烏弄龍水電站工程地下廠房巖錨梁裂縫分析

毛振凱，張西鋒

（中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065）

烏弄龍水電站地下廠房、主變洞、尾水調壓室三大洞室平行布置，軸線方向均為NE50°，間距分別為41.5 m和35.5 m；地下廠房輪廓尺寸189 m×26.7 m×70.25 m（長×寬×高），廠房垂直方向最小埋深約129 m，最大埋深約331 m，側向埋深124 m～154 m。

主廠房開挖支護到尾水管層時，經檢查發現上下游巖錨梁頂部平臺表面上均有不同規模的與梁體垂直的橫向裂縫以及巖錨梁頂部平臺與巖壁之間的縱向裂縫。為了研究巖錨梁的穩定性，本文采用多種監測儀器的監測資料對裂縫產生的原因進行分析。

1 裂縫和地質概況

主廠房開挖至第八層時，經檢查發現上下游巖錨梁頂部平臺表面上均有不同規模的與梁體垂直的橫向裂縫以及巖錨梁頂部平臺與巖壁之間的縱向裂縫，具體情況為：

主廠房上游巖錨梁頂部平臺表面局部出現橫向裂縫，共計14條，主要分布在1#機和2#機組段，裂隙寬度較小，為混凝土表面裂縫；安裝間上游側巖錨梁頂部平臺與巖壁之間出現3條縱向裂縫，長度1.1 m～4.0 m，寬度約為0.1 m～0.5 mm。

主廠房下游側橫向裂縫共計13條，多為表面局部裂縫。在3#機組區域內有3條裂縫基本貫穿于表面，且有一條裂縫延伸到巖錨梁之上巖壁的混凝土噴層范圍，在巖壁混凝土噴層上面的裂縫延伸長度約3 m，如圖1～2所示。

圖1 主廠房上游巖錨梁頂部平臺與巖壁之間裂縫圖

圖2 主廠房下游巖錨梁頂部平臺表面橫向裂縫圖

主廠房巖錨梁高程在1837.83～1835.23之間，揭露圍巖巖性為砂質板巖和變質砂巖互層，巖體完整新鮮、微風化，洞壁干燥。發育的結構面主要為層面裂隙，總體為Ⅲ1類圍巖；其次發育一組與洞向近平行的陡傾裂隙，開挖形成光面，圍巖完整性相對較差，為Ⅲ2類圍巖；由于地下廠房圍巖為層狀巖體，同一巖性帶結構面和風化程度相近，因此上游壁圍巖完整性與下游壁對應段基本相同。主廠房整體側壁干燥，但頂拱仍有少量滲、滴水現象。

地下廠房巖錨梁區域總體仍以Ⅲ1～Ⅲ2類圍巖為主，其中上游壁1號機組至副廠房段多發于一組與洞壁小角度相交的陡傾裂隙，與層面切割后巖壁開挖后形成缺口；下游壁1號機組至副廠房段則發育一組中陡緩傾洞內的裂隙，該組裂隙延伸長度大，走向與洞壁近平行，與層面切割對洞壁穩定不利。

2 巖錨梁裂隙成因分析

在巖錨梁附近圍巖布置的監測項目主要包括：變形監測、錨固受力狀態監測和錨固應力狀態監測，監測布置方式如圖3所示；巖錨梁上布置監測項目主要包括：裂縫監測、開合度監測、錨固應力狀態監測，監測布置方式如圖4所示。

圖3 主廠房巖錨梁附近圍巖監測布置圖

圖4 主廠房巖錨梁監測布置圖

3 變形監測結果與分析

3.1 多點位移計監測結果與分析

主廠房巖錨梁附近多點位移計圍巖孔口軸向位移在-0.47 mm～23.13 mm之間。多點位移計的位移過程曲線如圖5～6，由圖可以發現巖錨梁附近圍巖變形主要集中在0～7 m深度之間；多數多點位移計在第Ⅳ層開挖之后進行安裝監測，第Ⅴ層開挖對巖錨梁附近圍巖影響最大，隨著主廠房下臥開挖，巖錨梁附近圍巖在0～7 m深度依然有持續的變形，變形速率較第Ⅴ層有所減緩；三個監測剖面上的多點位移計變形規律基本相似，變形量值差別不大。

圖5 主廠房廠右0+075.00上游邊墻高程1834.67 m的位移過程線圖

圖6 主廠房廠右0+066.00下游邊墻高程1834.67 m的位移過程線圖

3.2 測縫計監測結果與分析

多數測縫計開合度在-0.37 mm～1.80 mm之間，變化基本穩定，最大開合度出現在上游巖錨梁廠右0+96.30 m的J04-YML4監測點。上游巖錨梁剖面4的3個測縫計位移過程曲線見圖7，結果顯示該剖面上部測縫計開合度測值大于下部測值，符合一般規律，且隨著主廠房下臥開挖，該剖面測縫計開合度有持續增加的趨勢。其他多數剖面測縫計開合度相對較小，且同一剖面上的測縫計開合度不滿足上部開合度大于下部開合度的一般規律。類比其他同類水電站地下廠房工程，烏弄龍主廠房巖錨梁測縫計開合度測值相對偏小。

圖7 主廠房上游巖錨梁廠右0+096.30 m剖面4測縫計開合度過程線圖

3.3 錨固受力狀態監測結果與分析

主廠房巖錨梁錨索測力計錨索鎖定荷載在1574.3 kN～1666.9 kN之間；錨索鎖定后48小時預應力測值在1475.6 kN～1640.4 kN之間；錨索當前荷載在353.0 kN～1898.5 kN之間。其中剖面A1-A1上下游邊墻的錨索受力有所增加（增幅13.9%～17.5%）；剖面A3-A3上游邊墻的錨索受力有所增加（增幅5.9%），下游邊墻的錨索受力有所減小（降幅12.7%）；剖面A2-A2上下游邊墻的錨索受力大幅減小（降幅22.8%～77.8%）。受力增加的錨索測力計過程曲線見圖8～10，可以發現錨索受力在第IV層開挖幅度較大，隨著開挖下臥，錨索受力持續增加，增加幅度有所減緩。

圖8 主廠房廠右0+020.25上游1833.92 m錨索測力計PR409-CFB1過程線圖

圖9 主廠房廠右0+11.25下游1832.42 m錨索測力計PR410-CFB1過程線圖

圖10 主廠房廠右0+146.25上游1833.92 m錨索測力計PR403-CFB3過程線圖

3.4 錨固應力狀態監測結果與分析

主廠房巖錨梁附近錨桿應力計監測數據結果顯示，A1-A1剖面上下游錨桿應力計測值較小，在-9.6 MPa～74.0 MPa之間，A3-A3剖面上游錨桿應力計測值居中，在18.2 MPa～88.6 MPa之間，A2-A2剖面上游錨桿應力計測值最大，在57.0 MPa～469.4 MPa之間。其中主廠房廠右0+074.25 m上游邊墻1836.17 m高程的錨桿應力計R401-CFB2出現的錨桿應力超過量程的現象（量程300 MPa），主要受第Ⅳ和Ⅴ層爆破開挖影響，該區域多點位移計0～7 m深度發生大量變形，因此，布置在深度為7.0 m錨桿應力計出現較大局部應力，應力測值陡增，如圖11所示。

圖11 主廠房廠右0+74.25上游邊墻高程1836.17錨桿應力過程線圖

主廠房巖錨梁錨桿應力計監測數據顯示，上游巖錨梁廠右0+096.30 m深度7.0 m的錨桿應力為558.5 MPa，下游巖錨梁廠右0+049.80 m深度7.0 m和廠右0+077.30 m深度5.0 m的錨桿應力分別為575.5 MPa和501.3 MPa。廠右0+049.80 m和廠右0+077.30 m下部5.63 m即為2號和3號母線洞頂拱，母線洞開挖造成圍巖應力調整，導致巖錨梁和母線洞區域應力集中，促使巖錨梁部位巖體產生不均勻變形，從而使得錨桿應力急劇增大。

4 數值計算結果分析

選取了主廠房上下游巖錨梁若干關鍵點進行對比分析分層開挖支護的巖錨梁沿洞軸方向位移變化，各關鍵點位置與編號見圖12。現著重對上游巖錨梁關鍵點2和下游巖錨梁關鍵6進行分析。

圖12 主廠房上下游巖錨梁關鍵點布置圖

合位移方面，上游巖錨梁整體合位移略大于下游側；水平位移方面，上游巖錨梁最大水平位移在第VIII層開挖時接近14 mm，而下游巖錨梁最大水平位移在第VIII層開挖時接近9 mm，上游巖錨梁的水平位移明顯大于下游巖錨梁水平位移，這也是上游巖錨梁頂部平臺與巖壁之間出現多條縱向裂縫的可能原因，縱向裂縫產生的區域，巖錨梁水平位移量值較大（14 mm左右）。

鉛直位移方面，上游巖錨梁最大鉛直位移在第VIII層開挖時接近5.5 mm，而下游巖錨梁最大鉛直位移在第VIII層開挖時接近11 mm，下游巖錨梁的鉛直位移明顯大于上游巖錨梁鉛直位移，其主要原因是下游巖錨梁下部5.63 m即為母線洞頂拱，母線洞開挖使得巖錨梁和母線洞之間圍巖向著母線洞臨空面方向發生變形，這是下游側巖錨梁頂部平臺表面出現多條橫向裂隙可能的原因。

5 結論及應對措施

5.1 結論

對于檢查發現的主廠房上下游巖錨梁橫向和縱向裂縫，從開挖地質條件、最新的監測數據以及數值分析等不同角度進行了裂縫成因分析，分析結果表明：

上下游巖錨梁附近圍巖巖性為砂質板巖和變質砂巖互層，發育多條層面裂隙和陡傾裂隙，整體為III1～III2類圍巖，層狀且裂隙發育是圍巖產生差異變形的前提。

多點位移計結果顯示圍巖變形主要集中在0～7 m的深度；最大開合度監測值在上游巖錨梁廠右0+096.30 m處，該剖面上部測縫計開合度測值大于下部測值，符合一般規律，與實際檢查到的上游巖錨梁縱向裂縫所處位置基本一致；該處7 m深度的錨桿應力測值也超過500 MPa，下游錨桿應力測值較大區域主要集中在2號和3號母線洞上方巖錨梁區域。

數值分析結果表明，巖錨梁上的差異變形是導致巖錨梁橫向和縱向裂縫產生的主要原因。上游巖錨梁水平差異變形導致縱向裂縫的產生，下游巖錨梁鉛直差異變形導致橫向裂縫的產生。

主廠房上游巖錨梁廠右0+107.00 m縱向裂縫區域和下游巖錨梁廠右0+49.00 m橫向裂縫區域需要作為重點監測區域，定期進行監測，必要時采用應對措施。

5.2 應對措施

加強上述重點區域的測量頻次，對于張大的裂隙，及時進行寬度和深度測量。目前，巖錨梁上裂縫寬度還較小，深度還無法測量，對巖錨梁的整體穩定性影響不大。但是巖錨梁裂縫如不及時進行處理，會引起鋼筋的銹蝕，降低混凝土的耐久性和抗疲勞能力，對巖錨梁的整體穩定性不利。因此，需要根據裂縫寬度的不同，分別對巖錨梁裂縫進行固結灌漿或化學灌漿處理，以滿足巖錨梁穩定性和安全性的要求。