張正榮，錢(qián)信超，嚴(yán) 何

（中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司工程實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)院，陜西 西安 710043）

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北省豐寧滿族自治縣境內(nèi)。工程裝機(jī)容量3600 MW，為一等工程，大（1）型規(guī)模。分兩期建設(shè)，本期裝機(jī)容量1800 MW，安裝6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW的可逆式水泵水輪機(jī)組。樞紐工程建筑物主要由上水庫(kù)、水道系統(tǒng)、地下廠房系統(tǒng)、蓄能專(zhuān)用下水庫(kù)及攔沙庫(kù)等組成。地下廠房系統(tǒng)均布置于山體中，三大洞室平行布置。地下廠房軸線方向?yàn)镾N，埋深為245 m～315 m，廠房總尺寸為地下廠房河室總開(kāi)挖尺可為 414.0 m×25.0 m×54.5.0 m(長(zhǎng)×寬×高)，二期廠房開(kāi)挖尺寸為171.5 m×25 m×54.5 m。地下廠房軸線方向?yàn)镾N，埋深為245 mm～315 mm。巖性為微風(fēng)化中粗粒花崗巖，廠房四周均有斷層發(fā)育，上游為f363，下游為f347、f348，左側(cè)為f375，右側(cè)為f350，廠房及主變室即位于上述斷層所圍地塊中，但上述斷層均未切割主體建筑物。

廠區(qū)的裂隙較為發(fā)育，按走向可分為NE和NW兩組，均為共軛的剪切節(jié)理。地下廠房及主變室圍巖較完整，巖體以塊狀結(jié)構(gòu)為主，局部為次塊狀結(jié)構(gòu)或整體狀結(jié)構(gòu)。廠房圍巖屬Ⅲ類(lèi)偏好，即以Ⅲa為主，局部為Ⅲb或Ⅲc，斷層出露部位為Ⅳ類(lèi)。

最大水平主應(yīng)力值多在12MPa～18MPa，最大水平主應(yīng)力方向?yàn)镹E69～83°，表明工程區(qū)現(xiàn)今構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)為以NEE～EW方向?yàn)橹鳌?/p>

2 安全監(jiān)測(cè)儀器布置情況

二期地下廠房（樁號(hào)廠左0+206.50～廠左0+378.00）設(shè)3個(gè)主監(jiān)測(cè)斷面，4個(gè)輔助監(jiān)測(cè)斷面。主斷面編號(hào)分別為：V-V（廠左0+246）、VI-VI（廠左 0+294）、VII-VII（廠左 0+342），輔助斷面編號(hào)分別為：e-e（廠左0+222）、f-f（廠左0+270）、g-g（廠左0+318）、h-h（廠左0+368）。除主監(jiān)測(cè)斷面頂拱有滲壓計(jì)外，7個(gè)斷面均布置有多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)、收斂測(cè)點(diǎn)。

圍巖變形監(jiān)測(cè)采用四點(diǎn)式多點(diǎn)位移，圍巖支護(hù)監(jiān)測(cè)采用錨桿應(yīng)力計(jì)及錨索測(cè)力計(jì)。儀器型號(hào)為振弦式，量程0 mm～100 mm，靈度0.025%F.S，非線性≤05%F.S，溫度范圍-20℃～80℃。錨桿應(yīng)力計(jì) Re-4，量程-100～400 MPa，見(jiàn)圖 1。

圖1 廠左0+222斷面監(jiān)測(cè)儀器布置情況圖

3 圍巖變形監(jiān)測(cè)觀測(cè)成果及巡視檢查結(jié)果

主廠房分九層開(kāi)挖，于2016年6月開(kāi)始，2017年9月，完成第Ⅲ層開(kāi)挖，2017年10月18日位移觀測(cè)結(jié)果顯示，監(jiān)測(cè)斷面位移周變化量-0.08 mm～37.38 mm，其中廠左0+222斷面上游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Me-4變化37.38 mm，累計(jì)位移66.14 mm（見(jiàn)表1）。

表1 廠左0+222.00斷面位移監(jiān)測(cè)成果表

針對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)Me-4位移突變情況，監(jiān)測(cè)單位及時(shí)向相關(guān)單位發(fā)出了預(yù)警，引起了高度重視，隨后由監(jiān)理組織進(jìn)行外觀檢查，現(xiàn)場(chǎng)檢查發(fā)現(xiàn)在廠左0+218.00～廠左0+228.00段，EL1001.00-1002.00部位出現(xiàn)連續(xù)水平裂縫，長(zhǎng)度約10 m，裂縫寬度2 mm～20 mm，局部有錯(cuò)臺(tái)現(xiàn)象，裂縫處局部混凝土被壓碎，見(jiàn)圖2。

圖2 地質(zhì)斷層及裂縫位置

4 裂縫原因分析

4.1 圍巖變形監(jiān)測(cè)成果分析

該斷面上游邊墻EL999.00多點(diǎn)位移計(jì)編號(hào)為Me-4，4個(gè)測(cè)點(diǎn)的深度分別為 2 m、5 m、10 m、17.5 m，相應(yīng)測(cè)點(diǎn)編號(hào)為 1、2、3、4，對(duì)應(yīng)測(cè)點(diǎn)儀器編號(hào)為Me-4-1～Me-4-4。2017年10月18日4個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得累計(jì)位移分別為8.04 mm，27.95 mm，/mm（盲區(qū)），66.14 mm，位移量較上一周分別增加了0.10 mm、0.28 mm、/mm，37.38 mm，其中4號(hào)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)位移突變，孔口累計(jì)位移量達(dá)到66.14 mm。由于3#測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)盲區(qū)，對(duì)精確判斷位移具體深度造成了困難，初步判斷認(rèn)為距孔口5.0 m～17.5 m段圍巖位移發(fā)生了突變。與瀑布溝等工程類(lèi)似[1]，最大變形發(fā)生在邊墻巖錨梁附近。

4.2 地質(zhì)構(gòu)造原因分析

地質(zhì)資料顯示，該洞段發(fā)育有f3014和F375兩條規(guī)模較大斷層,地質(zhì)情況見(jiàn)表2：

表2 地質(zhì)情況描述

廠左0+218.00～廠左0+228.00段上游側(cè)拱座部位為上述兩條斷層交匯處,如圖2，已形成鍥形體，受斷層及其影響帶影響，巖石強(qiáng)度較低。該主結(jié)構(gòu)面對(duì)圍巖變形具有控制作用。

為了進(jìn)一步尋找圍巖變形原因和為后續(xù)圍巖加強(qiáng)支護(hù)方案提供設(shè)計(jì)依據(jù)，在多點(diǎn)位移計(jì)Me-4附近布置了一個(gè)勘探孔，受已澆筑的巖錨梁影響，鉆孔位置在上游邊墻廠左0+223.00、EL999.00處?？碧浇Y(jié)果為：1.8 m～1.9 m、5.7 m～6.6 m、11.8 m～12.7 m、16.9 m～17.0 m、17.3 m～17.5 m等孔段微張～張開(kāi)、閉合裂隙發(fā)育,孔壁巖體較破碎。進(jìn)一步說(shuō)明變形區(qū)域巖體地質(zhì)構(gòu)造不良對(duì)變形的影響。

4.3 地應(yīng)力影響

在深埋的掩體中開(kāi)挖洞室過(guò)程中，地應(yīng)力與洞室軸線的關(guān)系對(duì)圍巖穩(wěn)定具有決定性的影響，因此相關(guān)規(guī)范對(duì)地下洞室布置做了明確的原則規(guī)定“隧洞的軸線方向宜與最大水平地應(yīng)力方向有較小交角[2]”。在已建的大型工程中，基本遵循了這一原則，如溪洛渡電站、錦屏一級(jí)電站等均為銳角相交。由于地質(zhì)構(gòu)造原因，經(jīng)綜合比較，本工程主廠房選擇了最大水平主應(yīng)力作用線與廠房軸線成80°相交，接近垂直的布置方案，與規(guī)范規(guī)定和類(lèi)似工程比較交角偏大，對(duì)圍巖的穩(wěn)定不利。受地應(yīng)力的影響，巖體開(kāi)挖后在拱座處形成很大的應(yīng)力集中，當(dāng)應(yīng)力超過(guò)超過(guò)圍巖的承載能力時(shí)，洞壁受壓剪脹，噴層混凝土產(chǎn)生鼓裂破壞。

4.4 施工原因分析

圍巖變形、應(yīng)力的發(fā)展過(guò)程，其關(guān)聯(lián)性還表現(xiàn)在對(duì)施工開(kāi)挖的響應(yīng)上[3]，其變化過(guò)程與安全監(jiān)測(cè)部位附近的開(kāi)挖放炮、施工擾動(dòng)密切相關(guān)。從變形～時(shí)間關(guān)系曲線來(lái)看是不連續(xù)的，呈階梯狀。通過(guò)位移～時(shí)間關(guān)系曲線（見(jiàn)圖3）的分析發(fā)現(xiàn)，2017年曾出現(xiàn)過(guò)3次突變，時(shí)間分別在2017年5月9日、7月28日和10月18日，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)記載，前兩次突變均發(fā)生在廠房第Ⅱ、Ⅲ層開(kāi)挖過(guò)程中，爆破后一周內(nèi)，受震動(dòng)影響所致。而后一次大的突變則是發(fā)生在停工期間（10月27日復(fù)工），從第二次突變后至本次突變，反映了圍巖的應(yīng)力積累過(guò)程，變形的時(shí)間效應(yīng)明顯。

開(kāi)挖后在上游拱肩處形成很大的應(yīng)力集中，引起圍巖應(yīng)力重新發(fā)布，頂拱、邊墻逐步產(chǎn)生型塑性變形,如果在開(kāi)挖后及時(shí)采取支護(hù)措施，對(duì)控制圍巖的變形具有重要意義。在這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，由于各種因素影響不能及時(shí)按設(shè)計(jì)要求完成支護(hù)，或由于支護(hù)施工質(zhì)量等原因，導(dǎo)致支護(hù)措施不能有效的節(jié)制圍巖變形，也會(huì)造成圍巖前期變形過(guò)大。

圖3 圍巖位移過(guò)程線

4.5 上下游邊墻不均勻變形

觀測(cè)結(jié)果顯示，上、下游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Me-4和Me-5累計(jì)變形分別為66.14 mm；下游為11.24 mm，差值為54.90 mm，過(guò)大的變形差異使上游邊墻受壓過(guò)大，導(dǎo)致混凝土噴層破壞。

5 處理措施及效果

5.1 安全監(jiān)測(cè)措施

為及時(shí)掌握后續(xù)變形發(fā)展規(guī)律，科學(xué)指導(dǎo)施工，在位移發(fā)生突變后，進(jìn)行了加密觀測(cè)，觀測(cè)間隔時(shí)間根據(jù)觀測(cè)目的、工程需要和巖體位移情況確定[4],由原來(lái)的每周一次增加到每天1次，并將每次的監(jiān)測(cè)結(jié)果及時(shí)通知相關(guān)部門(mén)，直至圍巖變形平穩(wěn)后方可恢復(fù)正常觀測(cè)頻次。因多點(diǎn)位移計(jì)Me-4中4#測(cè)點(diǎn)即將超過(guò)有效量程，2017年11月19日在廠左0+223.00，EL997.00補(bǔ)裝了一套同樣類(lèi)型的多點(diǎn)變位計(jì)Mcd-1（*），以保證后續(xù)安全監(jiān)測(cè)工作正常進(jìn)行。

5.2 圍巖補(bǔ)強(qiáng)加固措施

圍巖補(bǔ)強(qiáng)加固方案需根據(jù)圍巖變形觀測(cè)結(jié)果反映的變形深度和巖體地質(zhì)工作情況確定，方能達(dá)到即經(jīng)濟(jì)又合理的的目的，由于圍巖位移距離觀測(cè)孔口較深；補(bǔ)充勘探結(jié)果又表明圍巖0 m～17.5 m范圍內(nèi)地質(zhì)條件較差，因此需采用深部補(bǔ)強(qiáng)加固方案，具體方案為：拱座部位采用增加錨索+鋼筋肋梁進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)。加固參數(shù)為：錨桿Φ28，長(zhǎng)度L=5/7 m，間距1.5 m×1.5 m，錨索L=20 m，T=1000 kN,等距離布置。

5.3 裂縫處理措施

將裂縫兩邊混凝土鑿除干凈，掛鋼筋網(wǎng)后采用C30噴鋼纖維混凝土，厚度15 cm。

5.4 處理效果

相關(guān)補(bǔ)強(qiáng)加固支護(hù)措施于2017年12月完成，突變后歷經(jīng)3個(gè)月的觀測(cè)，兩套多點(diǎn)位位移計(jì)變化速率小于1 mm/月，目前已經(jīng)收斂。附近噴層混凝土也沒(méi)有出現(xiàn)新的裂縫、掉塊等現(xiàn)象，后續(xù)施工正常。

6 結(jié)語(yǔ)

（1）造成廠左0+222.00上游拱角變形大的本質(zhì)原因廠區(qū)裂隙發(fā)育、巖石破碎、巖脈的的存在及主要地應(yīng)力方向與廠房軸線大角度相交。誘因是廠房洞室的開(kāi)挖爆破，下挖過(guò)程中引起應(yīng)力集中，上下游邊墻變形差異過(guò)大，而支護(hù)措施又不能有效的抑制圍巖變形，導(dǎo)致噴混凝土受壓破壞。

（2）根據(jù)變形深度和地質(zhì)勘探結(jié)果，采取的加固措施是合適有效的。安全監(jiān)測(cè)工作為在本次裂縫發(fā)現(xiàn)及處理中起到了關(guān)鍵性的作用。