朱 浩，賀明武，張 釗

(中國(guó)三峽建設(shè)管理有限公司，四川 成都 610031)

巖錨梁是水電站地下廠房的一種特殊結(jié)構(gòu)形式，它通過(guò)注漿錨桿將鋼筋混凝土梁固定在巖壁上，梁體承受的全部荷載通過(guò)錨桿和混凝土與巖臺(tái)的接觸面?zhèn)鬟f給圍巖。地下洞室采用這種承重結(jié)構(gòu)，不僅可以縮小廠房跨度，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益巨大，而且有利于圍巖穩(wěn)定，可以提前安裝橋機(jī)，加快廠房下部開(kāi)挖，方便混凝土澆筑及發(fā)電機(jī)組安裝。然而，由于巖錨梁成型較早，且要承擔(dān)較大的吊車荷載，在后續(xù)的洞室爆破開(kāi)挖形成的應(yīng)力集中可能會(huì)導(dǎo)致巖錨梁附近圍巖產(chǎn)生大變形及開(kāi)裂，進(jìn)而使得附著其上的巖錨梁產(chǎn)生裂縫。

A水電站左岸主廠房巖錨梁于2014-11-19日澆筑完成。2015年1月至2016年10月份多次普查發(fā)現(xiàn)，巖錨梁共出現(xiàn)橫向裂縫45條，縱向裂縫32條。盡管巖錨梁出現(xiàn)裂縫非常正常，幾乎所有的地下電站如三峽、溪洛渡、向家壩、猴子巖、構(gòu)皮灘等的巖錨梁都或多或少出現(xiàn)嚴(yán)重程度不一的裂縫。但像A水電站這樣，在主廠房整體變形不大的情況下，巖錨梁仍出現(xiàn)多條裂縫，實(shí)屬罕見(jiàn)。因此有必要對(duì)巖錨梁的裂縫產(chǎn)生原因進(jìn)行分析研究，為同類工程提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 主廠房概況

A水電站左岸主廠房位于峽谷岸坡內(nèi)，主廠房外側(cè)端墻距岸邊90～100 m，埋深160～540 m。主廠房長(zhǎng)333 m，為圓拱直墻型，頂拱中心高程855.00 m，機(jī)窩底板高程765.20 m，高89.80 m。巖錨梁臺(tái)面高程839.70 m，巖錨梁以上跨度32.50 m，以下跨度30.50 m，高度居世界第一，跨度居世界第四。主廠房共分11層進(jìn)行開(kāi)挖(見(jiàn)圖1)。

圖1 主廠房分層分區(qū)開(kāi)挖圖

1.2 巖錨梁地質(zhì)概況

主廠房圍巖從山內(nèi)往山外依次為落雪組第二段第三亞段(Pt2l2-3)、第三段第一亞段(Pt2l3-1)、少量第三段第二亞段(Pt2l3-2)地層。其中Pt2l2-3為互層夾中厚層大理巖化白云巖，位于主廠房山里側(cè)，約占主廠房的1/3；Pt2l3-1以中厚層夾厚層及少量互層灰?guī)r及大理巖為主，局部為厚層白云巖、B類角礫巖；Pt2l3-2以中厚、厚層白云巖為主。

主廠房巖錨梁高程839.7～836.0 m附近開(kāi)挖揭露地層巖性為大部分Pt2l3-1中厚夾厚層及少量互層灰?guī)r、大理巖、局部B類角礫巖，少部分Pt2l2-3互層夾中厚層局部薄層大理巖化白云巖，少量Pt2l3-2中厚夾厚層白云巖及灰?guī)r。巖層走向與廠房軸線夾角以30°～40°為主，局部夾角小于30°(4號(hào)機(jī)上游、6號(hào)機(jī)與副安裝場(chǎng)下游)，山內(nèi)側(cè)局部夾角40°～50°，見(jiàn)圖2。巖錨梁圍巖多為微新巖體，僅B類角礫巖為弱風(fēng)化～微風(fēng)化。巖溶不發(fā)育，未見(jiàn)溶洞，干燥。最大水平主應(yīng)力為低～中等地應(yīng)力水平。

圖2 主廠房巖錨梁837 m高程工程地質(zhì)平切圖

1.3 巖錨梁設(shè)計(jì)方案

巖錨梁位于主廠房上下游邊墻，上下游長(zhǎng)度均為333 m。巖錨梁為鋼筋混凝土牛腿結(jié)構(gòu)，牛腿底部高程835.97 m，頂面高程839.60 m，高3.63 m，梁面寬2.20 m。梁體布置有兩排受拉錨桿和一排受壓錨桿，其中受拉錨桿為張拉力為200 kN的L=12 m,Φ32的精軋螺紋鋼，間距為60 cm，受壓錨桿為L(zhǎng)=9 m，Φ32的普通鋼筋，間距為75 cm(見(jiàn)圖3)。

圖3 巖錨梁結(jié)構(gòu)型式和支護(hù)錨桿示意圖

1.4 巖錨梁裂縫特性

2015年1月至2016年10月份多次普查發(fā)現(xiàn)，巖錨梁共出現(xiàn)橫向裂縫45條，裂縫最大長(zhǎng)度265 cm，裂縫最大寬度0.3 mm；縱向裂縫32條(即32個(gè)部位與豎向基巖拉開(kāi))，裂開(kāi)處最長(zhǎng)212 cm，最寬22 mm。裂縫情況詳見(jiàn)圖4～圖7。

圖4 巖錨梁裂縫分布圖(左半段)

圖5 巖錨梁裂縫分布圖(右半段)

圖6 巖錨梁橫向裂縫影像圖 圖7 巖錨梁縱向裂縫影像圖

2 巖錨梁裂縫成因分析[1-4]

巖錨梁產(chǎn)生裂縫的原因是多方面的，從混凝土自身因素來(lái)看，有混凝土抗拉強(qiáng)度低和施工中溫度應(yīng)力大等方面的影響；從外部因素來(lái)看，有基礎(chǔ)圍巖的不均勻變形、錨固系統(tǒng)約束、下層洞室圍巖的爆破開(kāi)挖以及爆破飛石對(duì)已澆梁體的擊損等幾方面的影響。根據(jù)收集的資料，從以下幾方面對(duì)巖錨梁產(chǎn)生裂縫的原因進(jìn)行系統(tǒng)分析研究，具體如下。

2.1 混凝土配合比

巖錨梁混凝土設(shè)計(jì)指標(biāo)為C30F100，28 d極限拉伸值≥85×10-6。巖錨梁的配合比經(jīng)過(guò)施工單位、監(jiān)理單位及第三方復(fù)核，均符合設(shè)計(jì)技術(shù)要求。施工過(guò)程中，監(jiān)理及第三方對(duì)巖錨梁混凝土性能進(jìn)行了檢測(cè)，巖錨梁混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度在2.53～3.38 MPa，平均值2.99 MPa。巖錨梁混凝土配合比的設(shè)計(jì)指標(biāo)與同類工程相似，施工配合比合適，混凝土抗拉性能良好。

2.2 混凝土內(nèi)部溫度

巖錨梁澆筑時(shí)段為2014-09-10日～2014-11-19日，主要采用吊罐、布料機(jī)及混凝土泵三種手段入倉(cāng)，底部?jī)蓪?每層厚度約0.5 m)澆筑坍落度16～18 cm混凝土，其余均澆筑坍落度12～14 cm混凝土。巖錨梁混凝土每倉(cāng)鋪設(shè)一組冷卻水管，在混凝土澆筑時(shí)即通12～14℃制冷水，通水時(shí)間一般為7～12 d。巖錨梁上下游梁體共埋設(shè)17支溫度計(jì)觀測(cè)混凝土內(nèi)部溫度。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析，15個(gè)布置溫度計(jì)的混凝土澆筑倉(cāng)，超溫的有13倉(cāng)，其中超溫且有裂縫的5倉(cāng)，占比不到40%；未超溫的有2倉(cāng)，1倉(cāng)有裂縫，1倉(cāng)無(wú)裂縫。上游巖錨梁第5段超溫情況最嚴(yán)重，最高溫度達(dá)50.82℃，超設(shè)計(jì)允許最高溫度10.82℃，但僅出現(xiàn)1條非貫穿性裂縫，而上游巖錨梁第1、11、15段，僅超設(shè)計(jì)允許最高溫度6.4℃、3.65℃、0.31℃，卻出現(xiàn)4條貫穿性裂縫、5條非貫穿性裂縫。由此可見(jiàn)，巖錨梁內(nèi)部溫度超溫及超溫嚴(yán)重程度與裂縫產(chǎn)生及其嚴(yán)重程度沒(méi)有必然聯(lián)系。

2.3 爆破震動(dòng)

主廠房巖錨梁以下部位開(kāi)挖時(shí)，對(duì)巖錨梁進(jìn)行了8次爆破質(zhì)點(diǎn)振速監(jiān)測(cè)，共30個(gè)測(cè)點(diǎn)。其中超標(biāo)部位4個(gè)，超標(biāo)測(cè)點(diǎn)數(shù)11個(gè)，超標(biāo)部位及對(duì)應(yīng)的裂縫情況見(jiàn)表1。

表1 爆破質(zhì)點(diǎn)振速超標(biāo)與裂縫情況統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)統(tǒng)計(jì)爆破部位10 m范圍內(nèi)的巖錨梁裂縫的情況，質(zhì)點(diǎn)振速超標(biāo)部位(如Yc1+051 m～Yc1+060 m、Yc1+085 m～Yc1+095 m)，出現(xiàn)橫向和縱向裂縫；質(zhì)點(diǎn)振速未超標(biāo)部位(如Yc1+127 m～Yc1+137 m、Yc1+200 m～Yc1+210 m、Yc1+290.0 m～Yc1+298.0 m)，也出現(xiàn)橫向和縱向裂縫，且數(shù)量較超標(biāo)部位更多。因此，爆破質(zhì)點(diǎn)振速是否超標(biāo)與巖錨梁裂縫產(chǎn)生不存在必然聯(lián)系(見(jiàn)圖8)。

圖8 爆破質(zhì)點(diǎn)振速超標(biāo)情況與裂縫情況對(duì)比圖

2.4 圍巖變形

2.4.1 圍巖變形對(duì)橫向裂縫的影響

2016年6月，主廠房開(kāi)挖完成。根據(jù)多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，上游巖錨梁部位圍巖累計(jì)變形在0.65～29.65 mm，最小值出現(xiàn)在1號(hào)機(jī)巖錨梁(儀器編號(hào)M14Z01)，最大值出現(xiàn)在2號(hào)機(jī)巖錨梁(儀器編號(hào)M04Z02)。下游巖錨梁部位圍巖累計(jì)變形在6.58～30.77 mm，最小值出現(xiàn)在3號(hào)機(jī)巖錨梁(儀器編號(hào)M16Z03)，最大值出現(xiàn)在4號(hào)機(jī)巖錨梁(儀器編號(hào)M05Z04)。巖錨梁部位巖體差異變形顯著(見(jiàn)圖9～圖10)，巖錨梁產(chǎn)生多條橫向裂縫與其所在部位巖體的差異變形有關(guān)聯(lián)性。

圖9 上游巖錨梁多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)位移圖

圖10 下游巖錨梁多點(diǎn)位移計(jì)累計(jì)位移圖

2.4.2 圍巖變形對(duì)縱向裂縫的影響

統(tǒng)計(jì)分析巖錨梁測(cè)縫計(jì)與多點(diǎn)位移計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)變化過(guò)程線可知，測(cè)縫計(jì)開(kāi)合度發(fā)生較明顯變化時(shí)，多點(diǎn)位移計(jì)孔口位移、錨索測(cè)力計(jì)錨固力也發(fā)生明顯變化，如，2015-01-01日至1月8日，4號(hào)機(jī)上游巖錨梁圍巖變形7.10 mm，開(kāi)合度分別增加0.27 mm和0.22 mm；2015-08-27日至9月3日，4號(hào)機(jī)下游巖錨梁圍巖變形4.64 mm，開(kāi)合度分別增加0.20 mm和0.67 mm；2015-05-13日至5月22日，5號(hào)機(jī)下游巖錨梁圍巖變形2.95 mm，開(kāi)合度增加0.48 mm?？梢?jiàn)，巖錨梁縱向裂縫與圍巖變形有明顯關(guān)聯(lián)性(見(jiàn)圖11～圖15)。

圖11 左岸4號(hào)機(jī)上游巖錨梁測(cè)縫計(jì)與多點(diǎn)位移計(jì)(M04Z04)變化過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D

圖12 左岸4號(hào)機(jī)上游巖錨梁測(cè)縫計(jì)與錨索測(cè)力計(jì)變化過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D

圖13 左岸4號(hào)機(jī)下游巖錨梁測(cè)縫計(jì)與多點(diǎn)位移計(jì)(M05Z04)變化過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D

圖14 左岸5號(hào)機(jī)下游巖錨梁測(cè)縫計(jì)與多點(diǎn)位移計(jì)(M13Z05)變化過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D

圖15 左岸5號(hào)機(jī)下游巖錨梁測(cè)縫計(jì)與錨索測(cè)力計(jì)變化過(guò)程線對(duì)照?qǐng)D

2.5 結(jié)構(gòu)分縫

1)強(qiáng)約束區(qū)。上游巖錨梁兩端頭及下游巖錨梁靠江側(cè)端頭，均處于強(qiáng)約束區(qū)。上游巖錨梁兩端頭均未發(fā)現(xiàn)地質(zhì)缺陷，下游巖錨梁靠江側(cè)端頭附近Yc1+302 m～325 m，高程843～765 m范圍為小夾角(≤20°)區(qū)域。上游巖錨梁靠江側(cè)端頭25 m范圍內(nèi)分別在樁號(hào)Yc1+326.00 m及Yc1+314.50 m處設(shè)置了2道伸縮縫，靠江側(cè)端頭25 m范圍內(nèi)未發(fā)現(xiàn)裂縫；而靠山側(cè)端頭僅在樁號(hào)Yc1+025.00 m處設(shè)置了伸縮縫，其8 m范圍內(nèi)出現(xiàn)了3條裂縫，其中1條為貫穿性裂縫。下游巖錨梁靠江側(cè)端頭25 m范圍內(nèi)僅在樁號(hào)Yc1+326.00 m設(shè)置了伸縮縫，因其處于小夾角部位，且下部電纜廊道距巖錨梁僅8 m，出現(xiàn)了2條非貫穿性裂縫。因此在強(qiáng)約束區(qū)，伸縮縫設(shè)置與巖錨梁裂縫有關(guān)聯(lián)性。

2)巖層性狀變化區(qū)。Pt2l2-3中厚層夾互層大理巖化白云巖與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在上游巖錨梁的分界線位于樁號(hào)Yc1+140.00 m附近，該部位未設(shè)置伸縮縫，其附近產(chǎn)生了1條貫穿性橫向裂縫；Pt2l2-3中厚層夾互層大理巖化白云巖與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在下游巖錨梁的分界線位于樁號(hào)Yc1+103.00 m附近，該部位也未設(shè)置伸縮縫，其附近產(chǎn)生了6條橫向裂縫，其中4條為貫穿性裂縫。Pt2l3-2中厚～厚層白云巖、灰?guī)r與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在下游巖錨梁的分界線位于樁號(hào)Yc1+268.70 m附近，距離最近的伸縮縫樁號(hào)為Yc1+264.50 m，該處未出現(xiàn)橫向裂縫。因此在巖層性狀變化區(qū)，伸縮縫設(shè)置與巖錨梁裂縫有關(guān)聯(lián)性。

3)B類角礫巖區(qū)。B類角礫巖位于上游巖錨梁Yc1+285 m～294 m、下游巖錨梁Yc1+235 m～268 m，上游巖錨梁對(duì)應(yīng)部位設(shè)置了2條伸縮縫，下游巖錨梁對(duì)應(yīng)部位設(shè)置了3條伸縮縫，上述部位均未出現(xiàn)橫向裂縫。因此在B類角礫巖區(qū)，伸縮縫設(shè)置與巖錨梁裂縫有關(guān)聯(lián)性。

4)小夾角區(qū)。小夾角區(qū)上游巖錨梁對(duì)應(yīng)部位設(shè)置了2條伸縮縫，分別在Yc1+196 m、Yc1+226 m，但zf48塊體范圍Yc1+213 m～218 m未設(shè)置伸縮縫，其附近出現(xiàn)3條非貫穿性裂縫。小夾角區(qū)下游巖錨梁對(duì)應(yīng)部位設(shè)置了2條伸縮縫，分別在Yc1+285 m、Yc1+326 m，但因上述2條伸縮縫距離太遠(yuǎn)(達(dá)41 m)，加上該部位下部距離不到8 m處存在電纜廊道，出現(xiàn)了3條非貫穿性裂縫，樁號(hào)分別為Yc1+304 m、Yc1+311 m、Yc1+320 m。因此，小夾角區(qū)，伸縮縫設(shè)置與巖錨梁裂縫有關(guān)聯(lián)性。

3 結(jié) 語(yǔ)

地下電站巖錨梁裂縫產(chǎn)生原因復(fù)雜多樣，A水電站左岸主廠房巖錨梁裂縫的產(chǎn)生與圍巖差異變形、伸縮縫設(shè)置有關(guān)聯(lián)性。因此，為防止地下電站巖錨梁出現(xiàn)裂縫，一方面需防止圍巖出現(xiàn)大變形和不均勻變形；另一方面需根據(jù)巖錨梁部位的地質(zhì)條件及下部的洞室布置情況合理設(shè)置伸縮縫。