水电站气垫式调压室工程地质条件初步评价

0 前 言

气垫式调压室是一种在岩体内由岩壁和水面围成的封闭式的气室，并利用气室高压空气形成“气垫”抑制室内水位高度和水位波动幅值的水锤和涌波控制措施。自20世纪70年代以来，欧洲以及日本均进行研究，特别是在地质条件较好的挪威，已积累丰富的成功经验。进入21世纪，气垫式调压室以其引水隧洞围岩条件相对较好、有效降低引水隧洞工程量、布置灵活、节约投资等优点，逐渐被国内水电行业所采纳。本文以某电站为例，就气垫式调压室关键工程地质问题进行初步评价。

1 工程概况

某水电站采用无坝取水口，引水隧洞长约30 km，电站利用落差900 m，初拟装机容量80万kW，额定水头864 m，最大引用流量106 m3/s。

电站推荐采用的气垫式调压室方案气室底板高程2 300.00 m，推荐气室断面采用圆拱直墙型，开挖尺寸134.00 m×18.40 m×24.50 m(长×宽×高)。推荐方案气垫式调压室设计压力6.00 MPa， 最大气体压力7.78 MPa、最小气体压力5.02 MPa。

2 基本地质条件

某电站工程区区域地质构造背景较复杂，新构造运动较为强烈。调压室位置地震基本烈度为Ⅸ度，区域构造稳定性差。

气垫式调压室位置的条形山体走向近NW向，山体较雄厚，表部植被发育，多为灌木及乔木，基覆分界一般位于2 300 m高程附近，以下主要为崩坡积堆积。调压室底板位于的2 300 m高程山体厚度约2.74 km，调压室水平埋深1 250 m(见图1)，垂直埋深780 m，最小侧向埋深约590 m(扣除强卸荷岩体厚度)。

围岩为多雄拉岩组新鲜的条带状及眼球状片麻岩，眼球状片麻岩相对占优，岩石坚硬，饱和抗压强度一般为70 MPa，最大可达100 MPa以上。

岩体中片麻理发育，为优势裂隙面，其产状为N30°E/SE70°～80°；除片麻理外，还发育有其他三组裂隙：产状为N30°～40°W/NE<60°～75°；N30°W/SW∠65°；SN/W<40°。除上述裂隙外，其他裂隙以顺片麻理方向的长大裂隙及顺层挤压带为主。

调压室位置自然岸坡陡峻，坡表岩体风化卸荷较为强烈，推测强卸荷岩体下限水平埋深约40 m，弱卸荷、弱风化岩体下限水平埋深约60～80 m。

该区域常年降水充沛，地下水较丰富。调压室位置地下水主要为裂隙水及孔隙潜水，主要受大气降雨补给，自河岸向河床排泄。经现场钻孔高压压水试验分析，推测该位置岩体渗透系数平均值为0.472 5 lu，大值平均值为1.96 lu，小值平均值为0.162 2 lu。

图1 气垫式调压室横剖面示意(1 ∶10000)

3 工程地质条件初步评价

3.1 岩体质量及成洞条件

初拟气垫式调压室位置洞室围岩质量主要受岩石强度、结构面的切割组合、地应力量值等影响，推测调压室部位岩体结构以“次块状～块状”为主，围岩以Ⅲ类为主，部分为Ⅱ类，整体稳定条件较好，总体具备成洞条件。受结构面组合切割，局部存在块体稳定问题。调压室垂直埋深约780 m，为高地应力区，高地应力对洞室围岩的变形与稳定影响也较为突出。

3.2 山体抗抬稳定性

根据气垫式调压室所在部位的地质横剖面分析(见图1)，初拟气垫式调压室位于岸坡下部山体内，垂直埋深大于780 m，水平埋深大于1 250 m，与斜坡之间最小侧向埋深为590 m(去掉了强卸荷岩体)。

根据气垫式调压室上覆岩体应满足的最小厚度经验公式：

(1)

式中 CRM——除去覆盖层及全、强风化、强卸荷岩体后的最小埋深厚度，m；

H0——气垫式调压室设计压力，m；

γw——水的重度，N/m3；

Z0——气室设计静态工况的室内水位，m；

γr——岩体重度，N/m3；

α——地形边坡平均倾角,(°)，当α>60°时，取α=60°；

F——经验系数，一般取1.3～1.5。

结合本设计方案，H0为最高发电水位与气垫式调压室初始水面高程之差，为616.2 m；γr取2.7 N/m3；γw取1.0 N/m3；经验系数F取1.4；地形平均坡度α为32°。

由此计算出为364 m，即本工程气垫式调压室上覆(侧向)岩体最小厚度应大于364 m，才不至于发生上抬破坏。

由图1可知，初拟的气垫式调压室与斜坡之间最小侧向埋深为590 m，大于临界厚度364 m，故现阶段布置的气垫式调压室可满足山体抗抬稳定性要求。

3.3 围岩抗劈裂稳定性

按照相关规范要求，气垫式调压室抗劈裂地应力条件为：岩体不能因隧洞的内水压力、内气压力或水幕压力过高致使围岩产生水力劈裂或气压劈裂破坏，气垫式调压室岩体最小主应力σ3应满足经验公式：

σ3≥(1.2～1.5)γwPmax

(2)

式中σ3——岩体最小主应力，N/m2；

γw——水的重度，N/m3；

Pmax——气室内最大气体压力，以水头表示，m。

(1)自重应力。垂直应力用岩石的自重应力进行估算，按公式(3)进行：

σV=γH

(3)

取γ=2.7×104 N/m3，气垫式调压室最大垂直埋深为780 m，估算出最大垂直应力为21 MPa。

(2)最小主应力估算。在大多数情况下，最小主应力与最大主应力的比值一般为0.3～0.4，最小主应力与中间主应力的比值一般为0.4～0.6。本工程气垫式调压室自重应力约为21 MPa，若以自重应力作为中间主应力σ2，取σ3和σ2的比值分别为0.4和0.6时，估算的气垫式调压室部位的最小主应力值对应为8.4 MPa 和12.6 MPa，平均为10.5 MPa。

(3)抗劈裂稳定性评价。由上述分析可知，初拟气垫式调压室部位σ3为8.4～12.6 MPa，气垫式调压室的气室设计最大气体压力Pmax为7.78 MPa，σ3/Pmax=1.08～1.62，σ3平均值/Pmax=1.35，基本满足σ3≥(1.2～1.5)γwPmax的要求，围岩整体上发生劈裂破坏的可能性小。

3.4 围岩抗渗稳定性

调压室围岩总体以微透水为主，但局部发育的裂隙密集带和挤压破碎带具弱透水性，分析认为很难满足气垫式调压室围岩闭气的抗渗稳定性要求；且调压室位置总体上为条形山脊，地下水较难形成宽广、连续、稳定的地下水面，因此，本工程难以利用天然地下水位作为天然的抗渗屏障，即天然条件下围岩难以满足围岩闭气和利用天然地下水位进行水幕闭气的抗渗稳定要求。

4 结论及建议

初步评价认为，围岩具备修建气垫式调压室的工程地质条件，但需注意裂隙组合及高地应力引起的洞室围岩稳定问题；初拟气垫式调压室满足山体抗抬稳定性要求；初拟气垫式调压室部位围岩整体上发生劈裂破坏的可能性小。

天然条件下围岩难以满足围岩闭气和利用天然地下水位进行水幕闭气的抗渗稳定要求，可采取钢包闭气，或研究灌浆后采用水幕钻孔进行人工水幕闭气的可能性。