抽水蓄能电站隧洞浅埋段围岩工程地质分类

郑海伦，于立宏，刘德斌

(中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024)

抽水蓄能电站是利用电能将水从下水库抽到上水库进行储能，需要电能时，再把水从上水库放到下水库进行发电的一种水电站[1]。这是一个系统工程[2]，设计需要按照中华人民共和国能源行业标准“抽水蓄能电站设计规范”进行[3]，设计过程中涉及水文、动能、工程地质、水工结构、水力机械、电气等方方面面，专业性强，各专业更需要密切配合。工程地质专业需要遵守“水力发电工程地质勘察规范”进行[4]。

浑源抽水蓄能电站为一装机1500MW的大(1)型工程，泄洪排沙洞出口桩号0+660～0+694.3m段为城门洞型，洞高11.9m，上覆岩体厚0～23.8m，即泄洪排沙洞该洞段隧洞埋深小于2倍洞径，如图1—2所示。

图1 泄洪排沙洞轴线工程地质剖面图

水力发电工程地质勘察规范内没有此种条件下的围岩分类标准[5]，泄洪排沙洞该洞段围岩类别如何确定，工程地质如何评价，对于浑源抽水蓄能电站工程具有重要意义。

1 工程地质条件

泄洪排沙洞位于浑源抽水蓄能电站下水库河流左岸，出口段轴线方向NW336.8°，地层年代为太古代，岩性为片麻岩，灰色，主要矿物成份为长石、角闪石、石英，粒状变晶结构，块状构造，片麻理主要由角闪石、黑云母组成，片麻理发育规律性差，整体产状：走向NW300°，倾向NE，倾角42°。岩石呈弱风化～微风化状态，岩石点荷载试验表明，岩石饱和单轴抗压强度值为50MPa，工程地质测绘、钻孔资料表明，片麻理结合紧密、强度高，片麻理不能成为该区结构面。该区域不发育断层等大的地质缺陷，节理裂隙主要发育有3组，分别为：①走向NW330°～350°，倾向NE，倾角60°～80°，间距10～20cm；②走向NE50°～70°，倾向NW，倾角60°～80°，间距20～30cm；③走向NW270°～280°，倾向NE，倾角30°～50°，间距30～50cm。

上述节理裂隙宽度均小于0.5mm，面均起伏粗糙，延伸长度一般6～8m，每立方米岩体中发育节理裂隙12～15条，受节理裂隙组合切割，岩体完整性差，呈碎裂结构，岩体渗透性等级为中等～强透水性，地下水埋藏深度低于泄洪排沙洞底板。

2 工程地质分析

2.1 工程地质围岩分类方法

泄洪排沙洞桩号0+660～0+694.3m段围岩不能利用水力发电工程地质勘察规范进行分类，按照“抽水蓄能电站设计规范”核心理念，该洞段围岩分类需参照国家现行有关标准进行。目前，常用抽水蓄能电站泄洪排沙洞工程相关的国家现行标准有2个，分别为“水利水电工程地质勘察规范”和“工程岩体分级标准”。下面分别利用这2种规范标准对泄洪排沙洞桩号0+660～0+694.3m洞段进行围岩分类和工程地质评价研究。而围岩岩体的各项物理力学参数按相应规范内参数值采用内差法进行取值[6]。

2.2 水利水电工程地质勘察规范方法研究[7]

水利水电工程地质勘察规范主编部门：中华人民共和国水利部，批准部门：中华人民共和国住房和城乡建设部，施行日期：2009年8月1日。本标准按围岩总评分T和围岩强度应力比S将围岩分为Ⅰ类、Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类、Ⅴ类等5个类别。

T=T1+T2+T3+T4+T5

(1)

S=Rb·Kv/σm

(2)

式中，T1—岩石强度评分，岩石饱和单轴抗压强度Rb=50MPa，则T1=16.7；T2—岩体完整程度评分，围岩岩体内主要发育3组节理裂隙，第(1)组节理裂隙间距10～20cm，所以，岩体完整性程度为完整性差，综合判定岩体完整性系数Kv=0.45，则T2=18；T3—结构面状态评分，Rb=50MPa，说明岩石为硬质岩，节理裂隙面宽度均小于0.5mm，节理裂隙面均起伏粗糙，延伸长度一般6～8m，则T3=24；T4—地下水状态评分，虽然地下水位在该洞段低于隧洞底板，考虑该区岩体渗透性等级为中等～强透水性及大气降水影响，利用：T′=T1+T2+T3=16.7+18+24=58.7，计算得出，T4=-3.26；T5—主要结构面产状评分，因为该段隧洞围岩岩体完整性差，T5=0；σm—围岩最大主应力，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，该段围岩类别为Ⅲ类。隧洞开挖形成后，围岩局部岩体稳定性差，围岩强度不足，局部围岩会产生塑性变形，不支护可能产生塌方或变形破坏。

2.3 工程岩体分级标准方法研究[8]

2.3.1岩体级别分析

工程岩体分级标准主编部门：中华人民共和国水利部，批准部门：中华人民共和国住房和城乡建设部，施行日期：2015年5月1日。本标准将泄洪排沙洞定义为岩石地下工程，按[BQ]值的大小将工程岩体分成Ⅰ级、Ⅱ级、Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级等5个级别。

[BQ]=BQ-100×(K1+K2+K3)

(3)

BQ=100+3×Rc+250×Kv

(4)

式中，Rc—岩石饱和单轴抗压强度，Rc=50MPa；Kv—岩体完整性指数，该区域每立方米岩体中发育节理裂隙12～15条，考虑工程安全情况下[9]，综合判定围岩岩体完整性指数Kv=0.45；90×Kv+30=90×0.45+30=70.5>50，所以最终确定Rc=50；0.04×Rc+0.4=2.4>0.45，所以最终确定Kv=0.45，所以：BQ=100+3×50+250×0.45=362.5；K1—地下水影响系数，泄洪排沙洞位于地下水位线以上，岩体呈中等透水性～强透水性，隧洞开挖形成后，10m长洞段外水压力值P<0.1MPa或者Q<25L/(min×10m)，上述已计算得出BQ=362.5，所以，计算得出K1=0.088；K2—主要结构面产状影响修正系数，该泄洪排沙洞洞段主要发育3组节理裂隙，其中第(1)组节理裂隙走向与洞轴线336.8°夹角小于30°，该组节理裂隙倾角60°～80°，则K2=0.6；K3—初始应力影响系数，受Rc/σmax控制；σmax—垂直洞轴线方向的最大初始应力，这里无实测值，采用自重应力代替，即：σmax=ρ·g·h=2.58g/cm3·9.8N/kg·23.8m=0.602MPa，则Rc/σmax=50/0.602=83.1>7，则K3=0。

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

所以，该段围岩岩体级别为Ⅳ级。围岩岩体物理力学参数见表1。

表1 岩体物理力学参数

2.3.2有限元分析[10-12]

把图2中的工程地质剖面抽象、概括成可利用大型有限元软件进行数值模拟的地质模型，岩体材料满足Mohr’-Coueomb屈服破坏准则，建立二维平面直角坐标系统，X轴与水平面平行，把NE66.8°方向确定为正方向，垂直向上确定为Y轴正方向，模型中各点坐标取各点真实值，底部高程1250m，地面上最高点高程为1381m，选择非关联流动法则，有限元单元选定为平面应变单元，单元形状多为四边形，少量为三角形，共划分24138个模型单元，24065个结点，剪胀角为0°，其它岩体参数见表1。原始地面为自由边界，底边设置成法向与水平向的双约束，侧边设置成水平向约束，模型计算分析分为2步，分别为：①隧洞开挖前的天然状态(地应力平衡)；②泄洪排沙洞开挖后的状态(泄洪排沙洞单元移除)。

图2 泄洪排沙洞典型工程地质剖面图

数值模拟计算成果及分析如下。

(1)第一步计算后，岩体塑性云图如图3所示，位移云图如图4所示。

图3 岩体开挖前塑性云图

图4 岩体开挖前位移云图

图3显示岩体内部没有发生塑性变化，图4表明岩体最大位移为1e-18m级，位移值非常小，近似等于0，相当于数值模拟出来的岩体内没有发生位移变化，说明此大型有限元软件数值模拟的岩体与该区原始天然岩体基本一致。

(2)第二步计算后，相当于泄洪排沙洞开挖后的状态，岩体塑性云图如图5所示，位移云图如图6所示。

图5 岩体开挖后塑性云图

图6 岩体开挖后位移云图

图5显示隧洞开挖后，围岩岩体内没有出现塑性变化的区域，围岩内更没有出现贯穿性的塑性变化区，说明隧洞开挖形成后，围岩不会发生持续的塑性变形，伴随时间的推移，围岩也不会发生由于塑性变形原因而导致节理裂隙面、岩体被拉开现象，围岩也不会出现塑性变形原因引起的破坏。图6中显示泄洪排沙洞周边围岩发生了位移，对比图5，说明这些位移都是弹性变化导致的，最大位移值达1.81mm，发生在隧洞底部，底部围岩不会发生塌方破坏，图6同时也显示除了隧洞底部围岩变形大于1mm外，其它部位变形均小于1mm。

沿图二中隧洞顶拱A→B→C为路径，隧洞顶拱区周边围岩位移值如图7所示，沿图2中隧洞顶拱B→E→F为路径，隧洞顶拱区围岩位移值如图8所示。

图7 隧洞顶拱周边围岩岩体位移值

图8 隧洞顶拱围岩岩体位移值

图7—8显示围岩位移值距离洞顶边缘距离近而值更大一些，隧洞顶拱周边围岩位移值最达可达到0.95mm，这些位移值均主要来自围岩节理裂隙面变化，图8表明伴随岩体距离隧洞周边远而逐渐变小，也就是说，0.95mm位移值来自隧洞顶拱区围岩位移值的累积。天然状态下，原本闭合的节理裂隙面由于隧洞开挖而变成张开状态或者向张开方向发展，因此，距离隧洞边缘近的围岩内节理裂隙面张开的可能性大，节理裂隙面一旦张开，围岩岩体节理裂隙面性状及强度将明显降低，岩体渗透性也会由于节理裂隙面发生变化而改变，围岩受地下水影响程度将会发生变化，这些因素将导致围岩岩体性状发生改变，围岩稳定性也将发生变化，隧洞开挖形成过程中，由于隧洞周边岩体向隧洞形成的临空面变形，顶拱区围岩又受到重力作用等因素影响，隧洞周边围岩，尤其顶拱区围岩局部有发生破坏的可能，因此，隧洞开挖过程中需要及时对围岩进行支护。

2.3.3总结性评价

泄洪排沙洞桩号0+660～0+694.3m洞段区域不发育断层等大的地质缺陷，节理裂隙较发育，运用工程地质分析原理分析表明，隧洞开挖形成后，节理裂隙可在围岩局部形成不利组合[13]，受隧洞开挖影响，围岩会向隧洞临空面卸荷、变形，围岩有发生破坏的可能[14]。[BQ]值虽然落在Ⅳ级岩体之内，但有限元深入研究分析表明，隧洞开挖形成后，围岩不会发生塑性变化，围岩岩体会发生位移变化，不对围岩进行支护情况下，局部围岩有可能受岩体位移影响而导致围岩岩体性状发生改变，局部围岩受重力、大气降雨入渗引起的地下水等因素影响而发生破坏，隧洞围岩整体自稳能力较好，因此，综合上述分析可判定，该段围岩岩体基本质量级别为Ⅲ级，隧洞开挖形成后，围岩整体稳定，围岩局部岩石块体将发生位移，局部围岩有发生破坏的可能，需要及时对围岩进行支护。

3 综合分析

针对上述泄洪排沙洞出口桩号0+660～0+694.3m段围岩工程地质的研究，对比2种标准对该段围岩的研究成果，发现，2种标准对该段围岩工程地质评价基本相同，即：隧洞开挖后，围岩整体稳定，局部围岩稳定性差，隧洞开挖后需对围岩进行支护。这一成果与水力发电工程地质勘察规范内Ⅲ类围岩描述基本一致，因此，按水力发电工程地质勘察规范条文，该段围岩类别为Ⅲ类，浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞桩号0+660～0+694.3m段围岩需要按Ⅲ类围岩进行设计。

4 结语

外部环境复杂，工程地质条件千变万化，隧洞设计过程中经常会遇到各种问题，综合运用专业技术知识，深入理解规范条文含义，充分利用规程规范、标准的规定进行综合分析研究是解决问题的关键。浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞桩号0+660～0+694.3m段围岩类别就是在充分运用现行规程规范基础上，利用有限元数值模拟法综合确定，为类似工程提供了参考与指导。

采用二维有限元数值模拟分析计算，略显粗糙，待下一阶段深入研究，但是，有限元数值模拟预测出了隧洞开挖后围岩岩体塑性变化、位移情况及其围岩位移变化规律，为该段隧洞围岩类别最终确定奠定了基础。