猴子岩水电站地下厂房位置及其轴线方向的选择

曲海珠，李治国，李红心

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院，四川成都610072;2.国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川康定626005)

1 概述

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流水电规划调整推荐22级开发方案中的第9个梯级电站。地下厂房位于右岸山体内，厂房开挖尺寸(长×宽×高)为224.4 m×29.2 m×74.4 m。厂房底板高程1 661.8 m，厂房下游侧设主变室和尾调室，三者之间岩柱厚度均为45 m。电站装机容量为1 700 MW(425 MW×4)。

2 工程地质情况

工程区位于色龙沟口至折骆沟口河段，全长3.8 km，河道略呈“S”型流向。坝址河谷狭窄，河谷形态呈较对称的“V”型谷。河谷两岸地形陡峻，临河坡高大于800 m，左岸1 900 m高程以下地形坡度一般为60°～65°，以上变缓为30°～40°，右岸2 000 m高程以下地形坡度一般为55°～60°，以上为40°～50°。坝前右岸发育有磨子沟，沟谷切割较深。

地下厂房区出露基岩主要为泥盆系下统(D11)第⑨层中厚层～厚层～巨厚层状，局部夹薄层状白云质灰岩、变质灰岩，岩层产状为N50°～70°E/NW∠40°～60°。据勘探揭示，地表岩体风化卸荷较弱，强卸荷、弱风化上段水平深2 m，弱卸荷、弱风化下段水平深度为52～58 m，向内为微风化～新鲜岩体。

地下厂房区无区域断裂通过。据勘探平洞揭示，厂区上游侧发育一条规模较大的断层F1－1，产状N60°E/NW∠85°，主要由碎粒岩、碎粉岩组成，主错带宽1～1.5 m，碎粉岩带宽30 cm，断层影响带宽约20 m，断层处洞壁垮塌，地下水沿断层股状流出。其它结构面主要有次级小断层23条、挤压破碎带42条和节理裂隙6组。厂房部位岩体完整性总体为较完整～完整。

厂房区岩性为白云质灰岩、变质灰岩，岩体中岩溶不发育，仅见个别溶隙，除断层带具较强透水性外，中陡倾裂隙一般透水性较弱。由于河谷深切，岸坡陡峻，地表水入渗困难，补给水源有限，岸坡排泄条件较好，因此，地下水位埋藏较深，总体上为地下水补给河水，岩体中地下水不丰。

厂房区为高地应力区。在勘探平硐中，多处出现片帮现象。可研阶段分别在平硐进行了6组地应力测量，最大主应力σ1量级为21.53～36.43 MPa，最大主应力σ1方向大致为N41°～75°W，倾角为21°～47°(仰角为正、俯角为负)。洞壁片帮发育程度和地应力测量结果表明:右岸厂房区为高地应力区，为区域构造应力场与地形自重应力场叠加的结果。

3 地下厂房位置和纵轴线

3.1 地下厂房位置

地下厂房的进水口布置于坝轴线上游约500 m处，由于地形、地质条件的限制，进水口位置相对固定，可调整的范围不大。厂房位置受电站进水口位置和压力管道不设上游调压室的极限长度控制，同时考虑F1－1断层、SPD1－3平硐0+48以里的IV类围岩体、放空洞有压段内水压约90 m的影响、引水发电系统等枢纽建筑物的布置协调以及机组运行、工程投资等因素，比较了3个厂房位置方案。3个方案的厂房均位于SPD1－1探洞附近(图1)。

图1 地下厂房1 704.9 m高程工程平切图

方案一:厂房布置于大渡河右岸略靠坝轴线上游山体内，厂房纵轴线方向为N61°W，厂房左上角距坝轴线铅直面约100 m，顺坝轴线方向距右坝肩约200 m。勘探平洞SPD1－4、SPD1－3纵向穿过厂房，厂房最小垂直埋深约380 m，最小水平埋深约250 m。据勘探平硐揭示，厂房区岩性为泥盆系下统(D11)第⑨层微风化～新鲜的白云质灰岩、变质灰岩，岩性较单一，岩体以中厚层～厚层～巨厚层状结构为主，岩体完整～较完整，围岩类别以Ⅲ1类为主;SPD1－3平洞0+048以里的IV类围岩外边界距厂房右端墙约3～5 m，仅对安装间端墙围岩稳定有一定影响;F1－1断层主错动带距厂房右端墙约25 m，基本上不影响厂房围岩稳定。厂区整体成洞条件和围岩自稳能力较好。厂房左端墙距放空洞约80～100 m，能满足通风系统布置、厂房及其附属洞室防渗需要。方案一的厂房纵轴线与压力管道中心线夹角为70°，单条压力管道最长约640 m。在满足不设上游调压室和机组稳定运行条件下的管道直径为10.5 m。

方案二:在方案一的基础上，厂房沿厂房轴线方向向山内移动约25 m，并为避开F1－1断层主错动带向下游移动了10 m。厂房所处地质条件与方案一基本相同。但因厂房向山内移动，相对有利于通风系统及附属洞室布置。方案二中厂房右端墙距F1－1断层主错动带外边界仅约5 m，而安装间段直接穿过SPD1－3平洞0+048以里的IV类围岩，故安装间端墙及边顶拱围岩条件恶化，围岩稳定问题突出，防渗难度略有增加。方案二较方案一离放空洞有压段略远，相对有利于通风系统及附属洞室布置。方案二中的厂房纵轴线与压力管道中心线夹角为70°，压力管道增长，单条压力管道最长约681 m。

方案三:在方案一的基础上，厂房沿厂轴线方向向山外移动约25 m。厂房所处地质条件与方案一基本相同。因厂房向山外移动，SPD1－3平洞0+048以里的IV类围岩外边界距厂房右端墙约28～30 m，基本上不影响厂房右端墙围岩稳定。方案三较方案一远离F1－1断层但靠近放空洞有压段，厂房左端墙距放空洞有压段约55～75 m，难以满足在其间布置附属通风系统洞井及厂区排水廊道的需要，防渗难度大、要求高。方案三中的厂房纵轴线与压力管道中心线夹角为56°，压力管道增长，单条压力管道最长约710 m。

综上所述，受地质条件和枢纽布置的影响，厂房位置可调整的余地很小。综合地质条件、枢纽布置、水力条件、结构安全、机组运行和工程投资等因素对于地下厂房位置的选取，推荐方案一。

3.2 厂房纵轴线

厂房纵轴线布置原则:厂房纵轴线与初始地应力最大主应力方向呈较小夹角;与主要结构面走向呈较大夹角，并满足各枢纽建筑物的布置协调和运行要求。

厂区初始地应力最大主应力σ1量级为21.53～36.43 MPa，最大主应力σ1方向大致为N41°～75°W，厂房轴线要与初始地应力方向呈较小夹角，其方位宜为N41°W～N75°W。

根据以上因素，结合地质条件和水工布置情况比较了2个厂房纵轴线布置方案，即纵轴线方向为N61°W和纵轴线方向为N41°W。

从地质条件上比较可知(表1):

图2 厂房纵轴线布置(N61°W和N41°W)方案图

表1 地质条件比较表

根据对表1的结果进行分析，两个方案的轴线方向均与岩层产状大角度相交，与地应力小角度相交。N41°W方案与目前所测的量级36.43 MPa最大地应力δ1几乎平行。再与小断层的夹角进行比较，N41°W方案略优于N61°W方案。从水工布置上比较(表2):

表2 水工布置比较表

对水工布置比较表(表2)的结果进行分析，N41°W方案中的压力管道和主要附属洞室的长度均有增加。压力管道间的岩体厚度减少，小于1倍的开挖洞径且压力管道要穿过F1－1断层和IV类岩体，对围岩稳定不利。从厂坝防渗排水系统布置协调、缩短压力管道长度、引水发电系统布置顺畅等方面出发，厂房轴线方位宜选为N61°W左右。

综合考虑上述各方面因素，确定厂房纵轴线方向为N61°W，厂房轴线方向与厂区实测初始地应力最大主应力σ1方向夹角为6.5°～16.69°，与厂房区主要结构面N50°E～N70°E的夹角为49°～69°，有利于围岩稳定。厂房纵轴线方向与厂区主要小断层、挤压破碎带的夹角见表3。

表3 厂区主要小断层、挤压破碎带与厂房纵轴线(N61°W)夹角表

可见，所选择的厂房纵轴线与结构面夹角较大，与初始地应力最大主应力方向夹角较小，有利于洞室围岩稳定;同时，厂房纵轴线也满足了整个枢纽的布置协调要求。因此，所选择的地下厂房纵轴线方位是合理的。

3.3 厂区初始应力场的反演分析

为了充分利用地应力测点进行厂区的地应力回归，在厂区三维地应力场回归中采用了大范围的反演模型，而地下厂房洞室群的计算则包含在回归模型中，回归的地应力场作为计算模型的初始条件输入，根据右岸地下厂区6组(SPD1－1、SPD1－2、SPD9－1、SPD1－3、SPD1－4、SPD1－5)地应力实测成果进行了初始地应力场反演回归分析。对计算区域共划分了97 290个单元和104 935个节点。主要结果如表4、5所示。

计算结果表明:采用三维有限元反演拟合的初始应力场综合反应了地形地貌对初始应力场的影响，保证了在实测点处计算值与实际值基本一致，反演回归的复相关系数为0.909 63，其结果具有较好的可靠性。回归计算最大主应力σ1的方向近似平行于地下厂房的轴线方向，最小主应力σ3的方向近似垂直于地下厂房的轴线方向。从厂区回归应力分量对比关系看，同样呈现σz＞σx＞σy的分布特征，即铅直方向的初始应力水平要大于水平向的初始应力。最大主应力方向与区域构造主压应力方向较为接近，显示为区域构造应力场与地形自重应力场叠加的结果，地应力大小随水平埋深增大而增加，地应力量值对围岩稳定有一定影响。

表4 实测点处计算应力与实测应力的主应力值比较表

表5 实测点处计算应力与实测应力的分量值比较表

4 结语

猴子岩水电站地下厂房位于中厚层～厚层状白云质灰岩、变质灰岩中，围岩条件较好。在地下厂房位置及其轴线选择时充分考虑了地质条件、水工布置和运行条件，且通过三维有限元反演分析，最大主应力方向近似平行于地下厂房的轴线方向。根据以上综合比较，确定了猴子岩水电站地下厂房的位置及其轴线方向。