂房下游，与主副厂房洞之间的岩体厚度40m， 主变洞开挖尺寸为145.0m×21.0m×22.0 m（长×宽×高）。 三者紧密布置，且与其他洞室交错相接， 进而构成了极其复杂庞大的地下洞室群。 因此地下厂房轴线方向的选择直接关系到地下洞室群整体的稳定性。

2 研究区主要工程地质特性

2.1 地形地貌

地下厂房系统位于松树岭村所在山梁上， 地形上总体表现为“两沟夹一梁”，其东侧为岭沟，走向N5°W～N25°E，西侧为泉沟，走向N22°E～N57°E，山梁总体走向为N10°E，宽约300m，高程650～756m，两岸地形坡度为30°～40°，局部基岩陡立。

2.2 地层岩性

地下厂房系统基岩岩性主要为震旦系下统马家河组安山岩，以及紫红色凝灰熔岩透镜体，属中性熔岩。勘探平洞内布置5个钻孔，均揭露凝灰熔岩，以透镜体形式出露，单层厚度一般1.2～27m，平均值约8m；根据勘探平洞内钻孔中凝灰熔岩出露情况统计，马家河组岩层中凝灰熔岩约占4%～35%， 引水岔管ZK213钻孔凝灰熔岩所占比例较大，约占53%。 山脊覆盖层为风积（）粉质黏土（马兰黄土），厚度15～30m，两侧大部分基岩裸露。

2.3 地质构造

（1）根据地质测绘、钻探、勘探平洞揭露，厂区内断层分为3类，第1类是在厂房区出露，但未延伸至厂区厂房顶拱（高程约426.3m）的断层，如F50，F111，F112等断层；第2类是在厂房区出露，且已延伸至厂房底板高程， 但在厂房开挖区以外出露的断层，如F145，F147，F148，f71等断层， 其中规模较大的F145断层靠近副厂房，距副厂房右端墙7.66～22.47m；第3类为厂区内主要发育的断层， 即在厂房开挖区内出露的断层，如F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等断层，其中F146，f77断层出露宽度0.80～2.00m，f68，f79，f81、f83断层出露宽度0.10～0.20m，f53，f54，f65，f80断层出露宽度0.03～0.05m。

F7 接触挤压破碎带距地下厂房水平距离近500m。 F7接触挤压破碎带产状： 走向N67°E， 倾向NW，倾角54°，破碎带宽度25～65m，由断层角泥、碎裂岩、糜棱岩及碎屑组成，性状极差。 上盘岩性为石英砂岩，下盘岩性为安山岩，为地下厂房区域发育规模最大的构造破碎带， 厂房轴线方向选择应充分考虑该断层影响。

（2）据PD201，PD202，PD203，PD205，PD206勘探平洞勘探资料统计， 厂区部位的节理裂隙主要发育四组：

J1走向N50°～70°E，倾向SE （NW），倾角60°～75°，少数45°～55°，节理间距10～30cm，局部50～80cm，节理多闭合，局部张开2～5mm，充填方解石脉，个别充填岩屑或泥，断续分布，局部延伸较长，节理面起伏粗糙，局部平直光滑；该组节理最发育。

J2走向N60°～80°W，倾向NE（SW），倾角65°～85°，或45°～50°，节理间距30～60cm，局部10～20cm，节理多闭合，局部张开2～3mm，充填方解石脉，个别充填岩屑或泥，断续分布，局部连续出露，节理面多平直粗糙；该组节理次之。

J3走向N15°～30°E，倾向NW（SE），倾角40°～60°，节理间距20～50cm，节理多闭合，少数张开3～5mm，充填方解石脉，断续分布，节理面起伏（平直）粗糙；该组节理不发育；

J4走向N15°～30°W，倾向SW，倾角70°～80°，节理间距20～30cm，节理多闭合，局部张开3～5mm，充填方解石脉，个别充填岩屑或泥，断续分布，局部连续出露，节理面起伏粗糙，局部平直光滑；该组节理不发育。

此外厂房区域探洞揭露缓倾角节理不发育，局部零星出露。

2.4 水文地质条件

地下厂房区域地下水类型为基岩裂隙水， 主要受大气降水补给， 以脉状或网状贮存于断层带及节理内，天然地下水位总体上东北高、西南低，最终排泄至下水库。 根据厂房钻孔ZK203水位观测资料，地下水位埋深一般130m左右， 地下水位高程568m左右；厂房区地下水位高程637m左右，高出厂房顶拱约210m，厂房区内水位变化不大。 勘探平洞PD201开挖至桩号1+084m及在厂房十字支洞PD202开挖至桩号0-102～0-059m时， 顶拱和边墙多处均出现线状流水， 流量约为18～70L/min。 据钻孔高压压水试验资料，厂区岩体透水率一般在3Lu左右，属于弱透水岩体，局部属微透水岩体。

对地下厂房区地下水取样进行水质分析。 所取水样的水质各项指标均未超标， 地下水对建筑物混凝土不具腐蚀性。

3 地下厂房轴线方向选择

类比于其他工程建筑物， 地下厂房具有显著的工程特点，根据SL279—2016《水工隧洞设计规范》，在满足总体要求的条件下， 洞线宜布置在地质构造简单、岩体完整稳定、水文地质条件有利及施工方便的地区。洞线与岩层、构造线及主要软弱带走向宜有较大的交角； 对整体块状结构岩体及厚层并胶结紧密、岩石坚硬完整地岩体，交角不宜小于30°；对薄层岩体、特别是层间结合较差的陡倾角薄岩层，交角不宜小于45°。 隧洞通过较大的地质构造带时，综合考虑，选定洞线方向。

深埋地下厂房轴线方向的选择不仅要考虑结构面组合关系，还需要考虑与地应力的关系。当洞室长轴方向与最大主应力方向水平投影的夹角在15°～30°时，其稳定性较好，但是洞室长轴方向不宜与结构面走向平行。 在各向异性岩体中若主应力方向与结构面、层理走向相近时，洞室长轴方向与结构面走向夹角不小于35°。

一般而言， 深埋地下厂房轴线方向选择主要遵循以下原则：厂房轴线与岩体中主要结构面（断层、节理）走向呈大角度相交；厂房轴线与工程区内最大主应力方向保持小角度相交或平行。 特别是高地应力地区， 厂房纵轴线走向应与地应力最大主应力水平投影方向的交角宜采用较小角度。 根据以上两点原则结合垣曲抽水蓄能电站工程厂房区域的地质特点分别在构造裂隙及地应力两个方面做了针对性分析论述。

（1）通过常规地质测绘、钻探、勘探平洞等勘查手段，查明厂房区域主要构造裂隙（断层、节理）的发育规律：由于整个工程区域地层非常古老，并且受到多期次的地质构造运动影响，导致厂区的断层、节理非常发育，受其互相切割影响，工程区域岩体相对较破碎，强度较低。经过大量的内业数据统计分析分别绘制了断层及节理的走向玫瑰花图， 确定研究区的主要结构面走向的发育方向。 如图1，图2。

图1 研究区断层玫瑰花图

图2 厂房区域节理走向玫瑰花图

通过以上数据统计分析地下厂房主要结构面发育方向多为NE～NNE， 初步确定厂房方向并确定上下游及两侧边墙与结构面组合关系，如图3，图4。

图3 厂房区域400.5m高程平切图

图4 厂房区域节理走向赤平投影图

（2）为查明地下厂房、高压岔管等工程部位的原始地应力大小及其方向、空间分布规律，在位于1#引水岔管部位钻孔ZK213和厂房右支洞PD202部位钻孔ZK215中采用水压致裂法、在厂房右支洞PD202水平孔ZK215-1中采用空心包体套芯应力解除法分别进行了地应力测试工作。

水压致裂原地应力测试分析结果表明， 该工程区的现今构造应力作用明显， 三向主应力之间的关系表现为：SH＞SV＞Sh，应力状态有利于走滑断层活动；测区现今应力场状态以近NE向挤压为主，实测最大主应力优势方位N17.6°E～N36.8°E。 根据水压致裂测试结果，对于ZK213孔（岔管）水平最大、最小主应力范围分别为7.71～15.14MPa和5.35～9.21MPa， 平均值分别为10.74MPa和6.99MPa。 对于ZK215孔（厂房），水平最大、 最小主应力范围分别为10.06～16.04MPa和6.87～9.35MPa，平均值分别为12.24，8.71MPa。总体来说水平主应力作用较为明显， 需要引起工程施工和设计单位的重视。

空心包体应力解除三维应力测量结果。 在6.1～6.4m的测量深度上，最大主应力（σ1）10.5MPa、中间主应力（σ2）8.1MPa、最小主应力（σ3）7.2MPa。 最大主应力的方向呈向近NE，倾角7.14°；中间主应力（σ2）的方向呈近NW向，倾角4.97°；最小主应力（σ3）的方向呈SEE向，倾角-81.29°。

有限元计算结果。 应力云图基本上呈沿着河流走向的条带式分布， 随地势升高应力值逐渐增大；厂房机组安装高程（385m）位置的应力：测点附近的σ1计算应力值为8.5～9.5MPa，σ1主应力方位为近NE向，σ2计算值为为8.5～9.5MPa，σ3计算应力值为7.5～8.5MPa， 最小主应力σ3方位在工程区附近为近NW向。

厂房区及引水线路应力值。 由数值模型得到的厂房区的最大主应力范围在8.0～16.0MPa之间，中间主应力范围在7.5～10.5MPa之间，最小主应力范围在6.0～9.5MPa之间；输水洞线经过区域较广，而且埋深在不同部位各不相同，如果洞线埋深较浅，则应力值偏小，反之亦然。

工程区应力场总体特征。 工程区的现今地壳应力特征主要表现为上覆岩体的静岩压力与构造应力共同作用的结果； 工程区地应力场明显受地形的影响，构造应力随埋深增加而增加；工程区水平最大主压应力方位近NE方向；测点附近水平应力起主导作用。

综合以上两点数据结论， 最大主应力优势方位N17.6°E～N36.8°E，最小水平主应力（σh）值为5.35～9.35MPa，最大水平主应力（σH）值为7.71～16.04MPa，属中低等应力场，最大与最小应力差值较小，围岩强度应力比大于7，厂房轴线选取以结构面为主。

地下厂房轴线方向选择N46°W方向布置， 其轴线与主应力方向交角为63.6°～82.8°，平均为73.2°。 厂房轴线与F146，f77，f68，f79，f81，f83，f53，f54，f65，f80等断层及NEE向主要节理近于垂直；与NWW向节理交角小于30°。 故地下厂房轴线方向N46°W是合适的。

此外深埋地下厂房轴线方向选择还需要考虑是否能合理兼顾地质条件、施工、运行等因素，统筹考虑，结合水工结构的自身特点抓住工程核心及重点，尽量规避、限制或处理缺陷及薄弱环节，最终达到工程建设与自然环境协调统一。

4 结语

（1）垣曲抽水蓄能电站地下厂房轴线选择N46°W方向是适宜的。

（2）建议深埋地下厂房轴线方向选择应充分考虑厂房区域主要裂隙（断层、节理）的发育产状和厂区最大主应力方向。

（3）分析统计结构面发育规律时，原始数据确保真实可靠，特别是缓倾角软弱结构面。 尤其在洞室交叉段及大跨度部位， 顶拱及边墙多发生塌方、掉块现象。

（4）由于地应力测试数据相对较少及离散，以及数据处理中的边界理想化处理， 使得最大主应力计算结果与实际有所偏差， 因此厂房轴线布置时应充分考究。