文登抽水蓄能電站地下廠房施工期圍巖安全監(jiān)測分析

衛(wèi)洋波，張 捷，王 芳

（中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京市 100024）

0 引言

水利水電工程地下廠房的開挖卸荷，將引起圍巖產(chǎn)生變形，過量的變形將會影響地下廠房工程的安全施工[1]。在地下廠房施工開挖期布置位移及應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，可獲得有關(guān)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)工作狀態(tài)的真實(shí)信息，可為進(jìn)一步有針對性地修改支護(hù)參數(shù)及后續(xù)的開挖提供依據(jù)[2]，另一方面也可為類似地下工程圍巖穩(wěn)定性分析提供借鑒。如在豐寧抽水蓄能電站一期和二期地下廠房洞室群圍巖施工期中，布置了大量的監(jiān)測儀器，通過對圍巖位移監(jiān)測、錨桿和錨索支護(hù)受力監(jiān)測、裂縫監(jiān)測及松弛狀態(tài)監(jiān)測，獲得了洞室圍巖開挖卸荷變形特征、結(jié)構(gòu)面效應(yīng)、變化規(guī)律及錨固系統(tǒng)控制狀態(tài)，為該工程的安全施工提供了強(qiáng)有力的支撐[3，4]。類似的工程，如二灘、溧陽、深蓄等工程，也均在其地下廠房開挖過程中布置了位移及應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，針對施工期地下廠房的圍巖安全監(jiān)測分析開展了相關(guān)的研究工作[5-13]。

本文依據(jù)文登抽水蓄能電站地下廠房施工期的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對地下廠房開挖后圍巖的變形和錨固支護(hù)受力監(jiān)測數(shù)據(jù)展開系統(tǒng)分析，并結(jié)合施工期揭露的地質(zhì)條件和物探成果，對廠房第Ⅵ層開挖完成后圍巖的穩(wěn)定性以及支護(hù)系統(tǒng)工作性態(tài)進(jìn)行綜合分析與評價(jià)，研究成果可為同類工程提供借鑒。

1 工程概況及地質(zhì)條件分析

1.1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登區(qū)界石鎮(zhèn)境內(nèi)，電站額定水頭471m，共安裝6臺300MW容量的水輪機(jī)。工程三維透視圖如圖1所示。廠房布置于小過頂下部山體內(nèi)，距離下水庫的水平距離約1640m，山頂高程450～500m，廠房上覆巖體厚度約350m。地表左右兩側(cè)發(fā)育有與廠房軸線近垂直的沖溝，溝底高程350～400m。

圖1 文登抽水蓄能電站三維透視圖Figure 1 Three dimensional perspective of Wendeng pumped storage power station

地下洞室群主要有：主、副廠房、主變室、尾水閘門室、通風(fēng)機(jī)房、母線洞、進(jìn)廠交通洞、地下廠房通風(fēng)洞、排水廊道等。地下廠房軸線方向約為NE65°；其中，主廠房洞室尺寸：長214.5m，寬25.0m，高54m；主變室洞室尺寸：長226.5m，寬21m，高22m；尾水閘門室尺寸：長90.6m，寬10.9m，高19.8m。

1.2 地質(zhì)條件

地下廠房區(qū)域揭露的巖性主要是二長花崗巖和石英二長巖，圍巖以新鮮巖體為主，完整性比較好，呈微～新巖體，裂隙不發(fā)育，洞壁干燥，圍巖類別為Ⅱ類。在主廠左0+73～廠左0+77區(qū)域上游邊墻出現(xiàn)煌斑巖脈捕虜體，在高程上從EL67m一直向下延伸至EL37m，即第Ⅴ層底部；黃斑巖脈呈灰黑色，塊徑10～25cm，母巖為石英二長巖，兩種巖性為熔融接觸，巖體較完整，如圖2所示。

圖2 黃斑巖脈捕虜體Figure 2 Xenoliths of macular vein

主廠房主要有f202、f203兩條斷層，均為長大裂隙型斷層。根據(jù)最新的地質(zhì)編錄圖，斷層f203在主廠房上游邊墻出露部位為廠左0+089～廠左0+093，在高程上向下一直延伸到EL62m附近，然后相繼與長大裂隙L4和L6靠近一直延伸到第Ⅲ層底部，即EL50m處；在下游邊墻出露部位為廠左0+100～廠左0+140，在高程上向下一直延伸到第Ⅵ層底部，如圖3所示。斷層f202在主廠房下游邊墻出露部位為廠左0+164～廠左0+158，在高程上向下一直延伸到EL62m處；該斷層在主廠房上游邊墻尖滅。廠房區(qū)裂隙以陡傾角裂隙為主，優(yōu)勢產(chǎn)狀為NW275°SW∠60°～90°，約占總統(tǒng)計(jì)條數(shù)的50%；另還發(fā)育一組產(chǎn)狀NW275°SW∠0°～30°的緩傾角結(jié)構(gòu)面，該組裂隙約占7%；其余方向的裂隙也有發(fā)育，約占總數(shù)的43%。

圖3 主廠房下游邊墻斷層f203出露位置Figure 3 Exposed position of fault F203 in downstream side wall of main power house

根據(jù)現(xiàn)場地應(yīng)力測試結(jié)果，地下廠房洞室群所在高程的應(yīng)力值范圍為：最大水平主應(yīng)力SH為9.32～17.75MPa，最小水平主應(yīng)力Sh為5.42～9.75MPa，垂直主應(yīng)力SV為8.54～11.84MPa。地應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系為SH＞SV＞Sh，總體測區(qū)主應(yīng)力的方向均在NW280°～300°的范圍內(nèi)，個(gè)別測孔最大主應(yīng)力近E-W向，工程區(qū)構(gòu)造應(yīng)力場為以NWW方向或近E-W向擠壓為主。

2 地下廠房物探成果分析

主廠房及主變室洞室開挖施工過程中，受爆破振動及巖體應(yīng)力釋放影響，表層巖體及結(jié)構(gòu)面變形、松弛，巖體內(nèi)的應(yīng)力重新分配，在洞壁周邊巖體質(zhì)量和完整性及力學(xué)參數(shù)降低，形成松動圈。采用單孔聲波測試法開展巖體質(zhì)量和松動圈測試。采用一發(fā)雙收裝置，測點(diǎn)距0.2m，基本原理是利用聲波在一定距離沿井壁巖體滑行的時(shí)間來測定巖體的聲波速度，根據(jù)發(fā)射器到兩個(gè)接收器的縱波初至?xí)r間tp2與tp1及兩個(gè)接收換能器間距（L），即可獲得孔壁附近巖體的縱波速度值，見式（1）：

一般來講，圍巖的波速近似反映了其開挖松弛后的損傷程度，圍巖的松弛損傷系數(shù)可以由其松動圈內(nèi)的波速及未松動圈內(nèi)的波速來近似計(jì)算。若用V′p表示圍巖松弛圈的波速平均值，用Vp表示圍巖未松弛圈波速的平均值，則圍巖的松弛損傷系數(shù)可以用如下公式計(jì)算：

其中，松弛損傷系數(shù)為0表示圍巖未損傷，松弛損傷系數(shù)越大表明圍巖損傷程度越高。

主廠房物探測試成果見表1。主廠房測試成果表明，由于聲波曲線隨深度變化表現(xiàn)為淺部松弛卸荷強(qiáng)烈，存在比較明顯的波速降低區(qū)域，內(nèi)部局部區(qū)域呈鋸齒狀。主廠房聲波測試顯示總體圍巖卸荷松弛規(guī)律如下：由于洞室?guī)r體開挖卸荷后，初始地應(yīng)力卸荷、主應(yīng)力差變大，應(yīng)力松弛導(dǎo)致原有節(jié)理裂隙擴(kuò)展，介質(zhì)的不連續(xù)面擴(kuò)大，巖體質(zhì)量進(jìn)一步劣化，力學(xué)參數(shù)降低，以致聲波在該方向的傳播速度明顯減小。一般越靠近臨空面，卸荷擾動越大，縱波速度降低越多，松弛圈偏大，巖體質(zhì)量和力學(xué)參數(shù)損傷劣化。洞室開挖后圍巖淺部松弛，總體松弛范圍在0.8～1.4m，大部分在0.8～1.2m之內(nèi)。松弛圈內(nèi)巖體波速一般在4119～5396m/s，非松弛圈波速一般在5212～5592m/s。幾個(gè)物探測點(diǎn)的松弛損傷系數(shù)大部分在0.14以下，廠右0+010下游邊墻、廠左0+040上游邊墻損傷系數(shù)相對較高。

表1 主廠房各斷面圍巖松弛深度聲波檢測成果表Table 1 Acoustic wave detection results of surrounding rock relaxation depth at each section of underground power-house

3 安全監(jiān)測布置

地下廠房開挖步序結(jié)合開挖分層設(shè)計(jì)圖和實(shí)際施工順序，遵循“先洞后墻”的開挖原則，兩大洞室頂拱開挖總體按廠房頂拱先開挖，主變洞頂拱滯后跟進(jìn)開挖的程序進(jìn)行。跟隨各洞室施工開挖進(jìn)程，在主廠房、主變室埋設(shè)有多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)。主副廠房及安裝間共布置3個(gè)主要監(jiān)測剖面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ，另外布置5個(gè)輔助監(jiān)測斷面（a、b、c、d、e斷層），主要開展圍巖變形監(jiān)測、支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)測儀器布置見圖4～圖6。

圖4 地下廠房監(jiān)測斷面布置圖Figure 4 Monitoring section of the underground powerhouse

圖5 I-I斷面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測布置圖Figure 5 Multi-point displacement meter monitoring layout of I-I section

圖6 錨桿應(yīng)力計(jì)典型監(jiān)測斷面布置圖Figure 6 Typical monitoring section layout of anchor stress meter

4 圍巖變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及支護(hù)受力特征分析

4.1 主廠房

4.1.1 圍巖變形分析

主廠房開挖后，洞室圍巖卸荷回彈變形或松弛變形，圍巖變形整體較小，孔口變形大部分小于2mm。最大變形量值為13.01mm，位于廠右0+000.80、廠下0+011.10，高程61m；該位移歷時(shí)曲線臺階狀明顯、增長幅度相對較大，目前變形暫時(shí)未收斂，見圖7。從地質(zhì)編錄圖上來看，該多點(diǎn)位移計(jì)位于長大裂隙L17和L18附近，受局部不良巖體結(jié)構(gòu)影響明顯；同時(shí)，該監(jiān)測點(diǎn)位于1號母線洞上方和巖錨梁區(qū)域，受開挖應(yīng)力釋放和爆破擾動也比較明顯。結(jié)合物探測試成果，該區(qū)域的圍巖損傷系數(shù)也相對較大。

圖7 主廠房Mcf1-7-1～4多點(diǎn)位移計(jì)歷時(shí)曲線圖Figure 7 Multi-point displacement meter duration curve in main power house

4.1.2 錨桿受力分析

主廠房錨桿支護(hù)受力整體較小，錨桿錨固力絕大部分小于50MPa，占總數(shù)量的93%；最大錨固力到達(dá)158.79MPa（廠左0+048.00，廠上0+002.15，5.5m深度），見圖8，沒有超過錨桿屈服強(qiáng)度。錨固力較大的區(qū)域主要受局部不良巖體結(jié)構(gòu)作用，還受應(yīng)力釋放卸荷和爆破開挖振動的影響；結(jié)合物探測試成果，該區(qū)域的圍巖損傷系數(shù)也相對較大。

圖8 主廠房錨桿應(yīng)力歷時(shí)曲線圖（Rmcf2-1～3）Figure 8 Stress duration curve of anchor rod in main power house

4.2 主變壓器室

4.2.1 圍巖變形分析

根據(jù)主變壓器室的多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)可以看出，主變壓器洞在開挖后圍巖變形曲線整體平穩(wěn)，洞周圍巖變形較小，變形量值一般小于0.5mm，最大變形量值為10.47mm（廠左0+034.20、廠下0+050.35），見圖9。同主廠房類似，主變壓器室圍巖變形主要受到堅(jiān)硬的石英二長巖巖性、局部裂隙等地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，還受應(yīng)力釋放卸荷和爆破開挖振動的影響。

圖9 主變壓器室Mzb1-4-1～4多點(diǎn)位移計(jì)歷時(shí)曲線圖Figure 9 Multi-point displacement meter duration curve in main transformer room

4.2.2 錨桿受力分析

主變壓器室錨桿應(yīng)力增長主要發(fā)生在2019年6月以來開挖期間，目前錨桿應(yīng)力整體較小，歷時(shí)曲線平穩(wěn)。主變壓器室錨桿應(yīng)力一般小于25MPa，最大應(yīng)力為158.93MPa（主變壓器室廠左0+035.00、廠下0+050.35），見圖10。

圖10 主變壓器室錨桿應(yīng)力歷時(shí)曲線圖（Rmzb1-9～11）Figure 10 Stress duration curve of anchor rod in main transformer room

5 結(jié)束語

文登抽水蓄能電站地下廠房區(qū)巖性以晚元古代晉寧期黑云角閃二長花崗巖和中生代印支期黑云角閃石英二長巖為主，圍巖以新鮮巖體為主，呈微～新巖體，發(fā)育少量斷層及裂隙。地下廠房洞室群的圍巖安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析表明：主廠房、主變壓器室開挖圍巖總體變形不大，最大變形量值為13.01mm，支護(hù)體系受力也在正常范圍內(nèi)，表明地下廠房在開挖后圍巖基本穩(wěn)定。廠區(qū)工程地質(zhì)條件及物探成果表明，文登地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定主要受到石英二長巖巖性、長大裂隙、斷層等地質(zhì)結(jié)構(gòu)控制，巖體變形受到應(yīng)力卸荷松弛與局部巖體結(jié)構(gòu)作用，變形較大區(qū)域多為受局部不良巖體結(jié)構(gòu)和圍巖開挖卸荷損傷作用所致。因此，為確保地下廠房在開挖過程中圍巖的整體和局部穩(wěn)定性，開挖應(yīng)采用合理的爆破施工程序及合適的爆破藥量，且開挖后應(yīng)及時(shí)進(jìn)行支護(hù)，以減小圍巖尤其是結(jié)構(gòu)面和洞室交匯區(qū)的損傷擾動。