本文是地质工程专业在职硕士论文，主要研究拉西瓦水电站地下厂房洞室工程地质。

第一章前言

1.1选题依据和研究意义

我国东部地区水电资源比较贫乏，目前开发利用程度较高，今后开发潜力不大。西部特别是西南地区水电资源丰富，由于开发利用程度不高，开发潜力很大。因此，进一步开发西部水电、实施西电东送已成为我国西部大幵发战略的核心组成部分[1，2]。拉西瓦水电站位于青海省贵南县与贵德县交界的龙羊峡谷出口处，是黄河上游龙羊峡至青铜峡河段之间的第二个梯级电站，峡谷边坡高且陆峭。该水电站是黄河流域装机总容量最大、大现最高，设计最大现高250m，总库容10.56xl08m3，总装机容量4200MW，年平均发电量102.33><108kW_h，是国家西电东送“北通道”的骨干电源及战略性工程[3，4]。现址区为花岗岩组成的“V"型河谷，采用全地下厂房方案，主厂房洞室长342m、宽31.5m、高74.16m。右岸布置地下厂房、主变洞和调压井等发电系统。由于琐址地质环境复杂，工程规模巨大，大跨度的地下厂房系统必然会遇到大量的工程地质问题，其中最受关注的是围岩稳定问题。由于受青藏高原近百万年来持续隆升的影响，中国西部地区地形从西向东急剧骤降。在高原周边和扬子地台西缘高原物质向东部及东南部挤出，形成了大量活动性断裂，导致该地带区域内动力特点为高地应力。在强烈的内外动力地质作用下，形成了西部地区特殊和复杂的地质环境条件和强烈的河谷动力学过程[6]。基于以上区域地质环境特征，研究洞室开挖前后岩体的工程地质特性，对于高拱现工程施工、工程处理等具有非常重要的现实意义。本人在导师的悉心指导下，通过查阅国内外相关资料及文献，开展拉西瓦水电站地下厂房洞室工程地质研究，从工程地质条件、岩体结构、地应力场分布、河谷演化、岩体质量、围岩稳定性等方面进行深入研究，并通过定性分析与定量计算相结合对拉西瓦水电站大跨度高应力地下洞室稳定性作评价，可为今后同类工程研究提供借鉴。

1.2国内外研究现状

1.2.1地应力场岩体

天然应力状态对地下工程施工影响甚大。地应力环境既影响岩体的力学性质，又控制区域构造稳定性、控制着地下岩体工程的稳定性[7，8]。实测地应力是了解地应力场最可靠、最直接的方法，但由于地应力测量耗时费力、成本高、技术要求高、成因复杂，只适合进行小范围测试。由于存在不可预见的微观地质构造，测点附近岩体的测量结果仅反映了现场的局部应力场。为掌握研究区围岩天然应力场的分布规律，可在实测地应力的基础上，综合现场工程地质条件，进行地应力场模拟计算，获取较大范围的更为准确、可靠的地应力场分布情况为大琐建基面确定、高边坡岩体稳定性、研究險洞选线与开挖、洞室围岩稳定等领域提供稳定性评价依据，所以地应力场一直是工程技术人员最为关心的问题之一 [17_32]。

1.2.2岩体结构

岩体是在地质形成和演化过程中所形成，具有一定成分，由各种结构面分割、围绕的结构体的组合，并赋存于一定地质环境中的地质体。岩体结构是指岩体中结构面与结构体的排列组合特征，不同的结构面与结构体以不同的方式排列组合形成不同的岩体结构[33]。由于组成物质的不均一性和结构的不均一性，岩体常表现为明显的不均一性和各向异性[34]。岩体结构是建立岩体地质力学模型的关键，是沟通地质与力学的“桥梁”，是岩质地下工程中结构面参数取值、岩体质量评价、稳定性分析和洞室位置选择等研究工作的前提条件，因此众多学者对其开展了多方面深入的探索[35，36]。目前，各国岩体质量分级研究有两个重点。一是把研究重点从定性判定向定量判定方向转变，如Walters R.J.等_尝试运用分形维数和凝灰岩的声发射反应进行岩体质量分级；冯夏庭等[41], MertE等[42]分别运用不同的方法及理论，构建了面向岩体质量评价的神经网络模型；连建发等[43]，刘艳章等[44]将分形理论运用到岩体质量分类中；原国红等[45]从可拓集合理论出发，建立有权系数多指标性能参数的质量评定方法。另一种研究重点是施工阶段中如何判定围岩等级，如Exadaktylos 0.等[46]通过建立钻孔资料的克里格模型和TBM参数资料更新来预测掌子面前方的岩体质量分类；Hamidi 1尺.等[47]应用模糊集理论建立了岩体开挖率分类(RME)。

第二章坡址地质环境

2.1地理位置及地形地貌

2.1.1地理位置

规区主要存在裂隙潜水和脉状裂隙承压水两种地下水类型，补给主要靠大气降水。据以往拉西瓦现址勘察资料，两岸地下水埋深一般为100-200m，实测最大埋深235rn。两岸水力坡降坡度25-30°，脉状承压水埋藏于封闭的构造带、层间裂隙带三迭系变质岩中。琐区无大的支流，冲沟大都垂直河流，延伸不长，平常无水，植被稀少。规模较大的冲沟左岸有热水沟、多隆沟、曲合棱沟、差其卡沟及琐址下游伊黑龙岸有哇扯沟、加什达曲卡沟、克柔沟及沿岗沟等。峡谷内阶地不发育，仅在岸坡2280m、2360m、2400in高程处见有残留的冲积砂卵碌石零星分布。现区为地震活动水平较低的弱震区。有记录以来，沿拉西瓦断层和伊黑龙断层无强震记录，至今为止暂未发现有古地震现象。。现址周围80km范围内只有2个5级左右的地震，区内地震频度小，无成带和集中分布现象，短期内未出现地震增强的趋势现象。区内强震均分布在共和一贵德盆地的外围，受活动性深大断裂控制，这些大的构造带也是地震活动分布带。位于区域西南部的东昆企断裂带是最活跃的地震带，不仅发震的频度高，且强度很大。西部的鄂拉山也是较活跃的地震带，其特点是震级小，频度高，沿温泉断裂弱震极频繁。青海南山一康乐一天水构造带的地震活动主要发生在与NNW向活动断裂的交汇处。该带的西段于1938年在天俊发生6级地震，此后又有几次地震（最大震级5级）；东段于1936年在天水发生6级地震，在康乐、和政发生6级地震，而距坝区较近的中段（倒淌河一循化段），却相当平静，历史上无中强震发生。

第三章地下厂房岩体工程特性........ 17

3.1岩体基本物理力学性质........17

3.2地下厂房地带断裂发育特征........ 19

3.3岩体质量 ........25

3.3.1主厂房区PD2-2#平洞围岩类型的划分........ 25

3.3.2主变室地段PD2-4勘探平洞围岩分类........ 26

第四章坝区地应力场特征........ 30

4.1区域构造应力........ 30

4.2坝区地应力........ 30

4.3河谷地应力场演化........ 31

4.3.1模型及参数 ........32

4.3.2河谷应力场演化........ 33

第五章地下洞室开挖稳定性分析........ 37

5.1地下洞室二次应力场有限元模拟........ 37

5.2影响因素分析........ 37

5.3计算模型 ........38

5.4主厂房系统开挖区围岩稳定性........ 40

5.5主变室围岩稳定性 ........45

5.6围岩稳定性影响评价........ 50

5.7地下厂房系统围岩变形稳定性综合........ 53

结论

本文针对拉西瓦水电站拱坝地下洞室赋存地质环境的复杂性和特殊性，综合考虑各种地质因素的影响，通过收集同类工程资料、现场地质调查、室内外岩体力学实验，从河谷形成演化角度分析地应力场演化过程及机制，对人工开挖洞室围岩稳定性进行数值计算模拟等综合分析，对拉西瓦水电站地下厂房洞室工程地质的主要认识如下：

(1)坝址区围岩赋存在中生代花岗岩及少量三叠系浅变质岩系岩性中；坝区地下水类型为裂隙潜水和脉状裂隙承压水两种，主要接受大气降水的补给，坝基岩体透水性微弱；厂房区没有较强的物理地质现象出现，均在弱卸荷以及微?新风化岩体内；区域构造应力场以水平挤压为主，主压应力优势方向为北东向，坝区为地震活动水平较低的弱震区。

(2)根据PD2#勘探平洞的揭露，厂区陡倾断裂较为发育，断层破碎带一般宽5?25cm，破碎带内多见糜棱岩或碎裂岩，反映断层压剪动力学特征。对陡倾断裂的研究表明，厂房地带的陡倾断层大致可分为四组，其优势产状为：①305Z74°； (2)69Z68°； (3)245Z760；④122Z78。。陡倾断裂的发育，构成了洞室围岩的切割边界，尤其是NE?SW走向的断裂，与洞室轴线方位（205°)近于一致。地下厂房地带缓倾断裂发育较少，但其规模较大，延伸较远，缓倾断裂切过厂房系统时，易与陡倾裂隙交切形成各类块体。

(3)通过采用Q分类、RMR分类、水电规范分类三种方法对地下洞室围岩类型进行综合分类，可见拉西瓦水电站地下厂房围岩绝大部分为II类围岩，其次是I、III类围岩。岩体工程特性大致等同II级和I、III级工程岩体的力学参数。

(4)地应力实测结果表明，研究区地应力场的主应力均为压应力，地应力与深度的线性相关性程度不高。地应力的方向也显示出复杂的分布特征，各主应力方位和倾角较分散。最大主应力方向从NW300。到NE60。均有分布，总体上以N10°WN9°E左右为主。最大主应力倾角19?55°,多为40°左右，近于平行岸坡，且均向岸外倾斜。

(5)通过对实测结果进行0归分析得知，坝址区现今地应力是一个自重应力与构造应力叠加并受卸荷和后期河流下切影响的残余构造应力场。河谷下切剥蚀作用对区域应力场的改造影响显著，河谷区逐渐由区域应力场过渡至现在河谷地应力场。该河段河谷发育主要第三纪末?第四纪初，此后逐渐下切而成现今河谷，河谷发育史与新构造运动密切相关，大致经历了3个主要下切阶段，坝址区河谷呈现出3个陡缓相间的河谷地貌。

(6)通过对地下厂房洞室主厂房、副厂房、副安装间、主安装间和主变室进行三维有限元计算，模拟计算结果表明：主厂房和主变开关室均不存在变形稳定性问题，变形量值一般都小于5-6 cm。洞顶部和底部边墙最大主应力集中程度最高，其围岩的位移和塑性区面积均较大，表明洞顶部和底部边墙可能会发生变形破坏，故支护时应重点对洞顶部和洞室底边墙进行支护。

参考文献

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