白鶴灘水電站左岸地下主副廠房上部開挖圍巖穩定監測分析

胡旭陽 朱趙輝 李秀文 劉 健

(1. 中國長江三峽集團公司，北京 100038； 2. 中國水利科學研究院，北京 100038； 3. 北京中水科工程公司，北京 100048)

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白鶴灘水電站左岸地下主副廠房上部開挖圍巖穩定監測分析

胡旭陽1朱趙輝2，3李秀文2，3劉 健2，3

(1. 中國長江三峽集團公司，北京 100038； 2. 中國水利科學研究院，北京 100038； 3. 北京中水科工程公司，北京 100048)

白鶴灘水電站左岸地下廠房為國內特大型地下工程，地質條件復雜，洞室穩定及安全問題成為工程重點關注和研究的內容之一．為了解洞室圍巖的實際變形特性，調整支護參數，布置了較為全面的安全監測系統．本文主要介紹了地下廠房上部開挖過程的圍巖變形及錨固效果監測，監測結果表明，由于開挖支護控制較好，圍巖變形和受力狀態正常；并通過對開挖全過程變形監測資料的分析，獲得了開挖過程對圍巖變形的影響范圍，本實例可供同類工程借鑒與參考．

地下主廠房； 圍巖變形； 圍巖錨固； 應力狀態； 安全監測

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游，壩址左岸屬四川省寧南縣跑馬鄉，右岸屬云南省巧家縣大寨鎮，距上游巧家縣城45 km，距上游烏東德水電站壩址182 km，距離下游溪洛渡水電站195 km，控制流域面積43.03萬km2，占金沙江流域面積的91.0%．

左岸地下引水發電系統由進水口、壓力管道、尾水調壓室、尾水隧洞、尾水隧洞檢修閘門室、主副廠房洞、主變洞、尾水管檢修閘門室等組成，具體三維布置見圖1．左岸主副廠房裝機800 MW，洞長438 m，高88.7 m，巖梁以下寬為31.00 m，以上寬為34.00 m，機組安裝高程570.00 m，廠房頂拱高程624.6 m，尾水管底板開挖高程535.90 m．主副廠房的重點監測部位有主副廠房洞頂拱及邊端墻頂部分布的第二類柱狀節理玄武巖、斜切邊墻底部的P2β24層凝灰巖及其中的層間錯動帶C2、出露在廠房頂拱附近的層內錯動帶．

圖1 左岸引水發電系統三維布置圖

2 主要工程地質條件

左岸主副廠房頂拱圍巖以Ⅲ1類為主，占64%，Ⅱ類圍巖占17%，Ⅲ2類位于7號和8號機組頂拱部位，占3%，Ⅳ類圍巖分部于緩傾角結構面附近，占7%．廠房區地應力量值達22 MPa左右，局部可達34 MPa，大主應力方向與廠房軸線夾角較大，對圍巖穩定不利．在地應力作用下，巖體不會產生整體的塑性變形和破壞．層內錯動帶LS3152斜切廠房頂拱，以巖塊巖屑型為主，寬約2 cm，長約200 m，對頂拱穩定不利．左岸地下廠房地質剖面圖如圖2所示．

圖2 左岸地下廠房工程地質剖面圖

主副廠房頂拱及邊端墻頂部分布的第二類柱狀節理玄武巖，開挖后產生局部松弛變形和巖體破裂．左岸廠房內發育f717，f720，f7213條陡傾斷層，為巖塊巖屑型，延伸長度300～500 m；長大裂隙有T720和T721，為陡傾硬性結構面；層間錯動帶C2斜穿廠房邊墻中下部，厚10～30 cm，為泥夾巖屑型，遇水易軟化．斜切邊墻底部的P2β24層凝灰巖及其中的層間錯動帶C2巖性軟弱，易產生一定程度的塑性變形和剪切變形[1]．

左岸廠房部位發育層內錯動帶5條，大部分出露在廠房頂拱附近30 m高度范圍內，對廠房左側段(SW側)頂拱穩定影響較大．1號機組頂拱部位由陡傾角斷層f721與緩傾角層內錯動帶LS3152可組合成1號半定位塊體，體積約9 800 m3；在安裝間底板由層間錯動帶C2可構成的半定位塊體，體積約1 700 m3．在8號母線洞頂拱，C2可構成半定位塊體．

3 監測項目及其布置

主要布置了8個監測斷面(樁號：左廠0-051.6、左廠0-012.9、左廠0+018.4、左廠0+076.0、左廠0+152.0、左廠0+228.0、左廠0+328.0)，平面布置如圖3所示，典型監測斷面如圖4～6所示．

圖3 左岸地下廠房監測斷面布置圖

圖4 左廠0-051.6(副廠房)斷面圖

圖5 左廠0+228.0(7號機組)斷面圖

圖6 左廠0+328.0(安裝場)斷面圖

1)8個監測斷面目前共布置63套多點變位計，每個斷面布置6～8套四點式或五點式變位計．為能夠獲得主廠房在開挖初期及全過程巖體內部各點變位情況，確定洞壁圍巖松動區，布置于頂拱與拱肩(拱腳)監測巖體變位的多點變位計，都從上層觀測錨固洞內鉆孔、超前預埋安裝，其錨固頭從洞壁向圍巖方向由外(距洞壁表面1.5 m)至里按密到疏的原則布置．測頭布置在觀測錨固洞底板，最大埋設孔深40 m左右．四點式變位計A、B、C、D錨頭埋設深度分別距洞壁表面1.5 m、3.5 m、6.5 m和11 m，五點式變位計A、B、C、D、E各錨頭埋設深度分別距洞壁表面1.5 m、3.5 m、6.5 m和11 m、17 m．

2)8個監測斷面目前共布置38臺錨索測力計．廠頂錨固觀測洞布置錨索測力計均在洞室圍巖上部的錨固觀測洞中安裝和張拉，廠房布置錨索測力計在廠房內進行安裝和張拉．每束錨索由14根鋼絞線組成，錨具型號為YJM15-14，張拉荷載為2 000 kN和2 500 kN兩種類型，共分五級張拉．

3)8個斷面目前共布置了116套錨桿應力計，每個斷面布置2～22套錨桿監測錨桿應力及其變化．三點式錨桿應力計A、B、C測點具體位置分別距錨桿尾端(圍巖表面)2.0 m、4.0 m和6.0 m處或1.5 m、3.5 m和6.5 m；兩點式錨桿應力計A、B測點具體位置分別距錨桿尾端(圍巖表面)2.0 m、6.0 m處或1.5 m、6.5 m；單點式錨桿應力計測點距錨桿尾端(圍巖表面)4.5 m．錨桿長度為9 m．

4 洞室開挖

主副廠房洞開挖尺寸：438 m×31 m(34 m)×88.7 m(長×寬×高)．廠房1層長453 m(含空調機房)，寬34 m，高13.5 m．左岸地下主廠房洞室開挖自2014年5月開工，主廠房設計分10層開挖，目前完成主副廠房上部共3層的支護開挖施工．

一層擴挖前廠房頂拱中導洞已完成開挖、支護施工，中導洞斷面尺寸為12 m×10 m(寬×高)，主廠房第一層分層高度為13.6 m，高程范圍EL624.6～EL611.0，擴挖施工分四區進行．2014年12月底第Ⅰ層開挖結束，2015年1月完成開挖支護．

主廠房第II層分層高度為3.6 m，高程范圍EL611.0～EL607.4，擴挖施工分三區進行．2015年5月21日第II層開挖結束，2015年6月份支護完成．

主廠房第Ⅲ層分層高度為11.4 m，高程范圍EL607.4～EL596.0，擴挖施工分三大區、十小區進行．2015年11月23日第III層開挖結束，2015年12月支護完成．左岸廠房分層分區開挖剖面圖如圖7所示．

圖7 左岸廠房分層分區開挖剖面圖

5 監測成果與分析

5.1 圍巖變形

左岸地下廠房頂層和巖臺梁部位圍巖變形在-2.52 mm～41.38 mm之間，8個監測斷面中，上游側變形最小，頂拱變形最大．最大位移(41.38 mm)，發生在3號機組(0+076)頂拱，大部分斷面圍巖變形小于10 mm．

1)圍巖變形與爆破開挖施工程序關系密切，即空間效應為主要影響因素，且第Ⅰ層開挖為頂拱圍巖變形的主要部分，第II層和第Ⅲ層開挖對拱肩和巖臺梁部位變形影響較大，0+076斷面頂拱圍巖變形過程線圖如圖8所示(變形最大)，0+018斷面上游側拱腳處圍巖變形過程線圖如圖9所示(第Ⅲ層開挖影響較大)，0+012斷面下游巖臺梁處圍巖變形過程線圖如圖10所示(第Ⅲ層開挖影響較大)．頂拱部位圍巖變形已呈現出收斂趨于穩定狀態，拱腳和邊墻部位圍巖變形仍在緩慢增加．

圖8 3號機組0+076斷面頂拱Mzc0+076-2時序過程線

圖9 2號機組0+018斷面上游側拱腳Mzc0+018-1時序過程圖

圖10 1號機組0-012.9斷面上游巖臺梁Mzc0-012-4時序過程線

2)圍巖變形隨巖體深度分布，表層(1.5 m深度)最大，隨圍巖深度增加變形逐漸減弱，典型斷面圍巖變形分布如圖11所示(截至2015.12.21)和見表1．圍巖出現較大變形時段，均是在各序次開挖掌子面接近監測斷面前、后約1倍洞徑附近位置，之后隨開挖掌子面遠離監測斷面以及圍巖支護及時跟進，圍巖變形逐漸收斂并趨于穩定，這一現象符合地下洞室開挖過程圍巖變形一般規律[2]．

圖11 左岸主廠房0+076斷面和0+152斷面圍巖位移分布圖

距離邊墻不同深度/m1.53.56.511.0頂層不同深度變形平均值/mm11.588.496.553.41上下游巖臺梁處/mm13.6213.088.795.85

3)頂拱圍巖最大變形為左廠0+076.0斷面頂拱41.38 mm、28.96 mm(Mzc0+076-2，1.5 m深度、3.5 m深度)，其次為左廠0+228斷面下游巖臺梁34.87 mm(Mzc0+229-3，3.5 m深度)，再次為左廠0+018.4斷面上游拱腳34.53 mm(Mzc0+018-1，6.5 m深度)如圖12所示．

圖12 左岸地下廠房不同部位圍巖位移分布圖

頂拱變形為洞室開挖圍巖全過程變形，邊墻變形則為開挖后期部分變形，依據頂拱全過程變形成果估算，邊墻監測到的變形可能丟失總變形量的80%左右[2]．大部分部位圍巖變形在10 mm以下，見表2．變形量超過40 mm的部位為0+076斷面頂拱部位，由左岸地下廠房地質剖面圖(圖2)可以看出，1號機組(0-12.9)、2號機組(0+18.4)、3號機組(0+76)在廠房0-71.6 m～0+150 m段LS3152及同組裂隙的影響范圍內，7號機組(0+279)在緩傾角節理裂隙密集帶范圍內，其變形總量相應較大．

表2 左岸地廠圍巖位移分布比例表

5.2 錨索荷載

錨索測力計當前荷載在1 551.34～3 011.81 kN(0+077頂拱)之間，其中當前荷載小于2 000 kN的有33臺；荷載損失率在-56.50%～2.85%之間，損失率小于-10%的有12臺，大部分錨索荷載增加不明顯．典型錨索荷載過程線如圖13～15所示，荷載損失率分布比例見表3，從圖中可以看出，錨索荷載仍在持續增加，受地質缺陷影響，0+077斷面頂拱部位錨索荷載在洞室開挖初期增長較大，隨著支護結束，增長逐漸趨緩，但仍有小幅增加．

表3 左岸地下廠房錨索荷載損失率分布比例表

圖13 3號機組0+077斷面頂拱錨索測力計DPzc0+077-1荷載時序過程線

圖14 3號機組0+076斷面下游邊墻DPzc0+076-2荷載時序過程線

圖15 8號機組0+266斷面上下游邊墻荷載時序過程線

5.3 支護錨桿應力

當前錨桿應力在-82.51～597.40 MPa(0+042頂拱)之間，當前錨桿應力大部分小于50 MPa．典型錨桿應力過程線如圖16～17所示，典型斷面應力分布如圖18～19所示．

圖16 8號機組下游側拱肩621 m高程ASzc0+279-2時序過程線

圖17 安裝場0+328下游側拱肩Mzc0+328-2時序過程線

圖18 左岸主廠房0+152斷面錨桿應力分布圖

圖19 左岸廠房安裝場錨桿應力分布圖

當前錨桿應力超過300 MPa的測點有4個，分別在0-051上游側拱肩、0+042頂拱、0+279下游側拱肩、0+328頂拱，應力在200～300 MPa之間的測點有6個，錨桿應力分布比例見表4．

表4 左岸地廠圍巖錨桿應力分布比例表

距邊墻1.5～2.0 m處錨桿應力平均值為74.34 MPa，距邊墻3.5～4.0 m處錨桿應力平均值為71.85 MPa，距邊墻6.0～6.5 m處錨桿應力平均值為46.56 MPa．在洞室開挖過程中，遵循分區分序開挖、及時跟進支護、監測信息反饋、嚴格控制開挖過程質量，保證開挖體型等施工原則，對于監測發現的圍巖變形、錨索(桿)受力較大部位，及時進行設計調整及工程加固處理，取得較好效果，保證了施工安全及工程進度．

6 結 語

1)頂拱洞室圍巖變形主要為第Ⅰ層開挖影響所致，以下各層開挖對頂拱變形影響較小，主要表現為時效變形．第II層和第Ⅲ層開挖對拱肩和巖臺梁部位變形影響較大．

2)圍巖變形由表及里呈遞減分布，表面變形最大．邊墻變形小于頂拱，其原因是頂拱為洞室開挖全過程變形，邊墻為少部分變形．

3)存在地質缺陷部位的預應力錨索在洞室開挖初期荷載增加較大，在第Ⅰ層開挖結束后，增加趨勢變緩，但仍有小幅增加．

4)錨桿處于拉應力狀態，超過100 MPa的測點在20%以內，錨桿工作狀態正常．

5)1號機組(0-12.9)、2號機組(0+18.4)、3號機組(0+76)在廠房0-71.6m～0+150 m段LS3152及同組裂隙的影響范圍內，7號機組(0+279)在緩傾角節理裂隙密集帶范圍內，其變形總量、錨桿應力和錨索荷載相應較大，這一變形規律與地質條件吻合，符合工程實際．

綜上看出，與國內同類工程相比，存在地質缺陷部位圍巖變形略大(小灣水電站拱座32 mm，邊墻114 mm；溪洛渡水電站頂拱11 mm，邊墻27 mm；向家壩水電站頂拱為10.83 mm(12.74 mm、32.10 mm為爆破影響，局部表層巖石松動)，邊墻5.93 mm)，且隨廠房繼續下挖，圍巖變形將繼續增長．但結合地質條件及開挖過程分析，變形規律和受力狀態正常，洞室圍巖處于穩定狀態，安全監測成果為開挖施工安全、圍巖穩定性評價及優化設計等方面發揮重要作用．

[1] 劉國鋒，馮夏庭，江 權，等．白鶴灘大型地下廠房開挖圍巖片幫破壞特征、規律及機制研究[J]．巖石力學與工程學報，2016，35(5)：865-878．

[2] 袁培進，孫建會，劉志珍，等．向家壩水電站地下主廠房圍巖穩定監測分析[J]．巖石力學與工程學報，2010，29(6)：1140-1148．

[責任編輯 王康平]

Monitoring Analysis of Rock Stability of Excavation of Upper Part of Underground Main Power House in Baihetan Hydropower Station

Hu Xuyang1Zhu Zhaohui2,3Li Xiuwen2,3Liu Jian2,3

(1. China Three Gorges Corporation, Beijing 100038, China； 2. China Institute of Water Resources and Hydropower Research, Beijing 100038, China； 3. Beijing IWHR Co., Ltd., Beijing 100048, China)

Underground power house on the left bank of Baihetan Hydropower Station is the most large underground engineering in China. The dam base's geological conditions are complicated; stability and security of rock openings become one of the key issues. In order to understand the actual deformation characteristics of rock and to adjust support parameters, a more comprehensive security monitoring system is laid. This paper describes the anchoring effect and surrounding rock deformation monitoring about the excavation process of the upper part of underground power house. The monitoring results show that, due to better control of the excavation and support, surrounding rock deformation and stress state is normal; and through analyzing the deformation monitoring data about entire process of excavation, the sphere of influence of excavation on surrounding rock is obtained. This example is available for reference to similar projects.

underground main power house； rock deformation； rock anchorage； stress state； safety monitoring

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.05.007

2016-04-06

國家重點基礎研究發展計劃項目(2013CB035900)

胡旭陽(1984-)，男，助理工程師，主要從事大壩安全監測工程管理及監測成果分析工作．E-mail：1105688386@qq.com

TV731.6

A

1672-948X(2016)05-0036-05