自一里水电站调压室工程地质条件评价

自一里水电站调压室工程地质条件评价

1自一里直江河油港地区适合利用地质条件下的调压室设计的必要性一里水库位于四川省平武县。是福州市火河上游左岸支流“一库三级”工程的第二个旁通式水库。闸址位于王坝楚下游2.3km,采用右岸引水方案,隧洞长9.5km,于自一里村右岸建地下厂房发电。工程枢纽位于平武县上游44～55km的火溪河畔,左岸有成九公路通过,交通方便。自一里水电站设计水头477m,发电引用流量34m3/s,装机容量130MW,为高水头小流量引水式电站。引水隧洞区地层岩性主要为印支期二云母花岗岩,以Ⅱ类围岩为主,地质条件较好,厂房为地下厂房,因此具备布置气垫式调压室的地形地质条件。由于自一里水电站地处九寨沟旅游风景线上,对环境保护要求特别高,为尽量减少工程施工(修施工公路)对自然环境的影响,降低施工难度,增加电站的经济效益,结合电站实际情况,经国内外专家多次咨询,重点研究了采用气垫式调压室的工程布置和运行控制方式。深入开展现场地质、勘探和试验研究,主要目的在于收集详细的地质资料,与国外已完建工程的地质条件类比、对照,以确定气垫式调压室位置、布置型式和洞轴线方向,提出洞室围岩防渗(防漏水、漏气)支护的处理措施。2地质背景及地层电站枢纽区山高谷深,河谷深切,山体雄厚。厂址区为“U”型宽谷,谷底相对较开阔,一般坡度为40°～50°。引水线路沟间山峰海拔高程一般为2450～2650m,构成中高山地貌形态。压力管道、调压室及地下厂房区地层岩性以花岗岩为主,内有被花岗岩体捕虏的受热变质作用重结晶的碎屑岩。据平洞、钻孔揭示,调压室区变质砂岩捕虏体的分布比例平均为35.8%。厂址区无规模较大的断层分布,花岗岩及变质砂岩中裂隙发育无明显差异,主要发育三组裂隙:①N65°E～EW/SE(S)∠12°～27°;②N15°～35°W/NE∠47°～60°(PD7平洞0+440～0+469m和0+555～0+598.6m洞段)或N68°W/NE∠61°(0+469～0+555m洞段及支洞),具分段性发育特征;③N60°～80°E,近直立。厂址区谷坡陡峻,中高程以上一般基岩裸露,且主要分布花岗岩和二云母石英岩捕虏体等坚硬岩,岩体较完整,但仍有一定深度和不同程度的风化卸荷带分布。据不同高程的勘探平洞揭示,厂址区右岸岩体强风化、强卸荷带不发育,弱风化带下限水平深度为130～192m,弱卸荷带下限水平深度为64～142m。在拟布置气垫式调压室区,岩体风化微弱,岩体嵌合紧密,仅表现为局部裂隙面上有少量锈斑,裂面上矿物轻度蚀变,均属微风化～新鲜岩体。气垫式调压室区地下水以局部承压水形式赋存于岩体裂隙中,但含水不丰。PD7平洞洞壁一般湿润或渗滴水,局部呈暂时性线状流水。洞壁钻孔可见孔内局部暂时性涌水,实测最大渗水压力为0.1～0.3MPa,流量为11～35.8L/min,但暂时性特征明显。3地质地质及地质问题研究(1)调压室区工程地质测绘;(2)调压室区工程地质勘探试验;(3)地质勘探试验成果收集(编录)整理和分析研究;(4)岩体(围岩)工程地质分类及评价;(5)调压室区岩体应力场有限元回归分析;(6)调压室区岩体渗流场研究;(7)调压室位置、布置型式及洞轴线选择;(8)调压室工程地质评价及处理措施。4勘探试验工作根据厂址区岩体条件和挪威专家的咨询意见,重点在地下厂房顶拱高程1573m和初拟气垫式调压室底板高程1707m布置洞探和钻探,以查明厂址区气垫式调压室和压力管道围岩工程地质条件,结合厂址区常规调压井方案的勘探平洞资料,综合评价气垫式调压室地应力状况和岩体渗透性及围岩成洞条件。勘探试验布置见图1。所作的勘探试验工作如下:(1)平洞:3个,长860m;(2)钻孔:多方向,13个,长430m;(3)钻孔常规压水试验:13孔,88段;(4)高压压水试验:13孔,57段;(5)水压致裂法地应力测试:3组;(6)应力解除法地应力测试:4组;(7)岩体现场变形试验:12点;(8)岩体及结构面大剪试验:4组;(9)孔内水力阶撑试验:6孔,14段;(10)岩石物理力学性常规试验:20组;(11)水质分析、岩石磨片鉴定等:若干;(12)地应力场有限元回归分析;(13)水文地质条件及调压室区围岩渗透性分析。5恒压室设计的质量评价5.1高压洞室工程地质条件(1)挪威已建气垫式调压室的工程实践经验;(2)国内有关规程规范中所要求的高压洞室应满足的岩体工程地质条件;(3)挪威专家对自一里水电站气垫式调压室的三次咨询意见。5.2调压室及上覆岩体布置气垫式调压室是作为替代衰减电站负荷变化时引水隧洞水流瞬变过程的传统开敞式调压井的一个经济实用的方案。根据挪威已建气垫式调压室的经验和专家咨询意见,气垫式调压室位置的选择应满足如下设计准则和地质限制条件:(1)围岩质量及成洞条件。由于气垫式调压室一般为不衬砌设计,故岩石自身必须能够抵抗非常高的水压力。因此,要求选择岩体质量较好～好、岩体结构较完整～完整、成洞条件较好的岩体进行气垫式调压室布置。(2)洞室埋藏条件。要求岩体不能因隧洞的内水压力或内气压力而使围岩产生水力劈裂或气压劈裂,造成不能允许的渗漏。因此,要求布置点上覆岩体厚度应满足如下经验法则:γγLcosβ>γwH(式中:L为地表与分析点间的最短距离;β为山坡的平均坡度;H为静水头(m);γγ为岩石密度;γw为水的密度)。(3)地应力限制条件。为满足岩体抗劈裂的要求,岩体中最小主应力σ3应满足如下经验法则:σ3>γwH。(4)岩体防渗条件。岩体渗透性是确定洞壁岩体漏水、漏气量的重要指标,应选择在透水性相对较微弱的岩体中布置气垫式调压室,洞壁岩体透水率要求小于1Lu,若大于1Lu,应进行固壁灌浆处理。6选择缓冲压力室的位置6.1岩块及围岩类型岩性:以二云母花岗岩为主,局部为变质砂岩捕虏体;岩体完整性:RQD:66%～100%,Kv值:0.647～0.829;岩体块体尺寸:Ib=0.53～0.83m;岩块湿抗压强度:90.5～217MPa;变形模量:变质砂岩(石英片岩)和花岗岩岩体在5MPa压力下的变形模量为30.69～47.27GPa;裂隙较发育的花岗岩岩体在5MPa压力下的变形模量为9.33～16.09GPa。围岩分类:水电分类以Ⅱ类为主,局部Ⅲ类;Q系统的Q=15.8～31.6,第四档“好”岩体;RMR评分一般为72～80分,也为Ⅱ类围岩。成洞条件:洞室基本稳定,成洞条件较好。6.2上覆岩体厚度根据厂址区气垫调压室-尾水洞地质纵剖面分析(见图2),初拟气垫式调压室位置上覆岩体最小垂向厚度为401m,与斜坡之间最小侧向埋深为321m,去掉弱卸荷深度后,侧向最小埋深约为308m。根据挪威专家第一次咨询时的建议,如考虑1707m高程作为气垫式调压室的底板高程,此处静水头H为323m,气垫式调压室内气压力、压力管道的内水压力为3.23MPa,上部水幕压力为3.73MPa。取花岗岩天然密度2.7g/cm3,平均坡度40°,水幕压力3.73MPa,当洞室侧向最小埋深L>180.4m时,即可满足γγLcosβ>γwH的要求。现初拟布置位置L≈308m,γγLcosβ≈6.37MPa,大于静水头压力3.23MPa、气室内气压力3.23MPa和水幕压力3.73MPa。因此,初步布置气垫式调压室位置的侧向岩体最小厚度能满足经验法则的要求。根据图2分析,水幕廊道外侧端顶拱处上覆岩体垂向厚度为359.6m,气垫式调压室外侧端顶拱一带上覆岩体垂向厚度为382.6m,岩体的自重应力γH值分别为9.71MPa和10.33MPa,均大于水幕内水压力4.3MPa和气垫式调压室的内气压力3.8MPa。因此,按上抬理论,此处的岩体上覆厚度能满足高压洞室抗抬稳定性要求。据岩石拉裂理论,按允许开裂设计,洞室上覆岩体厚度应满足H≥3pR/2λγ−−−−−−√Η≥3pR/2λγ(式中p为内水压力、R为开挖洞跨度;λ为岩体侧压力系数、γ为岩石密度)的要求,按岩石泊松比0.18～0.21计算侧压力系数λ=0.21～0.27,平均为0.24,取花岗岩岩石密度2.7g/cm3,按内水压力4.3MPa、开挖跨度10m考虑,上覆岩体厚度H应大于172.8m。现设计位置上覆岩体厚度为359.6和382.6m,远大于上述计算值,因此能满足抗抬稳定性要求。6.3m平洞应力学测试根据气垫式调压室初步布置方案,在地下厂房顶拱高程1573m的PD5平洞、地下厂房上游PD4平洞和气垫式调压室底板高程1707m的PD7平洞,共进行了8组应力解除法、声发射法、水压致裂法地应力测试。其中,8个钻孔中所做的三组水压致裂法地应力测试成果较有代表性,故以此作为评价气垫式调压室岩体地应力条件的依据。对每一组,根据不同方向3个钻孔中多段(点)地应力测试值进行回归分析,得出的三维地应力值见表1。根据准则要求,布置点上覆岩体厚度和岩体中最小主应力σ3应满足如下经验法则:(1)wh<wh>lcoso最大静水头压力γwH=3.23MPa<γγLcosβ=2.7×308×cos(40)/100=6.37MPa;(2)mpaγwH=3.23MPa<σ3=4.89MPa、5.03MPa和6.09MPa。由上可见,布置点上覆岩体厚度和岩体中最小主应力σ3基本上能满足气垫式调压室内气压力和水幕内水压力的要求。6.4压水效果及评价应选择在透水性相对较微弱的岩体进行气垫式调压室布置。洞壁岩体透水率要求小于1Lu,如透水率大于1Lu,应进行固壁灌浆处理。综合统计,在88段常规压水试验成果中,q≤1Lu的为52段,占59.2%,q>1Lu的占40.8%。57段高压压水试验成果中,受高压水泵泵量和岩体中裂隙较发育等条件的限制,试验中压力值能达到5MPa的只有19段,占40.4%,其透水率为0～0.68Lu。可见,布置点的岩体透水率未能全部满足小于1Lu的要求,应进行固壁灌浆处理。6.5氮气式调压室的确定综上所述,从探洞和钻孔揭示的岩体基本地质条件、岩性分布情况、裂隙发育特征、岩体完整性,以及对现场实测岩体地应力状态的分析,参照挪威已建气垫式调压室的经验,以选择岩石坚硬、围岩成洞条件较好、上覆岩体厚度及最小主应力量级满足要求和透水性微弱的场地布置气垫式调压室为原则,初步选择PD7主洞0+469～0+554.5m洞段和支洞0-022m以里位置,布置气垫式调压室。但岩体中局部存在裂隙密集带、碎裂岩带,具中等透水条件,存在局部漏气较大的可能性,因此应在设计中考虑适宜的防漏措施。7结论和一些需要讨论的问题7.1气孔调压室的布置方案根据上述气垫式调压室工程地质条件评价准则,对于自一里水电站气垫式调压室可得出如下结论:(1)位置选择:据对自一里水电站气垫式调压室区围岩工程地质条件、岩体渗透性、地应力量级等综合分析,选取PD7平洞0+469～0+554.5m段和支洞0-022m向山里的位置,平行压力管道方向布置气垫式调压室。(2)布置型式和纵轴线方向确定:布置区内的岩体完整性属于较完整～完整,围岩类别以Ⅱ类为主,洞室基本稳定,具备成洞条件。但岩体中裂隙较发育,且一般延伸较长,为尽量避免洞壁漏气,选取了洞壁面积较小的“条形”布置方案为气垫调压室布置的推荐方案。根据区内岩体地应力量级、结构面发育优势方向和灌浆效果综合考虑,选择N68°E为气垫调压室纵轴线方向。(3)对不利地质条件的处理措施:调压室区的岩体在常规压力条件下透水率一般为微～弱透水,局部达到中等透水,地应力量级较低,最小主应力小值为4.89MPa,这对于内气压力3.23MPa、水幕压力3.73MPa的气垫式调压室而言,安全余度不高,局部段分布有裂隙较密集带,抗劈裂稳定性稍差,这是控制气垫式调压室长期运行稳定的关键,应对其进行必要的加固处理,以尽量防止内气外渗和高压水渗漏。应从下列三方面着重考虑补强措施:(1)在洞室开挖后,在气垫式调压室和水幕廊道洞壁不同部位进行水压致裂法地应力测试和高压压水试验检查,以进一步确定气垫式调压室周围岩体地应力状态和岩体渗透性。(2)对局部裂隙密集带、岩体透水率(压水试验吕荣值)大于1Lu的洞段,分不同围岩类别分别进行必要的高压固结灌浆或化学灌浆等灌浆试验,并采用高压压水试验、物探声波测试等方法检查处理效果,最终选定洞壁围岩加固处理措施。(3)重点对高压堵头部位的围岩进行必要的灌浆处理,以防止高压气体沿着堵头周围岩体中裂隙及混凝土与岩体接触面向交通洞方向渗漏。7.2试验结果的讨论对于水电工程而言,工程地质研究的主要目的,是为水工设计提供较合理的工程地质参数,为确定水工建筑物的最终型式提供依据。对于气垫式调压室而言,关于地下洞室围岩稳定的一系列工程地质参数可以通过较常规的勘探试验获得,但对于气室的透