豐寧抽水蓄能電站一期地下廠房施工期圍巖安全監(jiān)測分析

馬雨峰，劉登學，劉雙華，呂風英，徐士超

（1. 河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北省承德市 068350；2. 長江科學院水利部巖土力學與工程重點實驗室，湖北省武漢市 430010）

0 引言

地下廠房洞室群的圍巖安全監(jiān)測是水利樞紐工程施工建設中一項重要的工作內(nèi)容。通過在地下廠房洞室群開挖施工中布置位移及應力監(jiān)測系統(tǒng)，獲得有關圍巖穩(wěn)定性及支護工作狀態(tài)的真實信息，可為進一步支護設計優(yōu)化及后續(xù)的開挖提供依據(jù)[1]。如烏東德水電站、官地水電站、二灘水電站、桐柏抽水蓄能電站等水利樞紐工程[2-11]均在其地下洞室開挖過程中進行了相關的研究工作，為工程的安全施工提供了有力支撐。

河北豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)，是目前世界上裝機規(guī)模最大的抽水蓄能電站，工程規(guī)劃裝機容量3600MW，電站分兩期建設，兩期工程裝機容量均為1800MW。主副廠房、主機間和安裝場洞室總開挖尺寸為414.0m×25.0m×54.5m（長×寬×高），主變壓器洞洞室總開挖尺寸為450.5m×21.0m×22.50m（長×寬×高）。地下廠房洞室群的開挖規(guī)模大，圍巖巖性雖以III類花崗巖為主，在施工開挖過程中，陸續(xù)揭示了巖體蝕變帶和較多長大裂隙，不僅削弱了圍巖的整體強度，也降低了巖體完整性[12]。本文依據(jù)豐寧一期地下廠房施工期安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對相關的圍巖變形和錨固支護受力監(jiān)測數(shù)據(jù)開展系統(tǒng)分析，并結合國內(nèi)外已建的水電站和抽水蓄能電站地下廠房工程，對主廠房第V層開挖完成后的圍巖穩(wěn)定狀態(tài)進行綜合評價，研究成果可為同類工程提供借鑒。

1 地質條件分析

地下廠房系統(tǒng)巖性主要為三疊干溝門單元中粗?；◢彛ㄒ妶D1），灰白色、肉紅色，巖石具花崗結構，碎裂結構，塊狀構造，見圖1。其中鉀長石40%～45%，斜長石25%～30%，石英20%～25%，角閃石、黑云母10%～15%，電氣石1%～2%，副礦物鋯石、屑少量。

在可研階段勘察得到的6條規(guī)模較大斷層的基礎上，施工期由主廠房和主洞室開挖揭示了11條斷層，寬度從數(shù)厘米到2m不等，多與廠房軸線大角度相交，以中陡傾角為主，同時編錄得到長大裂隙千余條，裂隙較為發(fā)育。

施工期開挖揭示：主變壓器洞上游頂拱、2號母線洞兩側邊墻及廠房上下游側邊墻等部位有巖體蝕變現(xiàn)象，呈囊狀或追蹤長大裂隙呈條帶狀分布，巖石的蝕變程度不一，主要表現(xiàn)為巖體強度降低。在主廠房上游邊墻廠左0+100m的高程980m附近進行取樣和礦物分析的結果表明，花崗巖蝕變后，礦物坡縷石和綠泥石的含量相對較高，說明蝕變的產(chǎn)生與構造發(fā)育存在一定關系。兩種礦物吸水性強，吸水后具黏性和可塑性，水浸泡崩散，抗風化能力弱。因此，蝕變巖體開挖后宜及時封閉，防止進一步風化和水的浸泡，可以從一定程度上防止蝕變巖體的力學性質惡化。

圖1 三疊系干溝門單元中粗粒花崗巖Figure 1 Coarse-grained granite in Triassic Gangoumen unit

2 安全監(jiān)測布置

一期主廠房和主變壓器室共布置了7個系統(tǒng)性監(jiān)測斷面，監(jiān)測斷面平面布置見圖2。圖3為典型監(jiān)測斷面（I-I）多點位移計布置圖，圖4為錨桿應力計典型斷面布置圖。

圖2 一期地下廠房監(jiān)測斷面及對應樁號布置圖Figure 2 Monitoring section of the first phase underground powerhouse and corresponding layout drawing

圖3 I-I斷面多點位移計監(jiān)測布置圖Figure 3 Multi-point displacement meter monitoring layout of I-I section

圖4 錨桿應力計典型監(jiān)測斷面布置圖Figure 4 Typical monitoring section layout of anchor stress meter

3 圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及支護受力特征分析

3.1 圍巖變形分析

3.1.1 表層圍巖變形分布規(guī)律

圖5為一期主廠房上游側和下游側各監(jiān)測斷面的表層圍巖變形量值分布圖，圖6為一期主廠房各監(jiān)測截面的表層圍巖變形最大值分布的柱狀圖，一期主廠房的圍巖變形最大監(jiān)測值為86.06mm，出現(xiàn)在廠左0+96截面的下游邊墻991m高程部位。從分布規(guī)律來看，邊墻部位圍巖變形大于頂拱部位；位于一期主廠房兩側的廠左0+0（1號機）和廠左0+156（安裝場）截面，上游邊墻圍巖變形大于下游邊墻，位于中間部位的廠左0+24（2號機）、廠左0+48（3號機）和廠左0+96（5號機）截面，則是下游邊墻圍巖變形大于上游邊墻。對比不同監(jiān)測截面的圍巖變形監(jiān)測值，可知廠左0+0（1號機）、廠左0+48（3號機）和廠左0+96（5號機）截面的變形量值總體較大，均有圍巖變形量值超過60mm的測點，其次是廠左0+24（2號機）和廠左0+156（安裝場）截面，均有圍巖變形量值超過40mm的測點，廠右0+26（副廠房）、廠左0+72（4號機）和廠左0+120（6號機）截面的圍巖變形監(jiān)測值相對較小，均在30mm以內(nèi)。

圖5 一期主廠房下游側表層圍巖變形監(jiān)測值分布（單位：mm）Figure 5 Deformation distribution of surface surrounding rock at downstream side of the first phase main power house（Unit：mm）

圖6 一期主廠房各監(jiān)測斷面洞周表層圍巖變形最大值分布柱狀圖Figure 6 Histogram of the distribution of the maximum value of the surrounding rock deformation of the surface layer around the tunnel of each monitoring section of the first phase main power house

3.1.2 不同深度圍巖變形量值特征

從頂拱、上游和下游邊墻各部位的圍巖變形分布圖（見圖7）可知，圍巖變形總體上為從內(nèi)向外不斷累積增大，并在孔口達到最大值。從絕對量值分析，孔口部位有48%的測點變形監(jiān)測值小于10mm，38%的測點變形監(jiān)測值介于10～30mm，15%測點變形監(jiān)測值介于30～50mm，另有8%測點的變形監(jiān)測值大于50mm；距開挖面2m深部位有48%的測點變形監(jiān)測值小于10mm，33%的測點變形監(jiān)測值介于10～30mm，15%測點變形監(jiān)測值介于30～50mm，另有4%測點的變形監(jiān)測值大于50mm；距開挖面5～6m深部位有67%的測點變形監(jiān)測值小于10mm，22%的測點變形監(jiān)測值介于10～30mm，7%測點變形監(jiān)測值介于30～50mm，另有4%測點的變形監(jiān)測值大于50mm；距開挖面10～13m深部位有87%的測點變形監(jiān)測值小于10mm，8%的測點變形監(jiān)測值介于10～30mm，6%測點變形監(jiān)測值介于30～50mm，無測點的變形監(jiān)測值大于50mm。

對于頂拱部位，圍巖變形主要發(fā)生在距開挖面2～6m或者6～13m的深度區(qū)間，圖8為I-I監(jiān)測截面圍巖變形分布圖。針對發(fā)現(xiàn)的洞周一些部位的圍巖變形主要發(fā)生在距開挖面6m或更深部位的現(xiàn)象，初步分析后認為是頂拱、上游邊墻和下游邊墻圍巖內(nèi)可能存在節(jié)理裂隙等結構面，易在主廠房下臥開挖的過程中受卸荷擾動影響，發(fā)生結構面張開或錯動，從而引起該部位的不連續(xù)變形。針對發(fā)現(xiàn)的下游邊墻有較多區(qū)域圍巖變形主要發(fā)生在開挖面附近的現(xiàn)象，初步分析后認為是圍巖在開挖卸荷的擾動影響下，巖體質量變差，力學參數(shù)降低，從而產(chǎn)生較大量值的變形。

3.1.3 圍巖變形監(jiān)測時程曲線特征

頂拱區(qū)域的監(jiān)測變形曲線均存在陡增的情況（圖9中紅色橢圓框標識部位），這與圍巖內(nèi)結構面受卸荷擾動，易在順層或垂直層面方向上產(chǎn)生不連續(xù)變形，使圍巖變形陡增的一般規(guī)律相符。邊墻區(qū)域的圍巖監(jiān)測變形曲線呈現(xiàn)較為明顯的時效特征，即開挖完成后圍巖變形收斂緩慢，需要較長時間才能逐漸穩(wěn)定。

圖7 一期主廠房不同深度圍巖變形量在各量值區(qū)間占比的分布柱狀圖Figure 7 The distribution histogram of the ratio of the deformation of the surrounding rock in different depth to each value interval of the first phase main power house

圖8 I-I截面圍巖變形分布圖（單位：mm）Figure 8 Deformation distribution of surrounding rock of I-I section（Unit：mm）

圖9 II-II斷面M2-3多點位移計監(jiān)測時程曲線Figure 9 Time history curve of M2-3 multi-point displacement meter in section II - II

3.2 錨桿受力分析

（1）總體上，主廠房錨桿應力（不含吊車梁錨桿）超過310MPa的測點，占5.69%；200～310MPa的測點占8.94%；100～200MPa的測點占25.20%；小于100MPa的測點，占60.16%。錨桿應力超過310MPa部位主要分布在主廠房的頂拱和上下游拱腰，其次是上下游邊墻部位，見圖10。

（2）錨桿沿2m、4m和6m深度方向上的應力值，總體上是最接近開挖面的2m測點應力值相對更大。但是，因受到節(jié)理裂隙等結構面的影響，一些部位的錨桿應力計4m和6m深度測點應力值大于淺部2m測點，如廠左0+0截面內(nèi)的頂拱部位和上游邊墻測點，廠左0+48截面內(nèi)的下游邊墻測點，廠左0+72截面內(nèi)的頂拱部位測點。這些部位在開挖卸荷作用下，因受到圍巖局部原生結構面張開滑移或新生裂隙的影響，使得錨桿應力值呈現(xiàn)不同的沿深度變化規(guī)律，見圖11。

圖10 一期主廠房錨桿不同應力水平比例Figure 10 Different stress level ratio of anchor bolt in first phase main power house

圖11 一期主廠房錨桿應力不同深度測點不同量級的分布比例Figure 11 Distribution proportion of anchor stress of different depth measuring points of different magnitude in first phase main power house

3.3 錨索受力分析

（1）主廠房錨索受圍巖卸荷松弛作用，錨索受力普遍較大，大部分錨索受力增長，部分錨索呈松弛特征。其中，相對實際鎖定值，應力增加和松弛的錨索數(shù)分別占總錨索數(shù)的77.42%、22.58%。

（2）在受力增長的錨索中，超鎖定值0～0.1倍的8支，占受力增加錨索總數(shù)的比例為33.33%；超鎖定值0.1～0.2倍的4支，占16.67%；超鎖定值0.2～0.3倍的4支，占16.67%；超鎖定值0.3～0.4倍的5支，占20.83%；大于0.4倍的3支，占12.50%，見圖12。

（3）在預應力損失松弛錨索中，損失率為0～0.1的5支，占松弛錨索總數(shù)比例為71.43%；大于0.3倍的2支，占28.57%，見圖13。

（4）應力松弛損失的錨索一般在5%以內(nèi)，局部錨索應力松弛較大，最大損失67.31%（廠左0+48，下游邊墻）。

（5）相比于錨索設計荷載，目前有13臺錨索測力計的錨固力超過設計荷載，其中6臺超過設計荷載比例在10%以內(nèi)；5臺超過設計荷載比例在10%～20%之間；2臺超過設計荷載比例大于20%，分別是廠左0+46下游拱腰部位1006高程的Dpcf8測力計，超過設計值29%，以及廠左0+200頂拱部位的1008.5高程的Dpcf18測力計，超過設計值36%。這些超過設計荷載20%的錨索測力計應予以特別重視，建議增加觀測頻次，并加強支護。

圖12 一期主廠房錨索超鎖定值分布圖Figure 12 Distribution diagram of over locked value of anchor cable in first phase main power house

圖13 一期主廠房錨索相對鎖定值松弛分布圖Figure 13 Relaxation distribution diagram of relative locking value of anchor cable in first phase main power house

4 結束語

河北豐寧一期抽水蓄能電站地下廠房區(qū)巖性主要為三疊干溝門單元中粗粒花崗，斷層裂隙較為發(fā)育，施工期開挖揭示廠房部分區(qū)域存在巖體蝕變現(xiàn)象。地下廠房洞室群的圍巖安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明：截至主廠房第V層開挖完畢，主廠房的圍巖變形最大值達到86.06mm，且有多個監(jiān)測截面的圍巖變形監(jiān)測值超過60mm，相比于巖性、圍巖分類、埋深和開挖規(guī)模相近的地下廠房，豐寧抽蓄地下廠房的圍巖變形量值偏大；主廠房還具有部分區(qū)域深部圍巖變形顯著，且圍巖變形時效特征明顯的特點；錨索對地下廠房洞室群圍巖起到了較好的加固效果，是保持圍巖穩(wěn)定性的必要支護結構。