旭龙水电站地下厂房主要工程地质问题分析

杨志川 尹军 庞云铭 张焕强 陈金龙

摘要：通过分析潜在工程地质问题，为旭龙水电站地下厂房围岩支护设计提供地质依据，应用现场调查、室内外试验和三维数值模拟相结合的方法，对地下厂房围岩稳定问题及相应机理进行了深入分析。結果表明：围岩以花岗岩等硬岩为主，岩石类别主要为Ⅱ类，少量Ⅲ类。潜在工程地质问题主要包括不稳定块体、缓倾角结构面、小夹角长大结构面、局部高地应力、洞室涌水等，可能引起局部围岩片帮、掉块、崩落或塌方等变形破坏；大方量不稳定块体可能导致部分洞段整体失稳；洞室涌水会降低局部围岩稳定性，不利于施工。研究成果明确了旭龙水电站地下厂房主要工程地质问题，为围岩开挖和支护设计提供了理论支持。

关键词：地下厂房； 工程地质问题； 围岩变形破坏； 局部高地应力； 旭龙水电站

中图法分类号：TV221.2

文献标志码：A

DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2024.05.005

文章编号：1006-0081（2024）05-0026-05

0 引言

水电站地下厂房一般具有埋深大、跨度大、边墙高等特点，研究地下厂房围岩潜在的稳定性问题和机理，对于高山峡谷大型高拱坝水电站支护设计和提高工程安全性具有重要意义［1］。

传统的洞室围岩稳定性分析是根据地质条件划分围岩类别，相应的系统支护不能满足大跨度地下工程安全要求，应根据不同的围岩稳定问题和机理以及不同的工程部位进行专项设计。刘冲平、肖云华等［2-3］在乌东德电站地下厂房高边墙陡倾顺向岩体变形研究中，归纳总结了沉积岩地层中高边墙地下厂房围岩稳定问题。刘思杰等［4］在白鹤滩水电站地下厂房岩体变形机理研究中，提出了喷出岩地层中厂房岩体的失稳模式。然而，侵入花岗岩与沉积岩和喷出岩的地层地质条件差异较大，目前较缺乏侵入花岗岩地层中地下厂房围岩稳定问题的分析和探讨，相应支护设计的理论依据有待进一步探索。

为解决上述问题，本文在块体稳定性研究［5-7］的基础上，针对性地开展地应力测试、厂房顶拱先导孔等技术应用，为以侵入花岗岩为主要围岩的地下厂房围岩破坏机理和类型研究提供基础数据，并通过三维数值模拟方法进行分析，为提高地下厂房围岩的安全性、稳定性和保障水电站的稳定运行提供支撑。

1 工程概况

旭龙水电站开发任务以发电为主，兼顾促进地区经济社会发展。坝址多年平均流量990 m3/s，多年平均径流量313亿m3。水库正常蓄水位2 302 m，死水位2 294 m，调节库容1.26亿m3；设计洪水位2 303.42 m，校核洪水位2 305.89 m，总库容约8.47亿m3。水电站装机容量2 400 MW，多年平均年发电量约105.14亿kW·h。

地下厂房系统布置于右岸，总体为引水隧洞单机单洞，尾水隧洞二机一洞，主厂房、主变洞、调压室三大洞室相互平行布置。主要建筑物有进水口、引水隧洞、主厂房、母线洞、主变洞、尾水隧洞、尾水调压室、尾水出口及开关站等，见图1。主厂房开挖尺寸为204 m×27.7 m（29.9 m）×79.2 m。

2 工程地质条件

地下厂房区位于金沙江右岸，属中高山地貌，为走向与金沙江流向基本一致的多级高耸山脊，高程自枯水位2 150 m至二级岸坡坡顶4 000 m左右。主厂房外侧端墙距岸边距离265 m，洞室埋深260～420 m。

围岩主要为三叠纪印支期侵入花岗岩（γ15）、中元古界雄松群三段（Pt2x3）混合岩及少量斜长角闪岩脉体，微新岩体，花岗岩与混合岩分界面焊合良好，呈硬性接触。岩体单轴饱和抗压强度80～110 MPa，变形模量20～30 GPa，岩体声波测试纵波波速Vp均值为5.3 km/s。与地下厂房相关的断层中，规模较大的为F1断层（Ⅱ级结构面），其余规模为Ⅲ、Ⅳ级结构面，以与金沙江大角度相交的陡倾断层为主。

最大水平主应力范围主要为8.2～21.1 MPa，最大水平主应力方向一般为N51°～66°E（平均N57°E）。地应力总体为中等应力水平，局部应力集中部位为高应力水平，且具有随机分布特征［8-9］。

水文地质结构总体属裂隙型网络状，局部受断层影响，形成脉状透水带，微新岩体大部分透水性较弱，属相对隔水岩体。山体内地下水位较低，近岸地段地下水位基本与江水一致，向岸坡内地下水位缓慢抬升。

3 主要工程地质问题

地下厂房洞室群布置于微新岩体中，块状构造，较完整至完整，围岩类别以Ⅱ类为主，部分为Ⅲ类，洞室成洞和稳定条件整体较好。主要工程地质问题有不稳定块体、缓倾角结构面、小夹角长大结构面、局部高地应力、洞室涌水等［10-11］。

3.1 不稳定块体

通过对厂房区发育的断层、裂隙性断层、长大裂隙以及洞室分布区平洞揭露的优势裂隙的研判，将其作为块体边界分析其组合切割模式，利用BM_GeoModelerS2019构建三维地质模型，对洞室顶拱及边墙的块体进行搜索及稳定性分析，将块体分为半定位块体、随机块体2类。其中，主厂房区半定位块体发育6处（图2及表1），体积750～2 800 m3，主要分布于顶拱及起拱线一带，可能产生的主要破坏模式为塌顶、滑塌及掉块。随机块体易在拱顶形成，为锥形楔体或斜锥形楔体的块体，以掉块破坏为主；在边墙上则以倾倒、片状剥落、滑塌破坏为主。

地下厂房主厂房、主变洞和尾水调压室顶拱跨度大，开挖临空面易形成可动关键块体，系统支护难以满足其稳定性要求，关键块体边界条件的确定至关重要。由于重力是块体失稳的直接原因，因此关键块体在支护设计阶段不考虑结构面的抗剪强度，仅作为安全余度考虑。

3.2 缓倾角结构面

厂房区围岩主要为侵入岩，裂隙发育随机性强。随着洞室开挖，顶拱下部临空，上部遇缓倾角结构面切割，顶拱部位岩体易发生变形破坏，潜化破坏模式以塌顶、掉块为主，见图3。

前期勘探平洞揭露缓倾角结构面如图4所示，倾角一般为5°～25°，延伸长度多大于50 m，裂隙宽1～10 cm，充填泥钙质、云母，沿裂面普遍风化加剧，铁锰质浸染呈黄褐色。尾水调压室、尾水隧洞区域受此影响，局部稳定性较差，顶拱部位易产生变形破坏。

3.3 小夹角长大结构面

小夹角长大结构面主要是指陡倾长大裂隙与洞室边墙夹角小于30°。厂房区陡倾裂隙主要发育2组裂隙（图5）：① NE组，走向35°～55°，倾向SE为主；② 近南北向，主要倾向W，部分倾向E。

第①组裂隙与主厂房、主变洞、尾水调压室轴线呈小角度相交，夹角3°～20°，易于边墙形成锥形楔体、薄板，不利于洞室围岩稳定，围岩潜在的主要破坏模式为滑塌、倾倒及剥落。

第②组裂隙与引水隧洞、母线洞、尾水隧洞和部分附属洞室轴线呈小角度相交，夹角5°～25°，易于洞壁形成锥形楔体、薄板，不利于洞室围岩稳定，围岩潜在的主要破坏模式为滑塌、倾倒及剥落。

3.4 局部高地应力

厂房区地应力为中等地应力水平，其最大主应力方向与厂房轴线方向呈小角度相交，其岩石强度应力比Rb/σm一般为6.1～11.0，局部区域小于7，存在局部地应力集中引起的围岩稳定问题。前期钻孔部分见饼状岩心，勘探平洞出现片帮剥落，均为应力释放现象，见图6～7。

工程区位于构造应力为主的强烈上升地区，侵入花岗岩岩质硬脆、完整性较好，具备岩爆发生的客观条件。最大主应力与岩体裂隙、地下洞室临空面的夹角与岩爆关系密切，在其他条件相同情况下，夹角越小，岩爆越强烈。与三大洞室轴线小角度相交的NE走向陡倾角裂隙易发生片帮或剥离，端墙临空面走向与最大主应力方向大角度相交及局部高地应力会加大围岩卸荷松弛深度与程度。

局部高地应力区域围岩浅表层可能出现片帮、剥离、岩爆现象，表现在洞室拱座的劈裂-松脱破坏和边墙的劈裂-松胀、隆起等，岩爆零星、间断发生，岩爆烈度等级为轻微，对浅表层围岩稳定不利。

3.5 洞室涌水

厂房区三大洞室及部分附属洞室处于地下水位以下，地下水主要为裂隙水，其含水介质分为裂隙网络状结构体与脉状含水体两种。在洞室开挖过程中，地下水可能沿结构面进入洞室，形成线状、小股状或股状涌水，对洞室围岩稳定不利，应及时对洞室涌水采取抽排水等措施。

厂房三大洞室处在上下游围堰河段山体内，三大洞室开挖期间，上、下游围堰及其防渗帷幕已经形成，堰内江水已抽干，因此涌水主要为山内侧的地下水补给。

地下电站主厂房外边墙距岸边265 m，至主厂房区地下水位稳定，一般为2 169～2 187 m，基本不随季节变化，垂直于金沙江方向的水力坡降为7%～9%。厂房区岩体较完整，透水性弱，水位也高于江水，运行期间江水向三大洞室大流量渗透的概率小。

4 结语

旭龙水电站工程是国家西电东送骨干电源点之一，地处金沙江中高山峡谷，地质条件复杂，地下厂房作为其枢纽重要建筑群，围岩稳定问题突出。本文对地下厂房区主要工程地质问题进行了分析和总结，得出以下结论。

（1） 地下厂房三大洞室距岸边240～265 m，上覆岩体厚度260～410 m；围岩为花岗岩、混合岩及少量斜长角闪岩脉体，岩质坚硬、微新、未卸荷；断层、裂隙总体不发育；总体中等地应力水平，局部应力集中、为高地应力水平。

（2） 厂房区围岩类别以Ⅱ类为主，部分为Ⅲ类，洞室成洞和稳定条件整体较好；围岩稳定问题主要有：块体、缓倾角结构面、小夹角长大结构面、局部高地应力、洞室涌水等。

（3） 基于厂房区围岩变形破坏的特征，对不同类型、不同规模、不同机理和不同危害的工程地质问题，需采取针对性专项设计。

参考文献：

［1］周述达，孙海清，张彪.三峡水利枢纽地下电站布置及洞室稳定关键技术研究［J］.水利水电快报，2022，43 （6）：42-48.

［2］刘冲平，肖云华，黄孝泉，等.乌东德电站地下厂房高边墙陡倾顺向岩体变形研究［J］.人民长江，2022，53（增2）：59-63.

［3］肖云华，黄孝泉，刘冲平，等.乌东德水电站地下厂房主要工程地质问题研究［J］.人民长江，2015，46（14）：1-3，35.

［4］刘思杰，胡中华.白鹤滩水电站地下厂房岩体变形机理研究［J］.人民长江，2017，48（21）：61-66.

［5］职承杰，李建贺，张传健.高地应力软岩隧洞开挖扰动特征与规律研究［J］.水利水电快报，2021，42 （3）：34-41.

［6］肖云华，许琦，刘冲平，等.块体稳定性研究综述［J］.人民长江，2017，48（增1）：130-133.

［7］刘冲平，王吉亮，黄孝泉，等.环境边坡危岩体稳定性定性评价研究［J］.水利水电快报，2023，44（1）：43-47.

［8］韩进奇，李洪伟，曾强.白鹤滩左岸地下厂房高边墙围岩稳定控制技术［J］.中国水利，2019（18）：65-67.

［9］長江勘测规划设计研究有限责任公司.金沙江上游旭龙水电站引水发电建筑物及过鱼设施工程招标设计报告［R］.武汉：长江勘测规划设计研究有限责任公司，2021.

［10］住房和城乡建设部.水力发电工程地质勘察规范：GB 50287-2016［S］.北京：中国计划出版社，2016.

［11］杜华冬，冯敏.旭龙水电站三维设计及BIM应用［C］∥中国水利水电勘测设计协会.水利水电工程勘测设计新技术应用——2019年度全国优秀水利水电工程勘测设计奖获奖项目、第二届中国水利水电勘测设计BIM应用大赛获奖项目.北京：中国水利水电出版社，2020：376-379.

编辑：高小雲

Analysis on main engineering geological problems of underground powerhouse of Xulong Hydropower Station

YANG Zhichuan，YIN Jun，PANG Yunming，ZHANG Huanqiang，CHEN Jinlong

（Three Gorges Geotechnical Consultants Co.，Ltd.，（Wuhan），Wuhan 430074，China）

Abstract：

In order to provide a geological basis for the design of surrounding rock support for the underground powerhouse of Xulong Hydropower Station，the potential engineering geological problems were analyzed，and a combination method of on-site investigation，indoor and outdoor experiments，and three-dimensional numerical simulation was used to deeply analyze the stability problems and mechanisms of surrounding rock in the underground powerhouse.The results showed that the surrounding rock was mainly composed of hard rocks such as granite，with the main rock types of Class Ⅱ and a small amount of Class Ⅲ.The potential engineering geological problems included unstable blocks，gently inclined structural planes，small angle long structural planes，local high ground stress，and water inrush in the cavern.The above-mentioned issues may cause the deformation and failure such as local rock fragmentation，falling blocks，collapse，landslide，etc.Large and unstable blocks may cause the overall instability of some tunnel sections，while water inrush in the tunnel may reduce the stability of local surrounding rock and leads to poor construction conditions.The research results clarified the main engineering geological problems of the underground powerhouse of Xulong Hydropower Station，providing a theoretical support for excavation and support design of surrounding rock.

Key words：

underground powerhouse； engineering geological problem； deformation and failure of surrounding rock； local high ground stress； Xulong Hydropower Station

收稿日期：2023-10-12

作者簡介：杨志川，男，高级工程师，主要从事工程地质、水利水电工程岩土勘察等工作。E-mail：343318315@qq.com