錦屏二級水電站地下廠房下游拱肩開裂與中隔墻錨索破壞原因分析及處理措施

補約依呷，萬祥兵，陳 鵬

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

錦屏二級水電站地下廠房下游拱肩開裂與中隔墻錨索破壞原因分析及處理措施

補約依呷，萬祥兵，陳 鵬

（中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

針對錦屏二級水電站地下廠房開挖支護中后期，下游拱肩開裂、外鼓、剝落及混凝土澆筑期間中隔墻錨索破壞問題，分析其原因，認為是與洞軸線成小夾角的層狀陡傾角巖體受該部位強烈集中的高地應力影響和中隔墻巖體三向卸荷變形影響有關。為此，對地下廠房和主變洞下游拱肩開裂部位采用表層、淺層和深層噴錨支護措施進行綜合處理，對中隔墻巖體進行低壓固結灌漿。實施后，效果好，有效地保證了圍巖穩(wěn)定與廠房安全。

地下廠房；下游拱肩；裂縫；錨索；破壞；原因分析

1 工程概況

錦屏二級水電站位于四川省涼山彝族自治州木里、鹽源、冕寧3縣交界處的雅礱江干流上，利用雅礱江150 km錦屏大河灣的天然落差，裁彎取直鑿洞引水發(fā)電，是雅礱江干流上的重要梯級電站。電站額定水頭288 m，裝有8臺600 MW水輪發(fā)電機組，總裝機容量4 800 MW，多年平均發(fā)電量242.3億kW·h，是雅礱江上水頭最高、裝機規(guī)模最大的水電站。

工程樞紐主要由首部攔河閘、引水系統(tǒng)、尾部地下廠房3大部分組成，為一低閘、長隧洞、大容量引水式水電站。地下廠房洞室群位于雅礱江錦屏大河彎東端大水溝上游側山體內(nèi)，最小水平埋深約為170 m，上覆巖體厚度約為180～320 m。地下廠房洞室群規(guī)模巨大，主要由主廠房、主變洞和尾水管檢修閘門室組成，三者平行布置，主變洞和尾水管檢修閘門室依次位于主廠房下游側，縱軸線為N35°E，主廠房和主變洞之間巖墻厚45 m。主廠房全長352.44 m，巖壁吊車梁以上開挖跨度為28.3 m，以下開挖跨度為25.8 m，開挖高度達72.2 m。主變洞全長374.6 m，開挖跨度19.8 m，開挖高度達41.1 m。

地下廠房洞室群規(guī)模巨大，地質(zhì)條件復雜，地應力較高，巖體強度相對較低。在開挖支護中后期，地下廠房和主變洞下游拱肩部位噴混凝土和圍巖出現(xiàn)了不同程度的破壞現(xiàn)象，混凝土噴層開裂、脫落，圍巖開裂、彎折內(nèi)鼓等。在開挖支護完成后1年左右，地下廠房中隔墻上部最先支護的錨索也發(fā)生了破壞現(xiàn)象。

2 地下廠房下游拱肩開裂與中隔墻錨索破壞情況

2008年11月，地下廠房開挖至第四層底板（EL1 327.8 m），同時完成母線洞和主變洞開挖形成小洞群時，第一次發(fā)現(xiàn)地下廠房下游拱肩及其下部邊墻噴混凝土開裂、外鼓現(xiàn)象，噴混凝土裂縫一般呈弧形，長短不一，最長達4 m左右，縫寬一般5 mm左右，局部達3 cm，典型分布情況見圖1。

圖1 地下廠房下游拱肩噴混凝土開裂外鼓典型分布圖

2009年9月，地下廠房、主變洞、母線洞、尾水擴散洞、高壓管道下平段和排水廊道等均開挖完成形成大規(guī)模地下洞室群時，地下廠房和主變洞下游拱肩噴混凝土和圍巖進一步發(fā)生開裂、外鼓、折斷現(xiàn)象，主變洞頂拱支護鋼筋拱肋也發(fā)生變形彎曲現(xiàn)象。地下廠房和主變洞下游拱肩噴混凝土和圍巖開裂外鼓情況見圖2。

圖2 地下廠房和主變洞下游拱肩噴混凝土和圍巖開裂外鼓典型圖

2010年7月，地下廠房基坑混凝土澆筑基本完成時，地下廠房和主變洞之間中隔墻對穿錨索、端頭錨索均發(fā)生了破壞現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為：①破壞的錨索集中在最先支護的巖壁吊車梁上下3排對穿錨索和端頭錨索，共59束，其中全長無粘結型預應力對穿錨索58束，壓力分散型預應力錨索1束，錨索設計荷載均為2 000 kN，鎖定荷載均為1 600 kN；②錨索破壞形式主要表現(xiàn)為部分鋼絞線彈射而出或者縮回錨具中，彈射而出的鋼絞線頂開保護鋼罩或者擊穿保護鋼罩；③破壞的錨索并非所有的鋼絞線都發(fā)生了破壞，一般是一股或幾股鋼絞線松弛破壞，未發(fā)現(xiàn)整根錨索失效情況。中隔墻錨索典型破壞情況見圖3。

圖3 地下廠房中隔墻錨索典型破壞情況

3 廠區(qū)工程地質(zhì)條件

地下廠房巖性為中三疊統(tǒng)鹽塘組（T2y）大理巖，自山內(nèi)向外依次為灰黑色中細粒結晶大理巖夾白色粗晶厚層大理巖（T2y5-（1））和灰綠色條帶狀云母大理巖（T2y4），如圖4所示?；液谏屑毩＝Y晶大理巖夾白色粗晶厚層大理巖（T2y5-（1）），其下部為深灰色細晶大理巖并夾有灰白細條紋，局部夾黑色結晶灰?guī)r或泥質(zhì)灰?guī)r；灰綠色條帶狀云母大理巖（T2y4），暗色礦物常順層理呈條帶狀集中分布，與白色大理巖呈綠白相間或黑白相間，層理清晰?？傮w巖層為近SN走向的陡傾角巖層。

圖4 地下廠房1 345 m高程地質(zhì)平切圖

地下廠區(qū)發(fā)育規(guī)模較大的斷層有 f16、f21、f61、f65、f68，其中f16斜穿地下廠房中隔墻和主變洞，產(chǎn)狀N20～50°E/SE 50～61°，逆斷層，寬20～50 cm，充填碎裂巖和巖屑，局部充填寬5～10 cm的巖屑及次生泥質(zhì)，兩側裂隙極發(fā)育。主要發(fā)育1條較大規(guī)模的順層擠壓破碎帶PZ17，產(chǎn)狀N10°E/NW 85～88°，夾風化片巖，兩側圍巖風化寬度大于40 cm，最寬處約1 m，局部呈全～強風化狀，平行發(fā)育數(shù)條，形成寬4 m的擠壓風化破碎帶。優(yōu)勢結構面有：（Ⅰ）N10°W～N30°E/NE～NW 73～85°；（Ⅱ）N60～80°W/SW 20～40°、 70～90°；（Ⅲ）N40～60°E/SE 20～40°。

廠區(qū)構造應力與自重應力疊加造成天然地應力量值較高，實測地應力表明：廠區(qū)最大主應力量級一般在10.1～22.9 MPa之間，以近垂直岸坡方向為主，其平均方向為S43.1°～47.4°E，與區(qū)域最大主應力NWW方向基本一致，屬中高地應力區(qū)。

根據(jù)結構面發(fā)育情況、地應力狀態(tài)及水工建筑物布置的要求，選擇的廠房軸線方向為N35°E，使地下廠房基本避開了斷層f16的影響，但與最大主應力方向大角度相交，基本接近于垂直，與（Ⅰ）組結構面小角度相交，與（Ⅱ）組結構面大角度相交。

地下廠房圍巖以Ⅲ1類為主，部分為Ⅲ2類，少量Ⅱ類，局部斷層及影響帶、裂隙密集帶和擠壓破碎帶為Ⅳ類。

4 原因分析[1-5]

4.1 裂縫成因分析

4.1.1 地下廠區(qū)實測地應力分析

廠區(qū)最大主應力量級一般在10.1～22.9 MPa之間，以近垂直岸坡方向為主，其平均方向為S43.1°～47.4°E，與主廠房和主變洞軸線（N35°E）夾角較大，屬中高地應力區(qū)。地下廠房和主變洞頂拱及邊墻圍巖開挖成型均較好，半孔率較高，在開挖支護階段基本未出現(xiàn)片幫、松弛破裂等應力型破壞現(xiàn)象，只是在安裝場下游拱肩發(fā)現(xiàn)一處片幫破壞，但范圍小，規(guī)模小，不具代表性。

根據(jù)廠區(qū)地應力分析結果，受廠區(qū)傾向河谷的最大主應力控制，地下廠房洞室開挖圍巖應力重分布后，地下廠房下游拱肩位置為整個地下廠房應力集中最強烈部位。通過應力數(shù)值模擬計算得出，隨著地下廠房的下挖和周邊洞室的開挖，地下廠房和主變洞下游拱肩圍巖應力集中程度不斷加劇，最大集中應力可達30 MPa以上，應力集中非常明顯。地下廠房和主變洞下游拱肩應力集中情況見圖5。

在中高地應力作用下，隨著地下廠房、主變洞的下挖和周邊洞室的開挖，地下廠房和主變洞下游拱肩圍巖應力狀態(tài)不斷調(diào)整，圍巖松弛將由表及里地擴展，隨著下游拱肩圍巖應力集中程度不斷加劇，下游拱肩不斷出現(xiàn)表層圍巖卸荷開裂、彎折內(nèi)鼓、剝落，噴混凝土開裂外鼓脫落等破壞現(xiàn)象，且集中在地下廠房開挖支護中后期。

圖5 地下廠房和主變洞下游拱肩應力集中等值線圖

4.1.2 地下廠房和主變洞發(fā)育優(yōu)勢結構面分析

優(yōu)勢結構面共3組：①N10°W～N30°E/NE～NW 73～85°；② N60～80°W/SW 20～40°、70～90°；③N40～60°E/SE 20～40°；其走向與地下廠房軸線關系見圖6。其中優(yōu)勢結構面①組與地下廠房軸線（N35°E）成小夾角，且平行發(fā)育，在下游拱肩部位圍巖應力強烈集中下，對圍巖穩(wěn)定不利，如圖7所示，易發(fā)生卸荷開裂、彎折內(nèi)鼓、剝落等高應力破壞現(xiàn)象，并不斷隨著地應力集中程度加劇而加劇。

圖6 廠區(qū)優(yōu)勢結構走向與地下廠房軸線關系圖

圖7 主廠房和主變洞下游拱肩圍巖破壞機理示意圖

4.2 地下廠房中隔墻錨索破壞原因分析

根據(jù)地下廠房中隔墻錨索破壞調(diào)查情況，并結合該部位錨索支護時機及地下廠房的工程地質(zhì)條件，綜合認為導致地下廠房中隔墻錨索破壞的主要原因有：

（1）地下廠房中下部開挖過程中圍巖釋放的卸荷位移較大。破壞的59束錨索集中在最先支護的巖壁吊車梁上下3排對穿錨索和端頭錨索中，這3排錨索都在地下廠房第Ⅱ、Ⅲ層和主變洞第Ⅱ?qū)娱_挖時支護到位，第1排和第2排破壞錨索較多，第3排破壞錨索較少。對于地下廠房第Ⅲ層和主變洞第Ⅱ?qū)娱_挖時支護到位的錨索，必將承受地下廠房和主變洞后續(xù)中下部開挖引起的卸荷位移，錨索荷載必將隨著后續(xù)開挖不斷增加并最終達到極限強度；

（2）中隔墻巖體較大的挖空率增加了其卸荷位移。地下廠房中隔墻中部平行布置有8條母線洞、1條主變運輸洞和1條電纜交通道，底部平行布置有8條尾水擴散洞，隨著這些洞室的不斷開挖，中隔墻的挖空率不斷增大，從而增加了中隔墻巖體的卸荷位移，導致中隔墻上最先支護的錨索荷載不斷增加；

（3）地下廠房中隔墻發(fā)育不利斷層f16和順層擠壓破碎帶PZ17，局部洞段還發(fā)育地下水，在中隔墻巖體三向卸荷下，進一步加劇了中隔墻的卸荷位移，從而增加了錨索荷載；

（4）錨索鎖定荷載值偏大。地下廠房中隔墻第1、2排錨索設計的鎖定荷載值為設計荷載的80%，預留的錨索容許荷載富裕度只有20%，在中隔墻巖體卸荷位移較大的情況下，最先支護的錨索荷載易超出錨索鋼絞線的極限荷載，從而發(fā)生破壞；

（5）錨索鋼絞線受力相對不均勻。錨索張拉過程中，采用小千斤頂單根對稱張拉，且在10 m高的施工排架上張拉，很難保證錨索鋼絞線張拉鎖定荷載均勻。因此，錨索支護部位圍巖發(fā)生明顯卸荷位移時，錨索中鎖定荷載相對較大的鋼絞線容易先達到極限荷載而先行破壞。

5 處理措施及效果

5.1 地下廠房及主變洞下游拱肩開裂裂縫處理措施

根據(jù)地下廠房和主變洞下游拱肩噴層及圍巖破壞情況、工程地質(zhì)條件以及多點位移計和附近錨索測力計監(jiān)測情況，綜合考慮采用以下方案進行處理：

（1）清除開裂噴混凝土及圍巖，恢復破壞的鋼筋網(wǎng)并復噴鋼纖維混凝土CF30，厚15 cm；

（2）在原系統(tǒng)錨桿中間內(nèi)插預應力錨桿B32@1 m×1 m、L=9 m、T=120 kN；

（3）在拱肩部位增加布置2～4排壓力分散型預應力錨索，間排距為4.5 m，設計荷載為2 000 kN，鎖定荷載為1 400 kN；

（4）增加布置排水孔φ50@4 m×4 m、L=5 m。

5.2 地下廠房中隔墻錨索破壞處理措施

為了保證地下廠房中隔墻圍巖穩(wěn)定及保證支護結構的富裕度，中隔墻錨索破壞部位在原系統(tǒng)錨索中間增加布置3排無粘結型預應力對穿錨索，設計荷載為3 000 kN，鎖定荷載為1 500 kN，同時采用錨索孔對中隔墻巖體進行低壓固結灌漿。

5.3 效果

地下廠房和主變洞下游拱肩，以及地下廠房中隔墻，經(jīng)過采用以上表層、淺層和深層噴錨支護措施進行綜合處理，既保證了圍巖穩(wěn)定及安全，又保證了支護結構的富裕度，截止2015年年初樞紐工程專項驗收，地下廠房圍巖變形基本穩(wěn)定，錨桿應力和錨索荷載都處于穩(wěn)定狀態(tài)。

6 小結

（1）地下廠房中高地應力和偏壓作用在下游拱肩部位形成的高強度的應力集中是導致該部位圍巖破壞和噴混凝土開裂剝落的根本原因；

（2）地下廠房和主變洞下游拱肩發(fā)生的裂縫，以及表層圍巖和噴混凝土開裂、內(nèi)鼓、剝落等破壞，集中發(fā)生在地下廠房和主變洞開挖支護中后期，是地下廠房和主變洞開挖過程中，受圍巖應力不斷調(diào)整影響，下游拱肩圍巖應力集中程度不斷加劇的結果；

（3）地下廠區(qū)發(fā)育的第Ⅰ組優(yōu)勢結構面與地下廠房軸線（N35°E）成小夾角，且平行發(fā)育，在下游拱肩部位圍巖應力強烈集中下，對圍巖穩(wěn)定不利，進一步促進了地下廠房和主變洞下游拱肩裂縫的發(fā)展；

（4）地下廠房、主變洞、母線洞、尾水擴散洞等洞室開挖引起地下廠房和主變洞之間中隔墻巖體三向卸荷，加劇了中隔墻巖體層面、不利斷層和擠壓破碎帶持續(xù)松弛、張開與滑移趨勢，從而導致中隔墻巖體向多個臨空面發(fā)生較大相對變形，致使中隔墻上部最先支護的錨索荷載不斷增加，同時廠區(qū)地應力方向和陡傾巖層加劇并使得大理巖表現(xiàn)出明顯的時效變形，進一步加劇了中隔墻錨索后期荷載緩慢增長，并最終導致中隔墻上部最先支護的錨索發(fā)生破壞；

（5）地下廠房及其附近主變洞、尾水管檢修閘門室、母線洞、壓力管道下平洞、尾水擴散洞、排水廊道、通風排煙洞及相關交通洞等洞室的開挖，形成了以地下廠房為主的大型地下洞室群，洞群效應對地下廠房、主變洞下游拱肩裂縫的發(fā)展和中隔墻上部最先支護的錨索破壞有一定的促進作用；

（6）地下廠房和主變洞下游拱肩開裂部位采用表層、淺層和深層噴錨支護措施進行綜合處理是合適的，有效地保證了圍巖穩(wěn)定與安全。

[1] 方 丹，陳建林，萬祥兵.錦屏二級水電站地下廠房圍巖穩(wěn)定分析[R].杭州：華東勘測設計研究院，2008.

[2] 江 權，馮夏庭.關于錦屏二級水電站廠房邊墻噴混凝土開裂問題分析[R].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2008.

[3] 向天兵，江 權，馮夏庭.關于當前廠房和主變室應力集中區(qū)圍巖變形破壞模式的分析與建議[R].武漢：中國科學院武漢巖土力學研究所，2009.

[4] 萬祥兵，羅沅東，補約依呷.錦屏二級水電站地下廠房下游錨索破壞及處理措施初步分析報告[R].杭州：中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，2010.

[5] 江 權，陳建林，馮夏庭，等.大型地下洞室對穿錨索預應力錨索失效形式與耦合模型[R].武漢：中國科學院武漢巖

Analysis and repair of downstream spandrel crack and middle partition wall anchorage cable failure for underground powerhouse of Jinping II Hydropower Project

Buyueyizha,WAN Xiang-bing,CHEN Peng
(Huadong Engineering Corporation Limited of Power China,Hangzhou 311122,China)

During construction of underground powerhouse of Jinping II Hydropower Project,downstream spandrel crack,outward bulging and peeling were seen in the middle and late periods of excavation and support,middle partition wall anchorage cable failure was seen during concreting.The authors analyzed the causes,including the layered steep dip rock mass at small angle to axis of underground chamber is subject to concentrated high geostress;and the rock mass at middle partition wall is affected by three-dimensional unloading deformation.Therefore,surface,shallow and deep shotcrete-bolt support was adopted to repair the downstream spandrel crack;rock mass at middle partition wall was repaired by low pressure consolidation grouting.The repair measures render good effects and ensure the stability of surrounding rock and powerhouse safety.

Underground powerhouse;downstream spandrel;crack;anchorage cable;failure;analysis of causes

TV698.231

B

1003-1510（2016）06-0051-05

2016-09-07

補約依呷（1981-），男（彝族），四川冕寧人，中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司工程師，學士，主要從事水電站廠房及地下洞室設計工作。