石板水水电站引水系统和厂房的工程地质条件
刘 兴 德
重庆涪陵石板水电站工程指挥部,重庆涪陵,408000
石板水电站为混合式水电站,由大坝、引水系统工程和厂房3部分组成。大坝为碾压混凝土重力坝,坝高84.6m,库容1.05亿m3。引水系统工程由引水隧洞、调压井及压力管道组成。引水隧洞长6045m,洞径为4.6m及5.9m两种。厂房由主副厂房及升压站等组成,设计水头200m,最大引用流量64.7m3/s,装机11.5万kW。
电站可行性研究、初步设计和技施设计三阶段均由国家电力公司成都勘测设计研究院与涪陵地区(市)水电建筑设计院承担工程地质勘察工作。施工地质工作的大坝部分由成勘院承担;引水系统工程和厂房由涪陵地区(市)水电设计院与工程指挥部共同承担。本文着重以施工地质资料论述引水系统工程和厂房的工程地质条件。
1 引水系统工程的工程地质条件
1.1 地形条件
引水系统工程位于龙河右岸,沿线山岭高程600～830m,有3条冲沟切割,山岭与冲沟相对高差100～300m,属于浅切割低山地貌区。隧洞进口底板高程440m,出口高程417.67m。引水隧洞埋深一般为50～150m,最大达400m,最小为20m,沿河水平埋深500～1500m。压力管道埋深65～95m。
1.2 地质条件
引水系统工程区地层为侏罗系上沙溪庙组,岩性为紫红色砂质泥岩夹浅灰色厚层块状长石石英砂岩,泥岩一般厚35～70m,砂岩一般厚20～35m。地质构造处于川东褶皱带石柱向斜的南西翘起端转折部位,向斜轴向为北东20～35度。南东翼岩层较平缓,岩层走向NE60～80度,倾向NW,倾角3～10度。北西翼岩层较陡,岩层走向NE23～50度,倾向SE,倾角3～42度。地下水主要是基岩裂隙水,砂岩为裂隙含水层,泥岩为相对隔水层,地下水流量较小,一般小于100ml/min。
1.3 围岩分类
引水系统工程均系地下洞室,围岩按水电地下工程围岩分类方法(Ⅴ类围岩标准),砂岩属于Ⅱ类,泥岩属于Ⅲ类,见表1。
表 1 引水系统工程地下洞室围岩分类表
围岩
类别
岩 性
岩体结构
类 型
结构面
组合状况
参考指标
开挖状况
围 岩
稳定评价
RW/MPa
RQD/%
C /MPa
φ /度
Vp/m.s-1
μ
塌落高度/m
Ⅱ
长石石
英砂岩
中厚层
块状结构
局部有不
稳定组合
40.4～
50.3
93
6.77～11.70
54
3617～
3782
0.11～0.28
局部＜0.5
局部有
掉 块
基本稳定
Ⅲ
砂质
泥岩
层状结构
层内分布
有不连续
软弱夹层
23.7～
28.4
85
5.20～9.25
50
3601～
3631
0.23～0.34
一般0.1～0.5;最大1.5
有掉块及局部失稳
稳定性较差
备注:(1)RW——单轴湿抗压强度;c、φ——室内岩块抗剪强度;Vp——原状岩体波速值;μ——泊桑比,均为长委会重庆岩基中心1994年6月测试资料;RQD——岩石质量指标,为现场统计资料。
(2)泥岩开挖后具弹塑性变形破坏特征,有明显的时间效应。
1.4 工程地质分段
根据施工地质编录资料,将引水系统工程分为5个工程地质段。现将各段主要工程地质问题及施工处理情况简述如下。
1.4.1 工程地质Ⅰ段
包括进水口(长32.32m)及引水隧洞0+000～0+789.2段。此段位于石柱向斜南东翼,岩层倾角平缓。主要工程地质问题:(1)岩体处于弱风化卸荷带内,风化裂隙及卸荷裂隙较发育;(2)洞室开挖时地下水出水点较多,流量8～10ml/min;(3)引水隧洞0+097.5～0+340段洞顶掉块较多。
采用的处理措施:(1)泥岩段开挖后即进行锚喷临时支护,顶拱布系统锚杆φ22mm,长2.5m,2根与3根呈梅花型错开排列,孔排距约1.5m。顶拱及侧墙喷混凝土,厚约1～3 m(以下锚喷临时支护相同);(2)进水口段进行钢筋混凝土衬砌,衬砌厚度顶部为1～1.2m,侧墙为1.5m,底部为2～2.5m;(3)引水隧洞段进行混凝土衬砌,衬砌厚度砂岩段为0.25m,泥岩段为0.4m(以下砂泥岩衬砌厚度相同);(4)对于地下水出水点,混凝土衬砌后仍有渗水的,采用人工掏挖一定深度,用水玻璃合水泥封堵.
1.4.2 工程地质Ⅱ段
主要是引水隧洞0+789.2～2+870段。此段位于向斜轴附近,岩层平缓,围岩均为砂岩,新鲜坚硬,完整性较好。主要工程地质问题为:(1)洞室开挖时,1+400以下段地下水出水点较多,呈浸滴状及小股流水状,流量5～250ml/min;(2)0+980～0+995段有黑灰色粉砂岩夹层,局部夹煤线及泥膜。处理措施为:(1)0+789.2～2+800段喷射混凝土支护;(2)2+800～2+870段混凝土衬砌。
1.4.3 工程地质Ⅲ段
主要是引水隧洞2+870～4+285段。此段位于向斜北西翼,岩层倾角开始变陡。主要工程地质问题为:(1)3+060～3+210段含灰绿色砂质团块,洞顶层理发育,易掉块,掉块厚0.1～0.5m;(2)3+940～3+975左侧壁中上部有一软弱夹层,由破碎岩块岩屑组成,厚0.5～1m;(3)3+930～4+030及4+160附近洞顶有小坍塌,坍塌厚0.5～1m;(4)2+892～2+913段地下水出水点较多,呈滴水状态,流量最大为124ml/min。
采用的处理措施为:(1)全段混凝土衬砌;(2)泥岩段开挖后先进行锚喷临时支护;(3)软弱夹层、掉块坍塌段固结灌浆时增加(加密)灌浆孔。
1.4.4 工程地质Ⅳ段
主要是引水隧洞4+285～5+013段。此段位于向斜北西翼,岩层倾角较大。主要工程地质问题为:(1)4+340～4+430段有3个较大的裂隙带,宽0.1～1m,充填岩块岩屑及粘土,并有与大裂隙近于垂直的小裂隙发育,将岩体切割成方形岩块,引起洞顶坍塌,坍塌厚度达2.5m;(2)4+616～4+630段左侧壁有一软弱夹层,由破碎岩块岩屑组成,厚0.1～0.5m,引起洞顶坍塌高度为1.5m;(3)4+656～4+666段顶拱坍塌高为0.5～1m;(4)4+761～4+778及4+851～4+864两段有层间挤压破碎带,厚20～40cm,局部夹泥;(5)4+890～4+900段顶缓倾角层面裂隙发育;引起顶拱沿层面掉块,厚0.2～0.5m;(6)本段地下水出水点较多,流量最大达650ml/min。
采用的处理措施为:(1)泥岩段开挖后即采用锚喷临时支护,喷混凝土最大厚度为8cm;(2)全段混凝土衬砌,其中4+445～4+465及4+742.5～4+778两段采用钢筋混凝土衬砌;(3)三个大裂隙带采用高压气水冲洗,用水玻璃合水泥封堵地下水,用混凝土封填裂隙;(4)石板水沟段(4+817.5上下游40m)上覆岩体较薄,对上覆岩体进行专门的固结灌浆处理。
1.4.5 工程地质Ⅴ段
包括引水隧洞最后一段(5+013～6+045)及调压井与压力管道。此段位于向斜北西翼,岩层倾角相对最大。主要工程地质问题为:(1)5+126～5+220段有裂隙破碎带及层间挤压破碎带,带宽10～50cm,局部夹泥,引起顶拱局部掉块,掉块厚4～6cm;(2)5+437～5+600段有3个深灰色泥质粉砂岩夹层,厚1.5～6m,其上或下界面有层间挤压破碎带,由深灰、紫灰色破碎岩块、岩屑组成,局部呈鳞片状,厚5～80cm;(3)5+445～5+880段洞顶有层面裂隙带,张开宽度0.3～0.6m,形成洞顶坍塌掉块,厚0.1～0.4m;(4)压力管道斜井下段有一层间挤压破碎带,带宽15～20cm;(5)本段地下水出水点较少,以调压井及压力管道的地下水流量较大,调压井井口附近流量达400ml/min,压力管道斜井下段流量达4L/min。
采用的处理措施为:(1)泥岩段开挖后即进行锚喷临时支护;(2)地下水出水点用水玻璃合水泥封堵,封堵不住的待混凝土衬砌后用水泥灌浆及化学灌浆处理;(3)调压井开挖后井壁全部采用锚喷支护,锚杆φ22mm,锚深2.2m,排距1.5m,每排20根沙浆锚杆,喷250号混凝土,厚10cm;(4)压力管道开挖后即时进行锚喷支护,顶拱布系统锚杆,排距1.5m,锚深2.5m,顶拱及侧墙喷混凝土;(5)引水隧洞段全部采用混凝土衬砌。调压井全部采用混凝土衬砌,衬砌厚度1m。压力管道钢管与围岩间全部浇筑混凝土。
以上5个工程地质段,除引水隧洞0+789.2～2+800段采用喷射混凝土支护外,其余全部采用混凝土或钢筋混凝土衬砌,其洞顶(或井壁)进行水泥回填灌浆,围岩进行水泥固结灌浆,压力管道钢管与混凝土间进行水泥接触灌浆,引水隧洞水泥灌浆后仍有渗水的洞段进行化学灌浆。
1.5 围岩现场测试
为了给以上各段施工处理提供可靠的依据,同时也为施工期及运行期工程监测提供依据,对引水系统工程进行了围岩现场测试,求得各段围岩的力学参数。
1.5.1 引水隧洞地震波测试
引水隧洞施工开挖初期,在128m长洞段进行了地震波连续波速测试,测试仪器使用美国ES-1210F多道信号增强型地震仪。采用锤击法测试了多段砂泥岩洞段岩体波速,其测试段桩号及波速值见表2。
表 2 引水隧洞围岩波速表
测段桩号
段长 /m
纵波波速VP /m.s-1
岩性
3+630～3+648
18
5 000
砂岩
3+648～3+670
22
4 200
砂岩
3+700～3+708
8
5 000
砂岩
3+708～3+712
4
3 800
泥岩
3+712～3+744
32
4 400
泥岩
3+744～3+754
10
4 700
泥岩
3+754～3+762
8
4 000
泥岩
3+762～3+780
18
4 400
泥岩
3+780～3+788
8
4 000
泥岩
表2表明,引水隧洞围岩岩体力学强度较高,砂岩波速达4200～5000m/s;泥岩波速达3800～4700m/s。
1.5.2 引水隧洞围岩及松动圈地震波测试
引水隧洞开挖大部完成之后,在引水隧洞的6个断面,用人工锤击地震折射法,测得围岩及其松动圈岩体波速值见表3。
表 3 引水隧洞围岩及松动圈岩体波速值表
断面位置(岩石名称)
围岩平均波速
/m.s-1
松动圈岩体波速/m.s-1
最 小
最 大
1+150(砂岩)
3 638
1 000
1 333
1+550(砂岩)
3 782
1 212
1 429
2+820(砂岩)
3 677
1 290
1 818
3+240(砂岩)
3 617
1 333
2 105
0+600(砂质泥岩)
3 631
900
2 000
3+820(砂质泥岩)
3 601
1 178
1 538
测试结果表明,围岩波速值较高,松动圈岩体(厚0.13～0.34m)波速也较高,不需做特别的施工处理,运行期也无需设置过多的监测设施。
1.5.3 引水系统工程围岩回弹仪及点荷载仪测试
引水隧洞、调压井及压力管道开挖后,均即时进行了回弹仪及点荷载仪测试。回弹仪测试一般每隔10m测试一组,每组测10个测区,每个测区测160个测点,计算时剔除最大值及最小值,用100个测点回弹值相加平均,查表求得抗压强度。点荷载仪测试一般每层(地层)测试1～2组,每组取15～20个不规则样,每个样以压裂破坏的最大荷载和两锥头距离,即可求得抗拉强度及抗压强度,见表4。
表 4 回弹仪及点荷载仪测试成果表
地层(岩石)
抗压强度
/MPa
抗拉强度
/MPa
围岩
分类
工程地质分段(位置)
侏罗系上沙溪庙组
J212s层(砂岩)
30～100
2.5～11
Ⅱ
Ⅱ(引水隧洞
0+740～2+870)
侏罗系上沙溪庙组
J192s层(砂岩)
30～100
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