豐寧抽水蓄能電站二期地下廠房施工期圍巖安全監測分析

呂風英，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院 水利部巖土力學與工程重點試驗室， 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水電站的重要組成單元，在山體內開挖規模宏大的地下空間，將引起洞室群圍巖體的強烈卸荷和應力調整，因此在施工期針對圍巖開展一系列監測并及時分析其穩定性，是修建大型地下廠房洞室群的一項重要工作。

河北豐寧抽水蓄能電站是目前世界上裝機規模最大的抽蓄電站，其二期工程地下廠房開挖尺寸大，圍巖巖性復雜，具有較強的蝕變性，且區域斷層和長大裂隙等結構面發育，這使施工期地下洞室群圍巖的變形特征和穩定性變得復雜[1-8]。工程經驗表明，圍巖位移和支護受力情況是地下工程穩定性的直接指標，對位移和支護受力情況進行實時監測符合工程動態設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位移計、錨桿應力計和錨索測力計等監測儀器，以掌握二期地下廠房洞室群圍巖變形和支護受力情況，分析其穩定性。本文就豐寧二期抽水蓄能電站主要監測資料進行整理，并分析和評價豐寧二期抽蓄電站地下廠房洞室群的穩定性。

1 工程概況和圍巖安全監測方案

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，距離北京市和承德市直線距離分別為180 km、150 km。電站規劃裝機容量3 600 MW，為一等工程，大(1)型規模，電站分兩期建設，一期工程裝機容量1 800 MW，二期工程裝機容量1 800 MW。

電站地下廠房系統位于水道系統中部，由主廠房洞、主變洞、交通洞、1#、2#通風洞、母線洞、排水廊道、排風豎井、1#、2#出線洞、1#、2#出線豎井、地面開關站等建筑物組成。一期、二期主副廠房、安裝場和主機間呈“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，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，主要包含2#主副廠房、安裝場、2#主變洞、7#—12#主機間、7#—12#母線洞等建筑。

1.2 工程地質條件

地下廠房軸線為近SN向，上覆巖體厚度250 m～330 m。地下廠房系統巖性主要為三疊干溝門單元中粗粒花崗，巖石具花崗結構，碎裂結構，塊狀構造。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、裂隙密集發育部位及巖體蝕變較強部位的圍巖為IV類。

根據廠房編錄資料，廠房區編錄斷層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。廠區裂隙發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離斷層部位，不同區域裂隙產狀也稍有變化。長大裂隙面存在不同程度的蝕變，根據編錄資料統計，具有蝕變現象的裂隙占裂隙總數的27.6%。

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

1.3 廠房開挖支護情況和監測布置

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)已開挖支護完成，主變洞I層—III層(高程982 m～1 004 m)開挖支護基本完成，巖壁梁混凝土澆筑全部完成，母線洞開挖正在進行。二期主廠房和主變室共布置了7個系統性監測斷面，分別位于廠左0+222(7#機組中心線)、廠左0+246(8#機組中心線)、廠左0+270(9#機組中心線)、廠左0+294(10#機組中心線)、廠左0+318(11#機組中心線)、廠左0+342(12#機組中心線)、廠左0+368(副廠房)。在主廠房監測斷面上共布置48個四點式多點位移計，埋深分10 m和13 m兩種；并埋設52個錨桿應力計和32個錨索測力計。在主變室的監測斷面上共布置28個四點式多點位移計，埋深分9 m和10 m兩種；并埋設28個錨桿應力計和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 主廠房監測結果分析

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測值為76.44 mm，出現在廠左0+270截面下游邊墻的999 m高程部位。從總體分布規律來看，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的監測截面上，上下游邊墻圍巖變形基本相當。

圖2 主廠房上游側表層圍巖變形分布(單位：mm)

圖3 主廠房下游側表層圍巖變形分布(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，最大值出現在廠左0+342斷面的拱頂部位。在布置的7個監測截面中，有5個截面的拱頂圍巖變形都大于截面內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測點應力值相對更大。但是，廠左0+294截面和廠左0+368截面的端墻部位內，有較多4 m測點的錨桿應力值比2 m測點的應力值更大，這主要是由于圍巖受到開挖面附近節理裂隙等結構面的影響所致。從錨桿應力時程曲線看，其應力增長或劇烈變化的時間段，與其所在的監測斷面及鄰近洞段的施工開挖活動時間具有顯著的關聯性。目前，錨桿應力時程曲線已經收斂。

圖5 主廠房錨桿不同應力水平比例

圖6 主廠房錨桿應力不同深度測點不同量級的比例

2.3 錨索受力分析

目前，主廠房錨索錨固力均未達到其設計荷載。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，相對實際鎖定值，應力增加和松弛的錨索數分別占總錨索數的76.67%、23.33%。

在受力增長的錨索中，在超過鎖定值的錨索數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。在預應力損失松弛的錨索中，錨索預應力損失率一般在10%以內，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

3 主變室監測結果分析

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測值為76.66 mm，出現部位為廠左0+246截面內的上游邊墻997 m高程。從分布規律來看，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外，其他監測截面內均是上游側邊墻圍巖變形大于下游側。

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出現在廠左0+246截面內的上游邊墻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也出現在廠左0+246截面內的下游邊墻997 m高程部位。對比不同監測截面邊墻區域的圍巖變形監測值，可知廠左0+222和廠左0+246監測截面的圍巖變形量值較大，均超過50 mm，其他監測截面的圍巖變形量值均在35 mm以內。

圖8 主變室上游側表層圍巖變形分布(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，占7%；在100 MPa～200 MPa之間的有10個測點，占22%；小于100 MPa的有32個測點，占71%。如圖12所示，按深度方向分析：主變室錨桿在2 m深度應力在200 MPa～256 MPa之間的占4%，應力在100 MPa～200 MPa之間的占24%，應力小于100 MPa的占72%；在4 m深度應力在200 MPa～256 MPa之間的占11%，應力在100 MPa～200 MPa之間的占22%，應力小于100 MPa的占67%。

圖9 主變室下游側表層圍巖變形分布(單位：mm)

圖10 主變室各監測斷面洞周表層圍巖變形最大值柱狀圖

圖11 主變室錨桿不同應力水平比例

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

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，相對實際鎖定值，應力增加和松弛的錨索數分別占總錨索數的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%。松弛的錨索一般應力損失率在20%以內，最大應力損失率為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到其設計荷載。

圖12 主變室錨桿應力不同深度測點不同量級的比例

圖13 主變室錨索超鎖定值分布圖

4 結 語

根據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測和錨固支護受力監測數據的系統性分析，可以獲得以下幾點認識：

(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，最大值分別達到76.44 mm和76.66 mm，且有多個監測截面獲得的圍巖變形監測值超過60 mm。結合國內外已建的水電站和抽水蓄能電站地下廠房工程實踐，相比于巖性、圍巖分類、埋深和開挖規模相近的地下廠房，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) 根據圍巖的變形分布特征，結合開挖揭露的施工地質條件初步分析，認為是圍巖內存在的節理裂隙或斷層等不連續地質結構，在開挖卸荷作用下易發生張開或錯動，進而產生不連續變形，引起圍巖變形增大；另一方面，圍巖在開挖卸荷后巖體質量下降、圍巖強度減小以及圍巖內巖體的蝕變現象，也會導致圍巖變形增大。

(3) 主廠房和主變室的錨桿應力量值總體正常，局部錨桿應力超過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，是保持圍巖穩定性的必要支護結構。