浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口工程地质研究.pdf

云南水力发电YUNNAN WATER POWER42第 40卷第 2期0 引言浑源抽水蓄能电站位于山西省浑源县境内，装机 1 500 MW，为大（1）型工程，泄洪排沙洞位于下水库左侧山体内，直线型布置，城门洞型，无压、龙落尾形式设计，洞长692.6 m，出口尺寸（宽 高）9 m11 m，出口段进洞区边坡为三级，坡比均为 1 0.5，出口段围岩类别为类。边坡及隧洞采取边开挖边支护的方法施工，隧洞上方发育 1 条小型冲沟，隧洞出口段边坡开挖及支护过程中发现：隧洞出口区进洞点区工程地质条件复杂，发育有断层，岩体单薄，尤其面向隧洞左侧围岩岩体厚度仅为8.2 m，见图1、图2，隧洞开挖施工难度大，隧洞开挖及支护过程中存在塌方风险1，是否存在风险小的方案，对于出口区工程有重要意义。浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口工程地质研究刘英1，于立宏2，郑海伦2，张旭柱2，李晓明2（1.吉林建筑大学，吉林 长春 130118；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京 100024）摘要：浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口区围岩岩体单薄，发育有断层，隧洞施工难度大，风险高，运用工程地质分析原理与有限元数值模拟相结合的方法进行研究、分析，围岩类别为类，岩体较破碎，围岩不稳定，不同进洞点工程地质条件相同，边坡及隧洞开挖导致隧洞围岩塑性变化、位移、应力变化大小及规律基本相同，单纯变更进洞点位置的施工方案是不能降低隧洞施工难度的，也不能避免隧洞的施工风险。研究为泄洪排沙洞出口方案确定指明了方向。关键词：泄洪排沙洞；围岩；数值模拟；进洞点；工程地质问题中图分类号：P642；TV651.3文献标识码：A文章编号：1006-3951(2024)02-0042-04DOI：10.3969/j.issn.1006-3951.2024.02.011Engineering Geological Research on the Outlet of Flood Discharge and Sediment Discharge Tunnel at Hunyuan Pumped Storage Power StationLIU Ying1,YU Lihong2,ZHENG Hailun2,ZHANG Xuzhu2,LI Xiaoming2(1.Jilin Jianzhu University,Changchun 130118,China;2.Power China Beijing Engineering Corporation Limited,Beijing 100024,China)Abstract:The surrounding rock mass in the outlet area of the flood discharge and sand discharge tunnel of the Hunyuan Pumped Storage Power Station is thin,with developed faults,making tunnel construction difficult and high-risk.This paper combines the principles of engineering geological analysis with finite element numerical simulation to conduct research and analysis.The surrounding rock is classified as Class IV,with relatively fractured rock mass and unstable rock mass.The engineering geological conditions at different entry points are the same,and the plastic changes,displacement,and stress changes in the tunnel surrounding rock caused by slope and tunnel excavation are basically the same.Simply changing the position of the entry point in the construction plan cannot reduce the difficulty of tunnel construction,nor can it avoid the construction risks of the tunnel.This study points out the direction for determining the outlet scheme of flood discharge and sand discharge tunnels.Keywords:flood discharge and sand discharge tunnel;surrounding rock;numerical simulation;entry point;engineering geological problem收稿日期：2023-01-06作者简介：刘英（1973-），男，吉林长春人，高级工程师，主要从事工程地质、岩土工程教学与科研工作。*刘英，于立宏，郑海伦，张旭柱，李晓明 浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口工程地质研究43?图 1 泄洪排沙洞洞轴线工程地质剖面图（1-1）?图 2 桩号 0+692m 工程地质剖面图（2-2）1 工程地质分析浑源抽水蓄能电站位于汾渭断陷带内，恒山山脉东北部，区内冲沟发育，切割深，地形陡峻。地层岩性主要为太古界片麻岩，覆盖层发育较少，地质构造、节理裂隙较发育，岩石强度较高，抗风化能力较强。泄洪排沙洞出口区基本不发育覆盖层，岩石为坚硬岩，岩石多呈弱风化状态，发育有 1 条断层 F18，节理裂隙较发育，受断层、节理裂隙影响及切割，岩体呈碎裂结构，该区不发育地表水，地下水为基岩裂隙水，埋藏深度大，泄洪排沙洞出口段围岩类别为类2，图 2 中可以看出，洞顶拱（面向隧洞出口边坡）左侧围岩岩体单薄，又受到 F18 影响，隧洞开挖会对围岩岩体产生扰动3，新奥法隧洞施工过程中支护相对滞后4，类围岩岩体自稳能力差5，所以出口段隧洞开挖及支护过程中围岩发生塌方的可能性大，一旦隧洞发生塌方，支护好的边坡也会受到影响6，开挖支护好的泄洪排沙洞出口边坡发生破坏的可能性大7，所以，为了降低出口洞段施工风险，从工程现场实际条件出发，可以有 2种选择：把泄洪排沙洞出口（面向边坡）向右移动，这样可以增加围岩岩体厚度，避开 F18 的影响，但此方案会导致隧洞在山体内转弯，会改变针对泄洪排沙洞的水工模型试验条件，水力学因素难以控制，这里不研究此方案；把隧洞进洞点向山里移动，以增加围岩岩体厚度，针对现场实际地形、工程地质条件及目前边坡开挖支护情况分析，进洞点最多向山里可推进 25 m，即将泄洪排沙洞出口边坡二级边坡留出 2 m 宽马道，在桩号 0+667 m 出洞，见图 1，桩号 0+667 m 工程地质剖面图见图 3。从图 3 中可以看出，围岩岩性为片麻岩，无地表水及地下水发育，断层 F18 从隧洞（面向边坡）左侧顶拱区通过，围岩岩体最单薄处岩体厚15.6 m，综合工程区、泄洪排沙洞出口区工程地质条件，围岩类别为类。对比图 2、图 3 所展示的内容可知，桩号0+692 m、0+667 m 2 个隧洞出口点位置岩性一样，围岩岩体最小厚度相差 7.4 m，围岩岩体结构面发育类似，均受到断层 F18 影响，均不受地表水、地下水影响，围岩类别均为类。综上，桩号 0+692 m、0+667 m 2 个部位，工程地质条件基本相同，2 个位置做为进洞点，开挖隧洞，将面临相同的工程地质问题，即类围岩开挖形成隧洞后，围岩不稳定，2 个位置（面向边坡）左侧围岩受到 F18 断层影响最大，围岩稳定性相对最差8。同理，可得出 0+692 m、0+667 m这 2 个位置之间任何 1 个位置做为进洞点，所面临的工程地质问题也基本一样，只是进洞点越向?图 3 桩号 0+667m 工程地质剖面图（3-3）44云南水力发电2024 年第 2 期山里靠，需要进行开挖及支护的边坡工程量增多，洞挖量相对减少。2 数值模拟分析利用大型有限元软件 ABAQUS 对泄洪排沙洞出口区岩体开挖前后进行数值模拟分析9-11，由于泄洪排沙洞出口边坡开挖和出口段隧洞开挖，出口段隧洞围岩岩体一定会向临空面（隧洞）变形、隧洞围岩岩体应力将发生变化，所以，可通过数值模拟成果对比桩号 0+692 m、0+667 m 这 2 个部位边坡、出口区隧洞开挖形成后，2 个部位做为进洞点的围岩变形、米塞斯应力变化差别，分析 2 个不同进洞点及之间进洞岩体的差异，为最终确定该区域进洞方案提供指导和依据。分别对图 2、图 3 工程地质剖面图进行抽象、概化，把岩体概括成满足 Mohr-Coueomb 屈服破坏准则的理想弹塑性材料，处理成有限元可数值模拟计算的地质模型，选择非关联流动法则。建立二维平面直角坐标系统，X 轴与水平面平行，正方向均选定为 NE66.8方向，Y 轴正方向均选定为垂直向上方向，模型中各点坐标取各点真实值，底部高程均为 1 250 m，地面上最高点高程均为 1 330 m，有限元单元选定为平面应变单元，单元形状多为四边形，少量为三角形，图 2 共划分 1 696 个模型单元，1 754 个结点，图 3 共划分1 821 个模型单元，1 874 个结点。泄洪排沙洞出口区岩体具体参数见表 1。表 1 泄洪排沙洞出口区岩体物理力学参数表密度/（g/cm3）内摩擦角/粘聚力/kPa剪胀角/变形模量/GPa泊松比g=9.8 N/kg2.6331550030.28原始地面、边坡开挖后新形成的地面为自由边界，底边设置成法向与水平向的双约束，侧边设置成水平向约束，每个模型计算分析都分为3步，分别为第 1 步：地应力平衡（相当于边坡岩体、隧洞开挖前的天然状态）；第 2 步：泄洪排沙洞出口边坡表部单元移除（相当于出口边坡开挖后的状态）；第 3 步：泄洪排沙洞出口段隧洞区单元移除（相当于出口段隧洞开挖后的状态）。对得出的数值模拟计算成果岩体塑性云图、位移云图、米塞斯应力云图分析如下。1）地应力平衡后，岩体内部没有发生塑性变化，岩体最大位移为 1e-17 m 级，位移值非常小，近似等于 0，相当于岩体内没有发生位移变化，说明 ABAQUS 有限元软件数值模拟的出口区岩体与该区原始天然岩体基本一致，地应力平衡效果很好天然情况下，2 个部位米塞斯应力发育规律及大小基本相同。2）出口边坡表部单元移除，相当于出口边坡开挖完成，2个位置边坡岩体都没有发生塑性变化，但由于边坡开挖，边坡岩体发生了反应，2 个位置岩体由于边坡开挖位移规律基本相同，最大位移均在毫米级，且 2 个位置岩体位移值最大值相差为 0.15 mm，边坡开挖完成前后米塞斯应力发育规律及大小基本相同，说明出口边坡开挖完成后，2 个位置及之间岩体受边坡开挖影响及岩体性状基本相同。3）泄洪排沙洞出口段隧洞区单元移除（相当于出口段隧洞开挖后的状态），即：2 个位置分别做为出口区进洞点时，出口区隧洞已开挖形成，边坡岩体、隧洞围岩都没有发生塑性变化。由于边坡与隧洞开挖，边坡岩体与隧洞周边围岩发生了反应，隧洞周边岩体位移值均小于 1 mm，位移规律基本相同，米塞斯应力发育规律及大小基本相同。因此，出口区边坡及隧洞开挖形成后，2 个部位隧洞围岩岩体变化基本一致，岩体受边坡及隧洞开挖影响也基本相同，说明桩号0+692 m 0+667 m 之间任一位置做为泄洪排沙洞出口区进洞点，岩体性状都基本相同。3 综合分析工程地质分析表明，桩号 0+692 m、0+667 m及之间任一位置工程地质条件基本相同。有限元数值模拟分析表明，边坡及隧洞开挖完成后，桩号 0+692 m、0+667 m 及之间任一位置岩体性状基本相同，边坡及隧洞开挖，隧洞周边岩体的塑性变化、位移变化、应力变化大小及规律也基本一致。说明，泄洪排沙洞出口区进洞点位置选择在桩号 0+692 m、0+667 m 及之间任一位置都是刘英，于立宏，郑海伦，张旭柱，李晓明 浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口工程地质研究45一样的，所面临的问题都是相同的。出口区隧洞开挖存在风险，隧洞在开挖及支护过程中发生塌方的可能性较大，为避免风险，开挖前超前支护、开挖过程中控制爆破12、开挖后及时支护13非常重要。4 结束语工程地质分析与数值模拟相互补充与配合，深入分析得出浑源抽水蓄能电站泄洪排沙洞出口区桩号 0+692 m、0+667 m 及之间任一位置做为进洞点工程地质条件相同，边坡及隧洞开挖完成后，隧洞围岩位移、应力、塑性变化大小及规律基本相同。泄洪排沙洞出口区隧洞施工难度大，面临塌方风险。把受断层、节理裂隙组合切割的岩体看成为理想弹塑性材料进行二维有限元数值模拟略显不足，待下一阶段进行研究。参考文献：1 李苏陈，张冰.钻爆法岩石隧洞塌方处理方案 J.山西水利科技，2022,（3）:29-31.2GB 50287-2008 水利水电工程地质勘察规范S.3 张自解，覃相和.隧洞开挖光面爆破技术应用中施工细节管控 J.水利技术监督，2022,（7）:247-249.4杨帆.公路隧道工程应用新奥法施工的实践研究J.黑龙江交通科技，2020,（5）:145-148.5常峻，杨凡.宁夏某工程 7#隧洞类围岩衬砌结构分析J.水利水电工程设计，2020,（2）:6-8.6李国东.隧洞支洞进口开挖设计与施工J.东北水利水电，2014,（1）:13-15.7郝天河.边坡变形破坏防治措施的探讨J.山西煤炭管理干部学院学报，2015,（4）:58-59.8袁彬，徐凡献，廖欢，等.结构面空间组合关系对隧道围岩稳定性影响研究J.现代隧道技术，2021,（3）:107-114.9 王涛，韩煊，赵先宇.FLAC3D数值模拟方法及工程应用 M.北京：中国建筑工业出版社，2015.10费康，张建伟.abaqus 在岩土工程中的应用M.北京：中国水利水电出版社，2010.11王金昌，陈页开.abaqus 在土木工程中的应用M.杭州：浙江大学出版社，2006.12黄雄军.长大铁路隧道大断层注浆段控制爆破技术J.铁道建筑技术，2017,（7）:111-114.13夏乐.新奥法隧道开挖在实际工程中的运用J.绿色环保建材，2020,（4）:123-125.（上接第 41 页）2）云南省20052020年水资源利用各指标中，人均生产用水生态足迹占比最高并呈逐年减少趋势；人均生活用水和人均生态用水生态足迹占比较小并呈逐年增大趋势。3）万元GDP水资源生态足迹整体呈下降趋势，2011 年以前下降较快，2011 年以后下降趋缓；人均生态盈余大于 2.8 hm2/人，各项水资源生态压力指数均小于 0.5，云南省水资源具有一定的可开发利用空间。总体来看，云南省水资源较丰富，为可持续发展状态。但云南水资源分布不均，加上水环境的恶化造成部分地区用水困难，也给水生态系统带来了巨大的压力。同时，云南正在实施的滇中引水工程等重大水利工程将对全省水资源分配产生重大影响，投入运营后全省区域间的水生态足迹也将产生重大变化，未来有必要分区域对云南省水足迹进行评价，以根据各区域实际状况制定差异化的水资源利用和水生态保护对策。参考文献：1李冰瑶，陈星，周志才，等.缺水地区水资源可持续利用评价与对策探讨J.水资源与水工程学报，2017,28（6）:5.2高嵩，李作洪.合理构建供水水资源系统保障现代新昆明经济社会可持续发展J.水利水电技术，2007,（12）:9-12.3秦智雅，俞洁，孙国金，等.基于水足迹的嘉兴市农业产业结构优化模型J.浙江大学学报：理学版，2022,49（5）:613-622.4赵琦，热合曼艾买提,徐红,等.新环保视域下水足迹的研究进展与展望J.绿色科技，2022,24（14）:28-31.5章诗享，童彦，徐鸿琳，等.云南省经济发展与水资源利用的脱钩分析J.曲靖师范学院学报，2018,37（5）:78-82.6张岳，中国 21 世纪水危机与节水J.水利水电科学进展，1997,（2）:2-9.7关格格,贾陈忠,秦巧燕.基于水生态足迹的山西省水资源利用研究J.人民黄河，2017,39（7）:96-99.8张倩，谢世友.基于水生态足迹模型的重庆市水资源可持续利用分析与评价J.灌溉排水学报，2019,38（2）:93-100.9 谭秀娟，郑钦玉.我国水资源生态足迹分析与预测 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