白鹤滩水电站左岸地下主副厂房上部开挖围岩稳定监测分析

胡旭阳 朱赵辉 李秀文 刘 健

(1. 中国长江三峡集团公司，北京 100038； 2. 中国水利科学研究院，北京 100038； 3. 北京中水科工程公司，北京 100048)



白鹤滩水电站左岸地下主副厂房上部开挖围岩稳定监测分析

胡旭阳1朱赵辉2，3李秀文2，3刘 健2，3

(1. 中国长江三峡集团公司，北京 100038； 2. 中国水利科学研究院，北京 100038； 3. 北京中水科工程公司，北京 100048)

白鹤滩水电站左岸地下厂房为国内特大型地下工程，地质条件复杂，洞室稳定及安全问题成为工程重点关注和研究的内容之一．为了解洞室围岩的实际变形特性，调整支护参数，布置了较为全面的安全监测系统．本文主要介绍了地下厂房上部开挖过程的围岩变形及锚固效果监测，监测结果表明，由于开挖支护控制较好，围岩变形和受力状态正常；并通过对开挖全过程变形监测资料的分析，获得了开挖过程对围岩变形的影响范围，本实例可供同类工程借鉴与参考．

地下主厂房； 围岩变形； 围岩锚固； 应力状态； 安全监测

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游，坝址左岸属四川省宁南县跑马乡，右岸属云南省巧家县大寨镇，距上游巧家县城45 km，距上游乌东德水电站坝址182 km，距离下游溪洛渡水电站195 km，控制流域面积43.03万km2，占金沙江流域面积的91.0%．

左岸地下引水发电系统由进水口、压力管道、尾水调压室、尾水隧洞、尾水隧洞检修闸门室、主副厂房洞、主变洞、尾水管检修闸门室等组成，具体三维布置见图1．左岸主副厂房装机800 MW，洞长438 m，高88.7 m，岩梁以下宽为31.00 m，以上宽为34.00 m，机组安装高程570.00 m，厂房顶拱高程624.6 m，尾水管底板开挖高程535.90 m．主副厂房的重点监测部位有主副厂房洞顶拱及边端墙顶部分布的第二类柱状节理玄武岩、斜切边墙底部的P2β24层凝灰岩及其中的层间错动带C2、出露在厂房顶拱附近的层内错动带．

图1 左岸引水发电系统三维布置图

2 主要工程地质条件

左岸主副厂房顶拱围岩以Ⅲ1类为主，占64%，Ⅱ类围岩占17%，Ⅲ2类位于7号和8号机组顶拱部位，占3%，Ⅳ类围岩分部于缓倾角结构面附近，占7%．厂房区地应力量值达22 MPa左右，局部可达34 MPa，大主应力方向与厂房轴线夹角较大，对围岩稳定不利．在地应力作用下，岩体不会产生整体的塑性变形和破坏．层内错动带LS3152斜切厂房顶拱，以岩块岩屑型为主，宽约2 cm，长约200 m，对顶拱稳定不利．左岸地下厂房地质剖面图如图2所示．

图2 左岸地下厂房工程地质剖面图

主副厂房顶拱及边端墙顶部分布的第二类柱状节理玄武岩，开挖后产生局部松弛变形和岩体破裂．左岸厂房内发育f717，f720，f7213条陡倾断层，为岩块岩屑型，延伸长度300～500 m；长大裂隙有T720和T721，为陡倾硬性结构面；层间错动带C2斜穿厂房边墙中下部，厚10～30 cm，为泥夹岩屑型，遇水易软化．斜切边墙底部的P2β24层凝灰岩及其中的层间错动带C2岩性软弱，易产生一定程度的塑性变形和剪切变形[1]．

左岸厂房部位发育层内错动带5条，大部分出露在厂房顶拱附近30 m高度范围内，对厂房左侧段(SW侧)顶拱稳定影响较大．1号机组顶拱部位由陡倾角断层f721与缓倾角层内错动带LS3152可组合成1号半定位块体，体积约9 800 m3；在安装间底板由层间错动带C2可构成的半定位块体，体积约1 700 m3．在8号母线洞顶拱，C2可构成半定位块体．

3 监测项目及其布置

主要布置了8个监测断面(桩号：左厂0-051.6、左厂0-012.9、左厂0+018.4、左厂0+076.0、左厂0+152.0、左厂0+228.0、左厂0+328.0)，平面布置如图3所示，典型监测断面如图4～6所示．

图3 左岸地下厂房监测断面布置图

图4 左厂0-051.6(副厂房)断面图

图5 左厂0+228.0(7号机组)断面图

图6 左厂0+328.0(安装场)断面图

1)8个监测断面目前共布置63套多点变位计，每个断面布置6～8套四点式或五点式变位计．为能够获得主厂房在开挖初期及全过程岩体内部各点变位情况，确定洞壁围岩松动区，布置于顶拱与拱肩(拱脚)监测岩体变位的多点变位计，都从上层观测锚固洞内钻孔、超前预埋安装，其锚固头从洞壁向围岩方向由外(距洞壁表面1.5 m)至里按密到疏的原则布置．测头布置在观测锚固洞底板，最大埋设孔深40 m左右．四点式变位计A、B、C、D锚头埋设深度分别距洞壁表面1.5 m、3.5 m、6.5 m和11 m，五点式变位计A、B、C、D、E各锚头埋设深度分别距洞壁表面1.5 m、3.5 m、6.5 m和11 m、17 m．

2)8个监测断面目前共布置38台锚索测力计．厂顶锚固观测洞布置锚索测力计均在洞室围岩上部的锚固观测洞中安装和张拉，厂房布置锚索测力计在厂房内进行安装和张拉．每束锚索由14根钢绞线组成，锚具型号为YJM15-14，张拉荷载为2 000 kN和2 500 kN两种类型，共分五级张拉．

3)8个断面目前共布置了116套锚杆应力计，每个断面布置2～22套锚杆监测锚杆应力及其变化．三点式锚杆应力计A、B、C测点具体位置分别距锚杆尾端(围岩表面)2.0 m、4.0 m和6.0 m处或1.5 m、3.5 m和6.5 m；两点式锚杆应力计A、B测点具体位置分别距锚杆尾端(围岩表面)2.0 m、6.0 m处或1.5 m、6.5 m；单点式锚杆应力计测点距锚杆尾端(围岩表面)4.5 m．锚杆长度为9 m．

4 洞室开挖

主副厂房洞开挖尺寸：438 m×31 m(34 m)×88.7 m(长×宽×高)．厂房1层长453 m(含空调机房)，宽34 m，高13.5 m．左岸地下主厂房洞室开挖自2014年5月开工，主厂房设计分10层开挖，目前完成主副厂房上部共3层的支护开挖施工．

一层扩挖前厂房顶拱中导洞已完成开挖、支护施工，中导洞断面尺寸为12 m×10 m(宽×高)，主厂房第一层分层高度为13.6 m，高程范围EL624.6～EL611.0，扩挖施工分四区进行．2014年12月底第Ⅰ层开挖结束，2015年1月完成开挖支护．

主厂房第II层分层高度为3.6 m，高程范围EL611.0～EL607.4，扩挖施工分三区进行．2015年5月21日第II层开挖结束，2015年6月份支护完成．

主厂房第Ⅲ层分层高度为11.4 m，高程范围EL607.4～EL596.0，扩挖施工分三大区、十小区进行．2015年11月23日第III层开挖结束，2015年12月支护完成．左岸厂房分层分区开挖剖面图如图7所示．

图7 左岸厂房分层分区开挖剖面图

5 监测成果与分析

5.1 围岩变形

左岸地下厂房顶层和岩台梁部位围岩变形在-2.52 mm～41.38 mm之间，8个监测断面中，上游侧变形最小，顶拱变形最大．最大位移(41.38 mm)，发生在3号机组(0+076)顶拱，大部分断面围岩变形小于10 mm．

1)围岩变形与爆破开挖施工程序关系密切，即空间效应为主要影响因素，且第Ⅰ层开挖为顶拱围岩变形的主要部分，第II层和第Ⅲ层开挖对拱肩和岩台梁部位变形影响较大，0+076断面顶拱围岩变形过程线图如图8所示(变形最大)，0+018断面上游侧拱脚处围岩变形过程线图如图9所示(第Ⅲ层开挖影响较大)，0+012断面下游岩台梁处围岩变形过程线图如图10所示(第Ⅲ层开挖影响较大)．顶拱部位围岩变形已呈现出收敛趋于稳定状态，拱脚和边墙部位围岩变形仍在缓慢增加．

图8 3号机组0+076断面顶拱Mzc0+076-2时序过程线

图9 2号机组0+018断面上游侧拱脚Mzc0+018-1时序过程图

图10 1号机组0-012.9断面上游岩台梁Mzc0-012-4时序过程线

2)围岩变形随岩体深度分布，表层(1.5 m深度)最大，随围岩深度增加变形逐渐减弱，典型断面围岩变形分布如图11所示(截至2015.12.21)和见表1．围岩出现较大变形时段，均是在各序次开挖掌子面接近监测断面前、后约1倍洞径附近位置，之后随开挖掌子面远离监测断面以及围岩支护及时跟进，围岩变形逐渐收敛并趋于稳定，这一现象符合地下洞室开挖过程围岩变形一般规律[2]．

图11 左岸主厂房0+076断面和0+152断面围岩位移分布图

距离边墙不同深度/m1.53.56.511.0顶层不同深度变形平均值/mm11.588.496.553.41上下游岩台梁处/mm13.6213.088.795.85

3)顶拱围岩最大变形为左厂0+076.0断面顶拱41.38 mm、28.96 mm(Mzc0+076-2，1.5 m深度、3.5 m深度)，其次为左厂0+228断面下游岩台梁34.87 mm(Mzc0+229-3，3.5 m深度)，再次为左厂0+018.4断面上游拱脚34.53 mm(Mzc0+018-1，6.5 m深度)如图12所示．

图12 左岸地下厂房不同部位围岩位移分布图

顶拱变形为洞室开挖围岩全过程变形，边墙变形则为开挖后期部分变形，依据顶拱全过程变形成果估算，边墙监测到的变形可能丢失总变形量的80%左右[2]．大部分部位围岩变形在10 mm以下，见表2．变形量超过40 mm的部位为0+076断面顶拱部位，由左岸地下厂房地质剖面图(图2)可以看出，1号机组(0-12.9)、2号机组(0+18.4)、3号机组(0+76)在厂房0-71.6 m～0+150 m段LS3152及同组裂隙的影响范围内，7号机组(0+279)在缓倾角节理裂隙密集带范围内，其变形总量相应较大．

表2 左岸地厂围岩位移分布比例表

5.2 锚索荷载

锚索测力计当前荷载在1 551.34～3 011.81 kN(0+077顶拱)之间，其中当前荷载小于2 000 kN的有33台；荷载损失率在-56.50%～2.85%之间，损失率小于-10%的有12台，大部分锚索荷载增加不明显．典型锚索荷载过程线如图13～15所示，荷载损失率分布比例见表3，从图中可以看出，锚索荷载仍在持续增加，受地质缺陷影响，0+077断面顶拱部位锚索荷载在洞室开挖初期增长较大，随着支护结束，增长逐渐趋缓，但仍有小幅增加．

表3 左岸地下厂房锚索荷载损失率分布比例表

图13 3号机组0+077断面顶拱锚索测力计DPzc0+077-1荷载时序过程线

图14 3号机组0+076断面下游边墙DPzc0+076-2荷载时序过程线

图15 8号机组0+266断面上下游边墙荷载时序过程线

5.3 支护锚杆应力

当前锚杆应力在-82.51～597.40 MPa(0+042顶拱)之间，当前锚杆应力大部分小于50 MPa．典型锚杆应力过程线如图16～17所示，典型断面应力分布如图18～19所示．

图16 8号机组下游侧拱肩621 m高程ASzc0+279-2时序过程线

图17 安装场0+328下游侧拱肩Mzc0+328-2时序过程线

图18 左岸主厂房0+152断面锚杆应力分布图

图19 左岸厂房安装场锚杆应力分布图

当前锚杆应力超过300 MPa的测点有4个，分别在0-051上游侧拱肩、0+042顶拱、0+279下游侧拱肩、0+328顶拱，应力在200～300 MPa之间的测点有6个，锚杆应力分布比例见表4．

表4 左岸地厂围岩锚杆应力分布比例表

距边墙1.5～2.0 m处锚杆应力平均值为74.34 MPa，距边墙3.5～4.0 m处锚杆应力平均值为71.85 MPa，距边墙6.0～6.5 m处锚杆应力平均值为46.56 MPa．在洞室开挖过程中，遵循分区分序开挖、及时跟进支护、监测信息反馈、严格控制开挖过程质量，保证开挖体型等施工原则，对于监测发现的围岩变形、锚索(杆)受力较大部位，及时进行设计调整及工程加固处理，取得较好效果，保证了施工安全及工程进度．

6 结 语

1)顶拱洞室围岩变形主要为第Ⅰ层开挖影响所致，以下各层开挖对顶拱变形影响较小，主要表现为时效变形．第II层和第Ⅲ层开挖对拱肩和岩台梁部位变形影响较大．

2)围岩变形由表及里呈递减分布，表面变形最大．边墙变形小于顶拱，其原因是顶拱为洞室开挖全过程变形，边墙为少部分变形．

3)存在地质缺陷部位的预应力锚索在洞室开挖初期荷载增加较大，在第Ⅰ层开挖结束后，增加趋势变缓，但仍有小幅增加．

4)锚杆处于拉应力状态，超过100 MPa的测点在20%以内，锚杆工作状态正常．

5)1号机组(0-12.9)、2号机组(0+18.4)、3号机组(0+76)在厂房0-71.6m～0+150 m段LS3152及同组裂隙的影响范围内，7号机组(0+279)在缓倾角节理裂隙密集带范围内，其变形总量、锚杆应力和锚索荷载相应较大，这一变形规律与地质条件吻合，符合工程实际．

综上看出，与国内同类工程相比，存在地质缺陷部位围岩变形略大(小湾水电站拱座32 mm，边墙114 mm；溪洛渡水电站顶拱11 mm，边墙27 mm；向家坝水电站顶拱为10.83 mm(12.74 mm、32.10 mm为爆破影响，局部表层岩石松动)，边墙5.93 mm)，且随厂房继续下挖，围岩变形将继续增长．但结合地质条件及开挖过程分析，变形规律和受力状态正常，洞室围岩处于稳定状态，安全监测成果为开挖施工安全、围岩稳定性评价及优化设计等方面发挥重要作用．

[1] 刘国锋，冯夏庭，江 权，等．白鹤滩大型地下厂房开挖围岩片帮破坏特征、规律及机制研究[J]．岩石力学与工程学报，2016，35(5)：865-878．

[2] 袁培进，孙建会，刘志珍，等．向家坝水电站地下主厂房围岩稳定监测分析[J]．岩石力学与工程学报，2010，29(6)：1140-1148．

[责任编辑 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

国家重点基础研究发展计划项目(2013CB035900)

胡旭阳(1984-)，男，助理工程师，主要从事大坝安全监测工程管理及监测成果分析工作．E-mail：1105688386@qq.com

TV731.6

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