豐寧抽水能蓄電站地下廠房混凝土裂縫分析及處理措施

張正榮，錢信超，嚴 何

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司工程實驗監測院，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。工程裝機容量3600 MW，為一等工程，大（1）型規模。分兩期建設，本期裝機容量1800 MW，安裝6臺單機容量為300 MW的可逆式水泵水輪機組。樞紐工程建筑物主要由上水庫、水道系統、地下廠房系統、蓄能專用下水庫及攔沙庫等組成。地下廠房系統均布置于山體中，三大洞室平行布置。地下廠房軸線方向為SN，埋深為245 m～315 m，廠房總尺寸為地下廠房河室總開挖尺可為 414.0 m×25.0 m×54.5.0 m(長×寬×高)，二期廠房開挖尺寸為171.5 m×25 m×54.5 m。地下廠房軸線方向為SN，埋深為245 mm～315 mm。巖性為微風化中粗粒花崗巖，廠房四周均有斷層發育，上游為f363，下游為f347、f348，左側為f375，右側為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。

廠區的裂隙較為發育，按走向可分為NE和NW兩組，均為共軛的剪切節理。地下廠房及主變室圍巖較完整，巖體以塊狀結構為主，局部為次塊狀結構或整體狀結構。廠房圍巖屬Ⅲ類偏好，即以Ⅲa為主，局部為Ⅲb或Ⅲc，斷層出露部位為Ⅳ類。

最大水平主應力值多在12MPa～18MPa，最大水平主應力方向為NE69～83°，表明工程區現今構造應力場為以NEE～EW方向為主。

2 安全監測儀器布置情況

二期地下廠房（樁號廠左0+206.50～廠左0+378.00）設3個主監測斷面，4個輔助監測斷面。主斷面編號分別為：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）。除主監測斷面頂拱有滲壓計外，7個斷面均布置有多點位移計、錨桿應力計、錨索測力計、收斂測點。

圍巖變形監測采用四點式多點位移，圍巖支護監測采用錨桿應力計及錨索測力計。儀器型號為振弦式，量程0 mm～100 mm，靈度0.025%F.S，非線性≤05%F.S，溫度范圍-20℃～80℃。錨桿應力計 Re-4，量程-100～400 MPa，見圖 1。

圖1 廠左0+222斷面監測儀器布置情況圖

3 圍巖變形監測觀測成果及巡視檢查結果

主廠房分九層開挖，于2016年6月開始，2017年9月，完成第Ⅲ層開挖，2017年10月18日位移觀測結果顯示，監測斷面位移周變化量-0.08 mm～37.38 mm，其中廠左0+222斷面上游邊墻多點位移計Me-4變化37.38 mm，累計位移66.14 mm（見表1）。

表1 廠左0+222.00斷面位移監測成果表

針對多點位移計Me-4位移突變情況，監測單位及時向相關單位發出了預警，引起了高度重視，隨后由監理組織進行外觀檢查，現場檢查發現在廠左0+218.00～廠左0+228.00段，EL1001.00-1002.00部位出現連續水平裂縫，長度約10 m，裂縫寬度2 mm～20 mm，局部有錯臺現象，裂縫處局部混凝土被壓碎，見圖2。

圖2 地質斷層及裂縫位置

4 裂縫原因分析

4.1 圍巖變形監測成果分析

該斷面上游邊墻EL999.00多點位移計編號為Me-4，4個測點的深度分別為 2 m、5 m、10 m、17.5 m，相應測點編號為 1、2、3、4，對應測點儀器編號為Me-4-1～Me-4-4。2017年10月18日4個測點測得累計位移分別為8.04 mm，27.95 mm，/mm（盲區），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號測點出現位移突變，孔口累計位移量達到66.14 mm。由于3#測點出現盲區，對精確判斷位移具體深度造成了困難，初步判斷認為距孔口5.0 m～17.5 m段圍巖位移發生了突變。與瀑布溝等工程類似[1]，最大變形發生在邊墻巖錨梁附近。

4.2 地質構造原因分析

地質資料顯示，該洞段發育有f3014和F375兩條規模較大斷層,地質情況見表2：

表2 地質情況描述

廠左0+218.00～廠左0+228.00段上游側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，巖石強度較低。該主結構面對圍巖變形具有控制作用。

為了進一步尋找圍巖變形原因和為后續圍巖加強支護方案提供設計依據，在多點位移計Me-4附近布置了一個勘探孔，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。勘探結果為：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、閉合裂隙發育,孔壁巖體較破碎。進一步說明變形區域巖體地質構造不良對變形的影響。

4.3 地應力影響

在深埋的掩體中開挖洞室過程中，地應力與洞室軸線的關系對圍巖穩定具有決定性的影響，因此相關規范對地下洞室布置做了明確的原則規定“隧洞的軸線方向宜與最大水平地應力方向有較小交角[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、錦屏一級電站等均為銳角相交。由于地質構造原因，經綜合比較，本工程主廠房選擇了最大水平主應力作用線與廠房軸線成80°相交，接近垂直的布置方案，與規范規定和類似工程比較交角偏大，對圍巖的穩定不利。受地應力的影響，巖體開挖后在拱座處形成很大的應力集中，當應力超過超過圍巖的承載能力時，洞壁受壓剪脹，噴層混凝土產生鼓裂破壞。

4.4 施工原因分析

圍巖變形、應力的發展過程，其關聯性還表現在對施工開挖的響應上[3]，其變化過程與安全監測部位附近的開挖放炮、施工擾動密切相關。從變形～時間關系曲線來看是不連續的，呈階梯狀。通過位移～時間關系曲線（見圖3）的分析發現，2017年曾出現過3次突變，時間分別在2017年5月9日、7月28日和10月18日，根據現場記載，前兩次突變均發生在廠房第Ⅱ、Ⅲ層開挖過程中，爆破后一周內，受震動影響所致。而后一次大的突變則是發生在停工期間（10月27日復工），從第二次突變后至本次突變，反映了圍巖的應力積累過程，變形的時間效應明顯。

開挖后在上游拱肩處形成很大的應力集中，引起圍巖應力重新發布，頂拱、邊墻逐步產生型塑性變形,如果在開挖后及時采取支護措施，對控制圍巖的變形具有重要意義。在這一關鍵環節，由于各種因素影響不能及時按設計要求完成支護，或由于支護施工質量等原因，導致支護措施不能有效的節制圍巖變形，也會造成圍巖前期變形過大。

圖3 圍巖位移過程線

4.5 上下游邊墻不均勻變形

觀測結果顯示，上、下游邊墻多點位移計Me-4和Me-5累計變形分別為66.14 mm；下游為11.24 mm，差值為54.90 mm，過大的變形差異使上游邊墻受壓過大，導致混凝土噴層破壞。

5 處理措施及效果

5.1 安全監測措施

為及時掌握后續變形發展規律，科學指導施工，在位移發生突變后，進行了加密觀測，觀測間隔時間根據觀測目的、工程需要和巖體位移情況確定[4],由原來的每周一次增加到每天1次，并將每次的監測結果及時通知相關部門，直至圍巖變形平穩后方可恢復正常觀測頻次。因多點位移計Me-4中4#測點即將超過有效量程，2017年11月19日在廠左0+223.00，EL997.00補裝了一套同樣類型的多點變位計Mcd-1（*），以保證后續安全監測工作正常進行。

5.2 圍巖補強加固措施

圍巖補強加固方案需根據圍巖變形觀測結果反映的變形深度和巖體地質工作情況確定，方能達到即經濟又合理的的目的，由于圍巖位移距離觀測孔口較深；補充勘探結果又表明圍巖0 m～17.5 m范圍內地質條件較差，因此需采用深部補強加固方案，具體方案為：拱座部位采用增加錨索+鋼筋肋梁進行加強支護。加固參數為：錨桿Φ28，長度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，掛鋼筋網后采用C30噴鋼纖維混凝土，厚度15 cm。

5.4 處理效果

相關補強加固支護措施于2017年12月完成，突變后歷經3個月的觀測，兩套多點位位移計變化速率小于1 mm/月，目前已經收斂。附近噴層混凝土也沒有出現新的裂縫、掉塊等現象，后續施工正常。

6 結語

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

（2）根據變形深度和地質勘探結果，采取的加固措施是合適有效的。安全監測工作為在本次裂縫發現及處理中起到了關鍵性的作用。