CCS水电站地下厂房围岩分类方法研究

杨继华，郭卫新，齐三红，张党立

(黄河勘测规划设计有限公司，河南 郑州 4 50003)

0 引言

水电工程地下建筑一般包括主厂房、主变室、引水洞、母线洞、尾水洞及交通洞等诸多地下洞室。随着水电工程地下洞室规模的日益扩大，水电站地下洞室呈现出“大跨度、高边墙、长轴线”的特点，洞室的工程地质问题日渐复杂和突出。因此，采用合理的方法对地下洞室围岩进行分类是一项急需解决的问题。对于此问题，多位学者及工程人员结合具体工程采用不同的方法对地下洞室围岩分类进行了研究［1-7］，并得出了一些有益的结论。文献［1］介绍了目前国内外几种围岩分类方法及其相互关系，并以溪洛渡水电站导流洞为例，具体说明水电工程地下洞室围岩如何分类，并对RMR法和Q系统分类结果进行了对比;文献［2-4］分析了不同地应力、外水压力条件下RMR法、Q系统、HC法及国标BQ分类法的适用性，并提出了水利水电地下洞室围岩分类存在的主要问题及发展方向;文献［5］以蒲石河抽水蓄能电站大型地下厂房为例，在分析岩体结构特征的基础上采用国际BQ法对围岩进行了分类;文献［6］对比分析了RMR法与国标BQ法的特点，并在围岩分类的基础上确定了岩体力学参数;文献［7］建立了岩质围岩施工阶段亚级分级指标体系。从以上研究可以看出，RMR法和Q系统分类法是目前国内外常用的围岩分类方法，而国内规范中的围岩分类方法，如BQ法、水电HC法在国外鲜有应用，值得向国外推广应用。

本文以厄瓜多尔CCS水电站地下厂房洞群为工程实例，以主厂房中导洞开挖的地质资料为基础，综合分析目前国内外常用的几种围岩分类方法，采用RMR法、Q系统分类法对围岩进行分类，同时以水电HC法对分类结果进行验证，并对分类结果进行对比分析，探讨水电HC法对国外工程的适用性。

1 工程概况

1．1 水电站概况

CCS水电站是厄瓜多尔最大的水电站，位于厄Sucumbios省境内的COCA河下游，为引水式电站。电站厂房类型为地下厂房，总装机容量1 500 MW。地下厂房系统由主厂房、主变室、母线洞、引水洞、压力管道、尾水洞、交通洞、排水廊道以及高压电缆洞等洞室组成，见图1。其中主厂房开挖断面为城门洞型，开挖长、宽、高、分别为 212．8，27．5，50．0 m，走向 315°，垂直埋深150～300 m。

图1 CCS水电站地下厂房洞室群三维布置图Fig．1 3D layout of underground powerhouse caverns of CCS hydropower station

1．2 工程地质条件

CCS水电站厂房区构造相对简单，地质调查没有发现规模较大的断层，但局部发育有小规模断层及节理裂隙密集带。厂房区内岩性主要为侏罗系-白垩系Misahualli地层(J-Km)青灰色、紫红色及浅红色火山凝灰岩，火山角砾岩及流纹岩等，岩体结构以整体块状、块状、次块状为主。厂房区地下水类型为基岩裂隙水，主要赋存于地层的节理裂隙中，厂区附近不存在稳定的地下水位，局部存在脉状、带状地下水。区内的现今构造应力作用并不强烈，应力值不高，主应力方向为NW向，最大量值约9．5 MPa。

2 水电地下洞室围岩分类常用方法

2．1 RMR 分类法

RMR分类［8-9］根据6个指标，即岩块的单轴抗压强度(R1)、岩石质量指标(R2)、节理间距(R3)、节理状况(R4)、地下水状况(R5)及修正系数(R6，洞室的方向关系确定)来确定岩体的综合质量评分。把上述各个指标的岩体评分值相加起来就得到岩体的RMR值，RMR法评分与岩体等级的关系如表1所示。

表1 岩体质量的RMR评价分类Table 1 Classification of surrounding rock by RMR method

2．2 Q 系统法

Q系统法［10-12］以6个参数，即 Deere的质量指标、节理组数、最脆弱的节理粗糙度系数、最脆弱节理面的蚀变程度或充填情况、裂隙水折减系数和应力折减系数确定围岩稳定性的岩体质量指标Q值。具体Q值与围岩类别的对应关系见表2。

?

2．3 HC 法

HC法［13］的工程地质分类分为初步分类和详细分类，以评分的方式对围岩进行评价。初步分类以岩石强度、岩体完整程度和岩体结构类型为依据，以岩层走向与洞轴线的关系、地下水条件为辅助依据。详细分类以控制围岩稳定的岩石强度、岩石完整程度、结构面状态、地下水和主要结构面产状5项因素之和的总评分为基本判据，围岩强度应力比为限定判据。HC围岩分类法同时考虑了高地应力对围岩类别的影响。HC法围岩类别与评分的对应关系如表3所示。

表3 HC法地下洞室围岩详细分类Table 3 Classification of surrounding rock by HC method

2．4 3种分类方法的优、缺点

HC分类法、Q系统法及RMR法均考虑了岩石强度、岩体的完整性、结构面的特征、地下水及地应力等因素，并采用了多个指标复合计算的方法，同时根据不同影响因素对围岩稳定性影响的权重进行评分。但3种分类方法在特定的条件下均有一定的局限性，如HC分类法在高地应力条件下对围岩类别采取了降级的处理方法，这样会影响围岩分类的精度，同时该方法没有考虑高外水压力的影响;Q系统法也有几个方面的不足，没有直接考虑岩石的强度，同样没有考虑高外水压力对围岩类别的影响;RMR法亦没有考虑高地应力和高外水压力的影响。3种围岩分类方法均考虑了结构面的影响，但并没有考虑不同组别结构面的不利组合这一因素的影响。

在地下洞室的围岩分类中，如果采用单一的方法，所得结果往往因为分类方法的局限性造成误差，因此，应采用多种分类方法对分类结果进行对比验证，使误差降到最低。

3 CCS水电站地下厂房围岩分类

3．1 CCS水电站地下厂房围岩分类标准

在CCS水电站主厂房开挖之前，设计单位沿厂房轴线方向进行了探硐勘察，并在探硐里进行试验。但探硐洞径远小于厂房，在厂房中导洞开挖过程中，一些探硐中没有出现的地质现象也随着导洞的开挖推进依次揭露，因而依据探硐资料建立的围岩分类也需要进一步的修正和完善，这对提高施工质量、保证施工完全及优化设计等都有重要的意义。

为了正确评价地下厂房洞群围岩的稳定性，合理地选取围岩的力学参数及支护类型，并考虑地下洞室区域地应力量值中等、外水压力较低的特点，选取国际上通用的且对本工程适用性较好的RMR法、Q系统法及HC法进行对比验证，对地下洞室围岩进行分类。根据上述围岩分类方法，将地下洞室围岩划分成5个大类。各类围岩的分类特征见表4。

表4 CCS水电站地下洞室围岩分类标准Table 4 Standard of classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

3．2 CCS水电站主厂房围岩分类

通过厂房中导洞开挖的地质编录及地质素描图并参照表4的分类标准对厂房进行详细的分段围岩分类，分类结果见表5。以RMR法、Q系统法和HC法分类结果为基础，对主厂房围岩进行综合评判，由表5及表4可以看出，地下厂房围岩岩体新鲜、坚硬致密，岩石单轴饱和抗压强度较高，裂隙不发育-中等发育，岩体呈整体块状-块状-次块状结构，地应力量值中等，地下水不活跃，围岩稳定性较好，以Ⅱ、Ⅲ围岩为主;局部出现的断层及破碎带为碎裂-散体结构，稳定性较差，为Ⅳ类围岩;无Ⅰ类和Ⅴ类围岩。

3．3 3种围岩分类方法结果对比

图2给出了RMR法、Q系统法及HC法3种不同分类方法各类围岩所占比例的对比图。从图2可以看出:RMR法分类中，Ⅱ类围岩占58．6%，Ⅲ类围岩占36．1%，Ⅳ类围岩占5．3%;Q系统法分类中，Ⅱ类围岩占43．5%，Ⅲ类围岩占45．9%，Ⅳ类围岩占10．6%;HC法分类中，Ⅱ类围岩占 48．2%，Ⅲ类围岩占43．6%，Ⅳ类围岩占8．2%。3种分类方法各类围岩所占比例稍有差别，但彼此较为接近，这主要是因3种方法所选取的指标的侧重点不完全不同，且部分定性或半定量指标依赖于地质人员的经验。总体来说，3种方法都较好地评价了地下厂房区的围岩特征。

3．4 围岩分类方法相关性分析

图2、图3及图4分别给出了RMR法和Q系统法、Q系统法和HC法、HC法和RMR法的相关性，可以看出，RMR法和Q系统法呈指数关系，Q系统法和HC法呈对数关系，HC法和RMR法呈线性关系，三者的相关系数别为0．786 2，0．822 9 和 0．920 8，3 类围岩分类方法的相关性较高，表明3种分类对CCS水电站地下厂房围岩分类具有较高的可比性和可参考性，分类结果的可靠性较高。

表5 CCS水电站厂房分段围岩分类Table 5 Section-by-section classification of surrounding rock of underground powerhouse of CCS hydropower station

图2 不同分类方法各类围岩所占比例Fig．2 Proportions of surrounding rock classified by different classification methods

图3 RMR法和Q系统法的相关性Fig．3 Correlation between RMR method and Q system

图4 Q和HC分类法的相关性Fig．4 Correlation between Q system and HC method

图5 HC和RMR分类法的相关性Fig．5 Correlation between HC method and RMR method

4 结论与体会

本文对水电工程常用的围岩分类方法进行了综合分析及讨论，并采用RMR法、Q系统法及水电HC法对厄瓜多尔CCS水电站地下厂房进行了围岩分类，最终以RMR法、Q系统法和HC法分类结果为基础，采用专家经验对主厂房围岩进行综合评判，得出各洞段的最终围岩等级，主要得出了如下结论:

1)RMR法、Q系统法及水电HC分类法均运用了多个因素复合计算的方法，全面考虑了岩石的强度、岩体的完整性、结构面的特征、地下水及地应力等影响围岩稳定性的因素。

2)CCS地下厂房以Ⅱ、Ⅲ类围岩为主，局部断层破碎带为Ⅳ类围岩，无Ⅰ类和Ⅴ类围岩，围岩条件总体较好。3种分类方法中各类围岩所占比例相差较小。

3)RMR法和Q系统分类法呈指数关系，Q系统法和HC法呈对数关系，HC法和RMR法呈线性关系，三者的相关系数别为 0．786 2，0．822 9，0．920 8，3 种围岩分类方法的相关性较高。

4)对于水电地下工程围岩分类，应选用在国际上有影响的且常用的2～3种分类方法进行分类，以便相互比较和验证。

值得一提的是，水电HC围岩分类方法在国内得到了广泛的应用，但远未达到国际通用的程度。在厄瓜多尔CCS水电站地下厂房洞室的施工过程中，地质工程师分别采用了RMR法、Q系统法及HC法对洞室进行了围岩分类，并对结果进行了对比分析，所得结果得到了当地业主和咨询专家的认可，这说明了HC法的合理性，同时也为中国规范向国外推广应用积累了经验。

［1］张春安，巨浪．水电工程地下洞室围岩分类浅谈［J］．水电站设计，2007，23(4):34-37．(ZHANG Chun’an，JU Lang．Tentative discussion on hydropower station underground chamber surrounding rock classification［J］．Design of Hydroelectric Power Station，2007，23(4):34-37．(in Chinese))

［2］葛华，王广德，石豫川，等．常用围岩分方法对某深埋隧洞的适用性分析［J］．中国地质灾害与防治学报，2006，17(2):44-49．(GE Hua，WANG Guangde，SHⅠYuchuan， et al． The applicability of the common surrounding rock mass classification methods in a deep buried tunnel［J］．The Chinese Journal of Geological Hazard and Control，2006，17(2):44-49．(in Chinese))

［3］韩爱果，聂德新．某电站地下厂房围岩质量综合分级［J］．地质灾害与环境保护，2002，13(2):75-79．(HAN Aiguo，NⅠE Dexin．Synthetical quality classification of the surrounding rock of the undergroud building in a hydropower［J］．Journal of Geological Hazards and Environment Preservation，2002，13(2):75-79．(in Chinese))

［4］王广德，石豫川，刘汉超，等．水电地下洞室围岩分类［J］．水力发电学报，2006，25(2):123-127．(WANG Guangde，SHⅠYuchuan，LⅠU Hanchao，et al．The classification of rock mass around tunnel and underground chamber for water conservancy and hydroelectric engineering［J］．Journal of Hydroelectric Engineering，2006，25(2):123-127．(in Chinese))

［5］郑以宝，田作印．蒲石河抽水蓄能电站地下厂房岩体结构特征及围岩分类［J］．资源环境与工程，2009，23(5):670-673．(ZHENG Yibao，TⅠAN Zuoyin．The rock mass structures characteristics and wall rock classification of underground powerhouse of pushi river pumped storage power station［J］．Resources Environment＆ Engineering，2009，23(5):670-673．(in Chinese))

［6］伍佑伦，许梦国．根据工程岩体分级选择岩体力学参数的探讨［J］．武汉科技大学学报:自然科学版，2002，25(1):22-24．(WU Youlun，XU Mengguo．Discussion on mechanicalparameters selection based on the quality classification results of rock mass［J］．Journal of Wuhan University ofScience＆ Technology:NaturalScience Edition，2002，25(1):22-24．(in Chinese))

［7］于丽，王明年，房敦敏，等．岩质围岩施工阶段亚级分级的数量化理论研究［J］．岩土力学，2009，30(12):3846-3850．(YU Li，WANG Mingnian，FANG Dunmin，et al．Study of quantification theory of rocky surrounding rock sub-classification during construction［J］．Rock and Soil Mechanics，2009，30(12):3846-3850．(in Chinese))

［8］Bieniaski Z T．Classification of rock masses for engineering［M］．New York:Wiley，1993．

［9］陈沅江，吴超，傅衣铭，等．基于修正RMR法的深部岩体工程围岩质量评价研究［J］．防灾减灾学报，2007，27(2):141-146．(CHEN Yuanjiang，WU Chao，FU Yiming，et al．Study on evaluation of the surrounding rock quality in deep rockmass engineering based on the revised RMR method［J］．Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2007，27(2):141-146．(in Chinese))

［10］B arton N．Some new Q-value correlations to assist in site characterization and tunnel design［J］．Ⅰnternational Journal of Rock Mechanics ＆ Mining Sciences，2002(39):185-216．

［11］B arton N，Lien R，Lunde J．Engineering classification of rock masses for the design of tunnel support［J］．Rock Mechanics，1974，6(4):189-236．

［12］吴忠仕．按Q值进行围岩分级的工程实践［J］．现代隧道技术，2001，38(4):44-47．(WU Zhongshi．Rock classification with Q value［J］．Modern Tunnelling Technology，2001，38(4):44-47．(in Chinese))

［13］中 华人民共和国国家标准编写组．GB 50487—2008水利水电工程地质勘察规范［S］．北京:中国计划出版社，2009．