萬安水電站地下廠房圍巖穩定監測分析

朱新星

（江西晨升建設工程有限公司，南昌 330077）

1 工程概況

江西萬安水電站位于贛江中游，與贛州市相距90km。電站總裝機容量4×10.5+1×11.3=53.3×104kW，保證出力6.2×104kW，年發電量均值15.2×108kW·h。電站以發電為主，兼具灌溉、航運、防洪等綜合效益。地下布置的主體性廠房結構按照設計要求主要布設于在大壩壩體右側岸坡上游80m處，該位置四周主要為層巒山體和茂密叢林，所布置的軸線因為地勢等方面的限制也主要與岸坡基本垂直，而軸線水平和鉛直方向的埋設深度分別位于125～368m以及104～223m之間。進水口采用岸塔式設計，引水系統為單機單管，尾水洞為變頂式。

該水電站地下廠房洞室高度和跨度均較大，地質條件復雜，洞室安全及穩定與爆破振動及開挖卸荷密切相關。該電站工程所在地地下水以基巖形式的裂隙水為主，巖體中斷層以及傾角特征十分明顯，裂隙地下水在局部區域內存在富集現象。文章針對該水電站地下廠房洞室受多地質因素耦合作用后的動態變化過程展開監測，以期對地下廠房爆破開挖施工過程中洞室圍巖結構的安全穩定提供意見和建議[1]。

2 洞室開挖

該水電站地下結構中的主體性廠房結構按照9 個層次依次開挖施工，每個層次所主要對應的開挖高程等參數取值情況詳見表1。在各土層開挖時率先從樁號CZ0+127.500 處為起始點，按照設計要求并分先后次序逐次向CZ0-058.750 處斷面拓展延伸，為保證結構的穩定性，避免下一掌子面開挖施工對前一區段造成不利擾動而失穩破壞，必須在每個掌子面開挖后隨即按要求搭設系統性功能錨桿，并施以掛網噴涂相應厚度混凝土材料的支護措施。在以上形式的結構中，Ⅰ層拱頂主要由3 段相應的圓弧段組成，其中的洞室按照設計方案中確定出的255.4m 的長度開挖，所對應的開挖寬度為33.4m，總開挖高度達到11.0m。為保證施工過程的安全性以及施工質量，以上開挖嚴格按照3 個層次展開：依次為中導洞開挖、洞室兩側相應結構的擴挖以及側墻部位的擴挖。中導洞寬8.0m、高7.0m，兩側各擴寬開挖3.7m，兩側邊墻擴挖寬度和底坎開挖寬度均為9.0m，底坎高4.0m，光面爆破。開挖施工從2018 年9 月21 日開始，第Ⅸ層開挖于2021 年6 月結束。

表1 地下廠房洞室分層開挖高程

3 監測設計

水電站地下廠房圍巖穩定主要以圍巖可能發生的位移、形變、錨固結構實際受力狀態等為主要的監測項目。結合該水電站實際情況，總體布設10組斷面展開位移監測，這些斷面依次編號為Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅹ-Ⅹ；同時在相應部位布設5 個斷面以進行圍巖變形程度的監測，依次編號為1-1、2-2、3-3、4-4、5-5，此外，還按照監測目的，在相應部位布設7 個監測斷面以展開錨索結構受力情況的監測，依次編號為1’-1’、2’-2’、3’-3’、4’-4’、5’-5’，A-A，B-B。所使用的監測儀器包括多點位移計、錨索測力計、錨桿應力計等。

該水電站主要的廠房結構以及副屬的廠房結構均采用的是大型結構的地下洞室建造，根據相應位置實際地質情況，廠房洞室具體位置所布設的各位移監測斷面均分別按照0.8m 的間隔距離再布置相應數量的監測剖面，以便于圍巖內部潛在位移、圍巖可能的松動程度以及錨桿應力等方面展開實時監測；在其余位置所布設的斷面只需要在最利于施測部位設置單個監測剖面即可，以實施圍巖內部潛在位移程度的監測。

就具體的監測儀器布置情況而言，對于圍巖的潛在變形監測項目，總共布設的點位移計多達36 套。此外還應于不同斷面的頂拱灌排結構所對應的廊道內部展開3 套點位移監測儀器埋設，便于對具體開挖施工過程中相應部位洞室圍巖可能表現出的潛在變形實施監測。隨洞室開挖進程，在與主廠房洞壁表面相距0.5m、2.5m、6.5m、14.5m 的深處埋設錨頭，上游側邊墻錨頭埋深2.0m、6.0m、14.0m、34.0m，下游側邊墻錨頭埋深2.0m、6.0m、14.0m、22.0m。

對于各個錨固受力類型的監測斷面而言，監測任務較為繁重，所布設的錨桿應力計和錨索測力計總共有124 支和32 臺。其中，于洞室上部灌排廊道結構中具體布設頂拱測力計，還應按照相應要求展開張拉；邊墻錨索測力計則隨開挖進程布設施測，對于單個錨桿應當按照相關要求均勻布設1～3個主要形式的測點。

4 監測成果及分析

4.1 原型斷面位移監測

因交通洞斷面尺寸大，對主廠房和主變室圍巖穩定性的影響也較大，交叉洞口應力復雜，是地下洞室重點襯砌支護區域，故以位于主廠房和交通洞交叉位置的Ⅲ-Ⅲ監測斷面為典型斷面[2]。該斷面布設1#、2#、3#監測孔，1#測孔內從上至下依次布設4 個監測點，編號為M11～M14。

按照先中導洞、后邊導洞的次序開挖地下洞室時，觀測每一開挖時步內多點位移，并繪制位移-時間曲線。Ⅲ-Ⅲ監測斷面1#監測孔各監測點位移曲線見圖1。根據圖中結果，與地下廠房頂拱距離越近的測點位移監測值越大，表明巖體變形從廠房圍巖表面向內部依次減小[3]。

圖1 1#監測孔各監測點位移曲線

該水電站地下廠房Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ層開挖結束后多點位移計所得到的監測結果見表2。根據表中結果，地下廠房相應頂拱處表現出的位移起初變化量較大，此后在Ⅶ層開挖施工任務結束后便逐漸平穩，這一過程中表現出十分顯著且波動幅度較大的時空滯后效應；與此同時，不同測點所實際對應的位移絕對量也伴隨著測點和引水發電廠房頂拱中心距的不同而不同，空間效應也較為顯著。

表2 Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ層開挖結束后位移監測結果

4.2 圍巖變形

頂拱圍巖變形受爆破開挖的影響較大，第Ⅰ層開挖后洞壁圍巖變形曲線表現出2 個明顯的臺階形變化，分別對應中導洞開挖和第Ⅰ層全斷面開挖。第Ⅱ層以及所包含的以下各層所展開的開挖施工基本上對周圍圍巖變形不產生顯著影響，即使表現出變形也主要屬于時效方面的變形，所對應的位移量取值較小[4]。

根據中導洞開挖期間的監測結果，中導洞開挖與圍巖變形關系密切，最大變形出現在剛過掌子面的位置。中導洞開挖實際監測結果也與三維離散元模擬結果基本吻合[5]。圍巖變形所對應的主要時段基本上全部位于掌子面于設計監測斷面恰好相距2倍的引水隧洞洞徑位置；這一區段結束后，在開挖施工進程持續推進的過程中，掌子面與監測斷面之間的距離逐漸增大，此后圍巖可能發生的潛在變形也持續趨于收斂狀態。

圍巖表面變形量最大，其中頂拱變形量為10.76mm，邊墻變形為5.87mm。圍巖表面變形沿圍巖深度從表向里遞減；1-1 斷面位于山體中，5-5斷面位于山體邊緣，越向外緣地質條件越差，在地質條件的作用下，從1-1 斷面向5-5 斷面變形呈遞增趨勢。

4.3 預應力錨固受力

在張拉前對錨索測力計進行了嚴格標定，但因現場條件復雜，錨索張拉后千斤頂加荷與實測荷載存在一定差距，兩者的偏差率為-2.04%，且實測荷載值均比千斤頂張拉荷載小。根據典型斷面錨索荷載和時間過程曲線，僅5’-5’斷面邊墻處部分測點荷載略微增大，其余荷載總體變化平穩，荷載均值取1 628.5kN；錨索荷載損失率位于-4.97%～7.28%之間，說明預應力錨索處于較好工作狀態[6]。

4.4 錨桿應力

根據對各監測斷面錨桿應力分布情況的分析，各斷面錨桿均處于受拉狀態，且其中5’-5’斷面錨桿應力超100MPa，造成錨桿應力增大的主要原因在于Ⅳ～Ⅵ層爆破開挖。隨著開挖進程的推進，后期錨桿應力基本趨于收斂和穩定。其余斷面測點錨桿拉應力均未超出80MPa。

5 結 論

綜合以上分析，萬安水電站地下主廠房結構在展開全面開挖施工后所表現出的圍巖變形較小，同時具備一定程度的變動規律性特征，在按照加固處治方案施以系統性的支護措施后，地下廠房洞室周圍的圍巖結構潛在變形便逐漸趨于穩定，錨索結構的受力情況也逐漸恢復正常水平。結合分析結果，首層圍巖結構的開挖施工是造成水電站工程內地下廠房結構周圍圍巖潛在變形的主因，并且持續體現出較為顯著的空間變動趨勢效應；在此后各層逐步開挖的過程中類似的圍巖結構變形絕對量逐漸減小，影響范圍縮減。通過采取適宜的支護措施，可較好保證地下廠房開挖施工的順利進行。