呂風(fēng)英，孟憲磊，何 軍，賈 晉，王 潤

(1.河北豐寧抽水蓄能有限公司， 河北 豐寧 068350；2.長江水利委員會長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430010)

大型地下廠房洞室群是抽水蓄能電站和高山峽谷地區(qū)水電站的重要組成單元，在山體內(nèi)開挖規(guī)模宏大的地下空間，將引起洞室群圍巖體的強(qiáng)烈卸荷和應(yīng)力調(diào)整，因此在施工期針對圍巖開展一系列監(jiān)測并及時分析其穩(wěn)定性，是修建大型地下廠房洞室群的一項(xiàng)重要工作。

河北豐寧抽水蓄能電站是目前世界上裝機(jī)規(guī)模最大的抽蓄電站，其二期工程地下廠房開挖尺寸大，圍巖巖性復(fù)雜，具有較強(qiáng)的蝕變性，且區(qū)域斷層和長大裂隙等結(jié)構(gòu)面發(fā)育，這使施工期地下洞室群圍巖的變形特征和穩(wěn)定性變得復(fù)雜[1-8]。工程經(jīng)驗(yàn)表明，圍巖位移和支護(hù)受力情況是地下工程穩(wěn)定性的直接指標(biāo)，對位移和支護(hù)受力情況進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測符合工程動態(tài)設(shè)計和信息化施工的要求[9-15]。為了保證豐寧二期抽水蓄能電站施工期安全，在二期地下廠房中選擇了幾個斷面布置了多點(diǎn)位移計、錨桿應(yīng)力計和錨索測力計等監(jiān)測儀器，以掌握二期地下廠房洞室群圍巖變形和支護(hù)受力情況，分析其穩(wěn)定性。本文就豐寧二期抽水蓄能電站主要監(jiān)測資料進(jìn)行整理，并分析和評價豐寧二期抽蓄電站地下廠房洞室群的穩(wěn)定性。

1 工程概況和圍巖安全監(jiān)測方案

1.1 基本資料

豐寧抽蓄電站位于河北豐寧滿族自治縣境內(nèi)，距離北京市和承德市直線距離分別為180 km、150 km。電站規(guī)劃裝機(jī)容量3 600 MW，為一等工程，大(1)型規(guī)模，電站分兩期建設(shè)，一期工程裝機(jī)容量1 800 MW，二期工程裝機(jī)容量1 800 MW。

電站地下廠房系統(tǒng)位于水道系統(tǒng)中部，由主廠房洞、主變洞、交通洞、1#、2#通風(fēng)洞、母線洞、排水廊道、排風(fēng)豎井、1#、2#出線洞、1#、2#出線豎井、地面開關(guān)站等建筑物組成。一期、二期主副廠房、安裝場和主機(jī)間呈“一”字形布置，總開挖尺寸為414.0 m×25.0 m×54.5 m(長×寬×高)；一期、二期主變洞平行布置在主廠房洞下游側(cè)，洞室總開挖尺寸為450.5 m×21.0 m×22.5 m(長×寬×高)。二期工程于2015年9月23日開工建設(shè)，主要包含2#主副廠房、安裝場、2#主變洞、7#—12#主機(jī)間、7#—12#母線洞等建筑。

1.2 工程地質(zhì)條件

地下廠房軸線為近SN向，上覆巖體厚度250 m～330 m。地下廠房系統(tǒng)巖性主要為三疊干溝門單元中粗?；◢彛瑤r石具花崗結(jié)構(gòu)，碎裂結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。在廠房左端墻附近，沿斷層f376有石英閃長巖脈侵入。主廠房及主變洞圍巖類別主要為III類，而斷層、裂隙密集發(fā)育部位及巖體蝕變較強(qiáng)部位的圍巖為IV類。

根據(jù)廠房編錄資料，廠房區(qū)編錄斷層11條，寬幾厘米到2 m不等，多與廠房軸線大角度相交，中陡傾角為主。共編錄長大裂隙千余條，裂隙較發(fā)育，按照走向可分為NE和NW兩組；除以上兩組外，偶見NEE或近EW向裂隙，NNE向裂隙以陡傾角為主，近EW向裂隙以緩傾角裂隙為主。廠區(qū)裂隙發(fā)育程度受斷層控制較為明顯，靠近斷層部位的巖體裂隙明顯多于遠(yuǎn)離斷層部位，不同區(qū)域裂隙產(chǎn)狀也稍有變化。長大裂隙面存在不同程度的蝕變，根據(jù)編錄資料統(tǒng)計，具有蝕變現(xiàn)象的裂隙占裂隙總數(shù)的27.6%。

可研階段根據(jù)廠道鉆孔和勘探平洞揭示，花崗巖蝕變在整個地下廠區(qū)普遍存在，在構(gòu)造帶附近尤為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為巖體強(qiáng)度降低，蝕變巖體于鉆孔中巖芯呈砂狀?；◢弾r蝕變帶在空間上規(guī)律性較差，蝕變帶一般沿構(gòu)造呈條帶狀分布時，延伸不長，一般小于10 m，寬度2 m左右，輕微至強(qiáng)蝕變均有揭示。受構(gòu)造和熱液蝕變作用影響，蝕變帶富集于部分長大結(jié)構(gòu)面上，從而使結(jié)構(gòu)面強(qiáng)度大大降低。

1.3 廠房開挖支護(hù)情況和監(jiān)測布置

豐寧抽蓄二期工程主副廠房總體開挖尺寸為169.5 m×25.0 m×54.5 m(長×寬×高)，主廠房橫剖面尺寸和錨桿布置圖見圖1。截止到2019年5月25日，豐寧抽蓄二期工程主廠房第V層(高程976 m～1 008.5 m)已開挖支護(hù)完成，主變洞I層—III層(高程982 m～1 004 m)開挖支護(hù)基本完成，巖壁梁混凝土澆筑全部完成，母線洞開挖正在進(jìn)行。二期主廠房和主變室共布置了7個系統(tǒng)性監(jiān)測斷面，分別位于廠左0+222(7#機(jī)組中心線)、廠左0+246(8#機(jī)組中心線)、廠左0+270(9#機(jī)組中心線)、廠左0+294(10#機(jī)組中心線)、廠左0+318(11#機(jī)組中心線)、廠左0+342(12#機(jī)組中心線)、廠左0+368(副廠房)。在主廠房監(jiān)測斷面上共布置48個四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計，埋深分10 m和13 m兩種；并埋設(shè)52個錨桿應(yīng)力計和32個錨索測力計。在主變室的監(jiān)測斷面上共布置28個四點(diǎn)式多點(diǎn)位移計，埋深分9 m和10 m兩種；并埋設(shè)28個錨桿應(yīng)力計和20個錨索測力計。

圖1 主廠房橫剖面尺寸和錨桿布置圖(單位：mm)

2 主廠房監(jiān)測結(jié)果分析

2.1 圍巖變形分析

截至2019年5月25日，二期主廠房的圍巖變形最大監(jiān)測值為76.44 mm，出現(xiàn)在廠左0+270截面下游邊墻的999 m高程部位。從總體分布規(guī)律來看，邊墻部位圍巖變形大于頂拱部位，如圖2和圖3所示。位于二期主廠房廠左0+222、廠左0+246和廠左0+368的監(jiān)測截面上，上游邊墻圍巖變形大于下游邊墻；位于中間部位的廠左0+270、廠左0+294和廠左0+318的監(jiān)測截面上，則是下游邊墻圍巖變形大于上游邊墻；而在廠左0+342的監(jiān)測截面上，上下游邊墻圍巖變形基本相當(dāng)。

圖2 主廠房上游側(cè)表層圍巖變形分布(單位：mm)

圖3 主廠房下游側(cè)表層圍巖變形分布(單位：mm)

如圖4所示，總體上，主廠房的拱頂部位圍巖變形量值較大，變形分布在-0.90 mm～54.29 mm，最大值出現(xiàn)在廠左0+342斷面的拱頂部位。在布置的7個監(jiān)測截面中，有5個截面的拱頂圍巖變形都大于截面內(nèi)的上下游拱腰部位圍巖變形，其中四個斷面變形超過20 mm。主廠房上游邊墻圍巖變形量值在14.30 mm～70.92 mm，最大量值為70.92 mm，位于廠左0+222高程999 m處；下游邊墻圍巖變形量值在10.50 mm～76.44 mm，最大量值為76.44 mm，位于廠左0+270高程999 m處。從邊墻圍巖變形的高程分布來看，邊墻上部高程1 000 m附近的圍巖變形量整體相對較大。

圖4 主廠房各監(jiān)測斷面洞周表層圍巖變形最大值柱狀圖

2.2 錨桿受力分析

總體上，主廠房錨桿應(yīng)力(不含吊車梁錨桿)超過310 MPa的占5.13%；在200 MPa～310 MPa之間的占8.97%；在100 MPa～200 MPa之間的占20.51%；小于100 MPa的占65.38%，見圖5。如圖6所示，按深度方向分析：主廠房錨桿應(yīng)力在2 m深度超過310 MPa的占4%，在200 MPa～310 MPa之間的占9%，在100 MPa ～200 MPa之間的占15%，小于100 MPa的占72%；在4m深度超過310 MPa的占7%，在200 MPa～310 MPa之間的占7%，在100 MPa～200 MPa之間的占28%，小于100 MPa的占59%。

錨桿應(yīng)力較大的部位主要分布在主廠房的頂拱部位，其次是拱腰和上下游邊墻部位。沿深度方向上，總體上是最接近開挖面的2 m測點(diǎn)應(yīng)力值相對更大。但是，廠左0+294截面和廠左0+368截面的端墻部位內(nèi)，有較多4 m測點(diǎn)的錨桿應(yīng)力值比2 m測點(diǎn)的應(yīng)力值更大，這主要是由于圍巖受到開挖面附近節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面的影響所致。從錨桿應(yīng)力時程曲線看，其應(yīng)力增長或劇烈變化的時間段，與其所在的監(jiān)測斷面及鄰近洞段的施工開挖活動時間具有顯著的關(guān)聯(lián)性。目前，錨桿應(yīng)力時程曲線已經(jīng)收斂。

圖5 主廠房錨桿不同應(yīng)力水平比例

圖6 主廠房錨桿應(yīng)力不同深度測點(diǎn)不同量級的比例

2.3 錨索受力分析

目前，主廠房錨索錨固力均未達(dá)到其設(shè)計荷載。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，少部分錨索呈松弛特征，相對實(shí)際鎖定值，應(yīng)力增加和松弛的錨索數(shù)分別占總錨索數(shù)的76.67%、23.33%。

在受力增長的錨索中，在超過鎖定值的錨索數(shù)量和錨索荷載水平方面，下游邊墻均明顯超過上游邊墻及頂拱。如圖7所示，在相對鎖定值增長的錨索中，超鎖定值0.4倍以上的錨索中頂拱有0支，上游有2支，下游有3支；超鎖定值0.3倍～0.4倍的錨索中頂拱有0支，上游有2支，下游有3支；超鎖定值0.2倍～0.3倍的錨索中頂拱有1支，上游有2支，下游有1支；超鎖定值0.1倍～0.2倍的錨索中頂拱有0支，上游有1支，下游有0支；超鎖定值0～0.1倍的錨索中頂拱有3支，上游有2支，下游有2支。在預(yù)應(yīng)力損失松弛的錨索中，錨索預(yù)應(yīng)力損失率一般在10%以內(nèi)，最大損失率為32.07%。

圖7 主廠房頂拱及上下游部位受力增長錨索個數(shù)

3 主變室監(jiān)測結(jié)果分析

3.1 圍巖變形分析

截至2019年5月25日，二期主變室的圍巖變形最大監(jiān)測值為76.66 mm，出現(xiàn)部位為廠左0+246截面內(nèi)的上游邊墻997 m高程。從分布規(guī)律來看，邊墻部位的圍巖變形要大于頂拱部位；除廠左0+222截面的上下游邊墻變形基本相當(dāng)外，其他監(jiān)測截面內(nèi)均是上游側(cè)邊墻圍巖變形大于下游側(cè)。

如圖8—圖10所示，主變室頂拱部位圍巖變形量值總體不大，分布在-0.16 mm～4.45 mm，最大值4.45 mm出現(xiàn)在廠左0+270截面。主變室上游邊墻部位的圍巖變形分布在6.20 mm～76.66 mm，最大值76.66 mm出現(xiàn)在廠左0+246截面內(nèi)的上游邊墻997 m高程。主變室下游邊墻部位的圍巖變形分布在4.11 mm～70.40 mm，最大值70.40 mm也出現(xiàn)在廠左0+246截面內(nèi)的下游邊墻997 m高程部位。對比不同監(jiān)測截面邊墻區(qū)域的圍巖變形監(jiān)測值，可知廠左0+222和廠左0+246監(jiān)測截面的圍巖變形量值較大，均超過50 mm，其他監(jiān)測截面的圍巖變形量值均在35 mm以內(nèi)。

圖8 主變室上游側(cè)表層圍巖變形分布(單位：mm)

3.2 錨桿受力分析

如圖11所示，總體上，主變室錨桿應(yīng)力(不含吊車梁錨桿)均小于310 MPa；在200 MPa～256 MPa之間的有3個測點(diǎn)，占7%；在100 MPa～200 MPa之間的有10個測點(diǎn)，占22%；小于100 MPa的有32個測點(diǎn)，占71%。如圖12所示，按深度方向分析：主變室錨桿在2 m深度應(yīng)力在200 MPa～256 MPa之間的占4%，應(yīng)力在100 MPa～200 MPa之間的占24%，應(yīng)力小于100 MPa的占72%；在4 m深度應(yīng)力在200 MPa～256 MPa之間的占11%，應(yīng)力在100 MPa～200 MPa之間的占22%，應(yīng)力小于100 MPa的占67%。

圖9 主變室下游側(cè)表層圍巖變形分布(單位：mm)

圖10 主變室各監(jiān)測斷面洞周表層圍巖變形最大值柱狀圖

圖11 主變室錨桿不同應(yīng)力水平比例

主變室錨桿應(yīng)力總體上小于200 MPa。錨桿應(yīng)力值超過200 MPa的部位包括：廠左0+246截面內(nèi)的上游邊墻997 m高程，廠左0+342截面內(nèi)的上游邊墻997 m高程。從錨桿應(yīng)力時程曲線看，其應(yīng)力增長或劇烈變化的時間段，與其所在的監(jiān)測斷面及鄰近洞段的施工開挖活動時間具有顯著的關(guān)聯(lián)性。目前，錨桿應(yīng)力時程曲線已經(jīng)收斂。

3.3 錨索受力分析

主變室大部分錨索受力呈松弛特征，少量錨索受力增大。其中，相對實(shí)際鎖定值，應(yīng)力增加和松弛的錨索數(shù)分別占總錨索數(shù)的16.67%、83.33%。

如圖13所示，在受力增長的錨索中，超鎖定值0.0倍～0.1倍的有2支，占受力增加錨索總數(shù)的比例為66.67%；超鎖定值0.2倍以上的有1支，占33.33%。松弛的錨索一般應(yīng)力損失率在20%以內(nèi)，最大應(yīng)力損失率為49.36%，位于廠左0+342斷面的上游斜拱。目前，二期主變室錨索錨固力均未達(dá)到其設(shè)計荷載。

圖12 主變室錨桿應(yīng)力不同深度測點(diǎn)不同量級的比例

圖13 主變室錨索超鎖定值分布圖

4 結(jié) 語

根據(jù)本文開展的針對豐寧二期抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖變形監(jiān)測和錨固支護(hù)受力監(jiān)測數(shù)據(jù)的系統(tǒng)性分析，可以獲得以下幾點(diǎn)認(rèn)識：

(1) 二期主廠房和主變室的圍巖變形量值較大，截至2019年5月25日，最大值分別達(dá)到76.44 mm和76.66 mm，且有多個監(jiān)測截面獲得的圍巖變形監(jiān)測值超過60 mm。結(jié)合國內(nèi)外已建的水電站和抽水蓄能電站地下廠房工程實(shí)踐，相比于巖性、圍巖分類、埋深和開挖規(guī)模相近的地下廠房，豐寧抽蓄地下廠房二期主廠房和主變室的圍巖變形量值偏大。

(2) 根據(jù)圍巖的變形分布特征，結(jié)合開挖揭露的施工地質(zhì)條件初步分析，認(rèn)為是圍巖內(nèi)存在的節(jié)理裂隙或斷層等不連續(xù)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，在開挖卸荷作用下易發(fā)生張開或錯動，進(jìn)而產(chǎn)生不連續(xù)變形，引起圍巖變形增大；另一方面，圍巖在開挖卸荷后巖體質(zhì)量下降、圍巖強(qiáng)度減小以及圍巖內(nèi)巖體的蝕變現(xiàn)象，也會導(dǎo)致圍巖變形增大。

(3) 主廠房和主變室的錨桿應(yīng)力量值總體正常，局部錨桿應(yīng)力超過310 MPa，但所占比例較小。主廠房錨索受力較鎖定值增加的占比為76.7%，其中錨固力增幅小于20%的占30%，大于20%的占46.7%；主變室錨索受力較鎖定值增加的占比為16.7%，其中錨固力增幅小于20%的占11.1%，大于20%的占5.6%。可見，錨索對主廠房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(hù)結(jié)構(gòu)。