豐寧抽水蓄能電站（一期）地下廠房開挖期階段性安全監測分析

支 旭，呂風英，劉占海

（1.中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京 100024；2.河北豐寧抽水蓄能有限公司，河北 豐寧 068350）

1 工程概況

豐寧抽水蓄能電站位于河北豐寧境內灤河干流上，電站一、二期工程同步建設，總裝機容量3600 MW（12×300MW），年平均發電量66.12 億kW·h。主廠房開挖尺寸414 m×25 m×54.5 m（長×寬×高）。一期主機間開挖尺寸149.5 m，位于河北豐寧境內灤河，目前主廠房第五層開挖施工完成。

地下廠房區巖性為微新中粗粒花崗巖，屬堅硬巖。主廠房洞軸線方向為SN，埋深為245 m～315 m，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，主廠房洞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。廠房區中小規模斷層較發育，走向以NWW 向為主，部分為NEE 向，破碎帶寬5 cm～2 m不等，與廠房軸線大角度相交；廠房區NW 和NE 向裂隙發育，與廠房軸線斜交。廠房區地下水總體不豐富。地應力量值中等，最大主應力可達18 MPa，傾角約11°，方向約NE79.5°，與廠房及主變洞軸線大角度相交。地下廠房區巖體結構類型以次塊狀結構為主。巖體完整性較差，圍巖類別總體以Ⅲ類為主。

地下廠房分9 層開挖，每層開挖控制深度5 m～10 m。根據現場施工進度的安排，本工程采用“先墻后洞”方案開挖。

2 監測儀器布置

一期主廠房布置4 個主監測斷面：編號Ⅰ-Ⅰ（廠左0+0）、Ⅱ-Ⅱ（廠左 0+48）、Ⅲ-Ⅲ（廠左 0+96）、Ⅳ-Ⅳ（廠左 0+156），每個斷面布置圍巖內部位移監測、錨桿應力監測、預應力錨索監測；主廠房另設5 個輔助監測斷面為a-a（廠右0+26）、b-b（廠左 0+24）、c-c（廠左 0+72）、d-d（廠左 0+120）、A-A(沿主變中心線剖面頂拱)，其中 a-a、b-b、c-c、d-d 斷面布置的監測項目為圍巖內部位移觀測、錨桿應力監測、預應力錨索監測，A-A、監測項目為圍巖內部位移觀測、錨桿應力監測。監測儀器斷面布置統計見表1，典型斷面布置圖見圖1。

圖1 典型監測斷布置圖

表1 （一期）地下廠房系統監測儀器布置斷面統計表

本工程地下廠房自2016 年開始施工，至2019 年1 月2日，主廠房已開挖至第6 層。

3 （一期）主副廠房監測成果分析

表2 顯示，目前一期工程主副廠房較大變形主要出現在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ斷面上下游邊墻，其它輔助斷面變形量相對較小；表3 顯示，目前一期主副廠房錨桿應力較大部位主要發生在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ頂拱，邊墻相對較小；表4 顯示，目前錨索測力計超設計荷載部位主要發生在Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ斷面（錨索設計噸位為1000 kN,鎖定值為設計值的90%）

表2 （一期）主副廠房位移監測成果表 單位：mm

表3 （一期）主副廠房錨桿應力監測成果表 單位：MPa

表4 （一期）主副廠房錨索測計力監測成果表

（1）Ⅰ-Ⅰ斷面最大變形分布為上游邊墻＞下游邊墻＞頂拱，其中最大變形部位發生在上游邊墻979 m 高程，孔口位移57.84 mm，受廠房Ⅵ上游半幅開挖影響明顯，主要表現為空間效應，現呈緩慢收斂趨勢；對應錨索測力計較鎖定噸位增加32.04%，較設計噸位增加10.76%，錨索應力與位移變化相關性良好，呈緩慢收斂趨勢。多點位移計和錨索測力計過程線見圖 2～ 圖 3。

圖2 多點位移計M1-6 位移- 時間過程線

圖3 錨索測力計Dpcf1-6 荷載- 時間過程線

（2）Ⅱ-Ⅱ斷面最大變形分布為下游邊墻＞上游邊墻＞頂拱；地質編錄資料顯示，上游邊墻共有5 條長大裂隙穿過，以中陡傾角內傾為主，對邊墻穩定有利，下游拱腰及拱角部位L183與L17、L18 組合切割形成塊體，厚度5 m～15 m。從監測數據可以看出，圍巖變形主要發生在距臨空面0 m～10 m 范圍內。變形最大區域為下游邊墻1000.00 m 高程，孔口位移74.10 mm，現已呈收斂狀態；對應錨索當前噸位823.12 kN，相對鎖定噸位（-3.27%），相對設計噸位（-17.69%），錨索應力略有震蕩，未見與變形明顯相關性。多點位移計位移過程線見圖4。

圖4 多點位移計M2-8 位移- 時間過程線

（3）Ⅲ-Ⅲ斷面最大變形分布為下游邊墻＞上游邊墻＞頂拱；該斷面頂拱部位發育斷層f371，規模較小，且只在頂拱發育，并未向上下游邊墻延伸。受 L248、L261、L262、L591、L593、L802 等裂隙組合切割影響，上游邊墻巖體相對破碎，可能形成諸多大小不一的塊體，塊體厚度約10 m，由于裂隙多外傾，塊體在外力影響下可能沿裂隙面產生變形。下游拱腳部位L41 和L205 裂隙組合形成塊體，厚度約4 m。下游邊墻985 m～992 m高程段，L802 和L609 組合切割形成不穩定塊體，塊體最厚約3.5 m。多點位移計M3-9(廠左0+96，EL991 m，下游邊墻)目前累計位移為86.47 mm（接近傳感器量程100 mm），該處為主廠房變形最大部位，從位移過程線可以看出，變形主要發生在2018 年3 月～8 月中旬5#母線洞和廠房Ⅴ層開挖期間，由于5#母線洞頂拱距多點位移計M3-9 距離僅5 mm，5#母洞開挖過程中頂拱圍巖向徑空變形會對M3-9 產生擾動，致使變形增加，2018 年8 月18 日后變形呈收斂趨勢；由于該部位變形量較大，在附近增加1 套多點位移計M3-9*(廠左0+96，EL986m，下游邊墻)，該套多點位移計于2018 年6 月20 日安裝完成，自安裝完成變形呈緩慢增長趨勢，至9 月15 日變形量共增加11.55 mm，2018 年9 月30 日隨4#母洞開挖，測值產生小幅突變，至2019 年1 月2 日位移共增加9.51 mm，達到21.37 mm,變形主要發生在2 m～19.5 m 范圍內，目前M3-9*還有增長趨勢。多點位移計M3-9（廠左0+96，EL991 m，下游邊墻）從2018年11 月17 日后變形量相對前期有小幅減小，分析認為，變形趨勢減緩是由于廠房護壁墻上排錨索張拉，限制了裂隙的繼續發育，隨著護壁墻下排錨索的張拉完成，將抑制多點位移計M3-9*繼續變形。多點位移計位移過程線圖5 和圖6。

圖5 多點位移計M3-9 位移- 時間過程線

圖6 多點位移計M3-9*位移- 時間過程線

（4）安裝間Ⅳ-Ⅳ斷面多點位移計觀測結果顯示，目前安裝于該斷面拱頂、上游拱腰、上游拱肩、上游邊墻的多點位移計測值為分別為 18.53 mm、22.87 mm、41.82 mm、42.12 mm，下游拱腰、下游拱肩、下游邊墻測值分別為5.72 mm、-0.04 mm、5.35 mm，變形主要發生在2018 年3 月至4 月廠房Ⅳ層和工具間及機修間開挖期間。從變形分布看，上游側變形明顯大于下游側變形，上下游兩側位移的嚴重不對稱表明該區域存在不均勻變形，導致該區域存在指向上游的偏壓，偏壓使該區域應力高度集中，產生彈性或塑性變形。由于噴混凝土強度高，巖層強度較低且圍巖構造弱面容許應變大于噴混凝土，從而導致2018年4 月24 日安裝間上游側頂拱出現噴混凝土開裂、掉塊和空鼓現象，檢查發現安裝間廠左0+140～廠左0+200 產生的13 條裂縫有11 條發生在頂拱上游側。產生不對稱變形的原因主要是下游側廠房和主變間交通洞采用“先洞后墻”的開挖順序。上游側工具間、機修間及排水廊道采用“先墻后洞”的開挖順序，從該斷面監測成果可以明顯看出，采用“先洞后墻”的開挖順序可以有效控制圍巖變形。工具間及機修間開挖襯砌安成后，變形速率明顯減，目前該斷面處于穩定狀態。典型過程線見圖7。

圖7 多點位移計M4-5 位移- 時間過程線

4 圍巖變形特征綜合分析

（1）從位移變化特征看，廠房下游邊墻最大變形大于上游邊墻，廠房下游邊墻中下部局部變形較大，應引起關注，加強開挖過程控制和監測，必要時及時進行加強處理。

（2）從應力變化規律看，拱角、巖柱厚度中部、洞室交叉口等部位附近發生不同程度的應力集中現象，可能存在結構面控制的潛在大變形和塊體穩定問題，需要進一步深化研究局部加強措施。

（3）一期主副廠房共安裝錨索測力計38 臺，設計荷載為1000 kN 的有27 臺，設計荷載為1500 kN 的有11 臺。錨索測力計荷載與設計值相比，小于設計值的有25 臺，占65.79%，超過設計荷載0～10%的有6 臺，占15.79%，超過設計荷載10%～20%的有5 臺，占13.16%，超過設計荷載20%～30%的有1 臺，占2.63%，超過鎖定荷載30%～40%的有1 臺，占2.63%，總計有13 臺測力計荷載超過設計鎖定值，占34.21%。錨索測力計觀測荷載超過設計荷載占比相對較大，主要是由于錨索設計噸位偏小，同時張拉值較大，預留值較小造成。總體認為，目前主廠房系統支護錨索有效運行。

5 結論

（1）豐寧抽水蓄能電站地下廠房洞室群圍巖開挖響應特征符合一般規律，洞周變位、應力、錨索受力等量值均在可控范圍，且相互對應，地下廠房整體穩定，監測資料真實反應了地下廠房開挖期間的客觀變形。

（2）受斷層、裂隙、蝕變帶等不良地質構造影響，系統支護后局部邊墻變形較大。考慮到地下廠房規模大，洞室縱橫交錯，交叉口多，局部體型復雜，加上受多條斷層、裂隙及蝕變帶等的影響，應重點做好岔口部位的精細化施工，加強開挖過程控制和監測，盡量減少因爆破因素而引起的邊墻位移異常增大或變形速率過快，及時實施鎖口和支護。

（3）地下廠房變形產生的空間效應和時間效應非常明顯，建議后續開挖采用“短進尺弱爆破”的開挖工序，能有效控制圍巖變形。