丰宁抽水能蓄电站地下厂房混凝土裂缝分析及处理措施

张正荣，钱信超，严 何

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司工程实验监测院，陕西 西安 710043）

1 工程概况

丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内。工程装机容量3600 MW，为一等工程，大（1）型规模。分两期建设，本期装机容量1800 MW，安装6台单机容量为300 MW的可逆式水泵水轮机组。枢纽工程建筑物主要由上水库、水道系统、地下厂房系统、蓄能专用下水库及拦沙库等组成。地下厂房系统均布置于山体中，三大洞室平行布置。地下厂房轴线方向为SN，埋深为245 m～315 m，厂房总尺寸为地下厂房河室总开挖尺可为 414.0 m×25.0 m×54.5.0 m(长×宽×高)，二期厂房开挖尺寸为171.5 m×25 m×54.5 m。地下厂房轴线方向为SN，埋深为245 mm～315 mm。岩性为微风化中粗粒花岗岩，厂房四周均有断层发育，上游为f363，下游为f347、f348，左侧为f375，右侧为f350，厂房及主变室即位于上述断层所围地块中，但上述断层均未切割主体建筑物。

厂区的裂隙较为发育，按走向可分为NE和NW两组，均为共轭的剪切节理。地下厂房及主变室围岩较完整，岩体以块状结构为主，局部为次块状结构或整体状结构。厂房围岩属Ⅲ类偏好，即以Ⅲa为主，局部为Ⅲb或Ⅲc，断层出露部位为Ⅳ类。

最大水平主应力值多在12MPa～18MPa，最大水平主应力方向为NE69～83°，表明工程区现今构造应力场为以NEE～EW方向为主。

2 安全监测仪器布置情况

二期地下厂房（桩号厂左0+206.50～厂左0+378.00）设3个主监测断面，4个辅助监测断面。主断面编号分别为：V-V（厂左0+246）、VI-VI（厂左 0+294）、VII-VII（厂左 0+342），辅助断面编号分别为：e-e（厂左0+222）、f-f（厂左0+270）、g-g（厂左0+318）、h-h（厂左0+368）。除主监测断面顶拱有渗压计外，7个断面均布置有多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计、收敛测点。

围岩变形监测采用四点式多点位移，围岩支护监测采用锚杆应力计及锚索测力计。仪器型号为振弦式，量程0 mm～100 mm，灵度0.025%F.S，非线性≤05%F.S，温度范围-20℃～80℃。锚杆应力计 Re-4，量程-100～400 MPa，见图 1。

图1 厂左0+222断面监测仪器布置情况图

3 围岩变形监测观测成果及巡视检查结果

主厂房分九层开挖，于2016年6月开始，2017年9月，完成第Ⅲ层开挖，2017年10月18日位移观测结果显示，监测断面位移周变化量-0.08 mm～37.38 mm，其中厂左0+222断面上游边墙多点位移计Me-4变化37.38 mm，累计位移66.14 mm（见表1）。

表1 厂左0+222.00断面位移监测成果表

针对多点位移计Me-4位移突变情况，监测单位及时向相关单位发出了预警，引起了高度重视，随后由监理组织进行外观检查，现场检查发现在厂左0+218.00～厂左0+228.00段，EL1001.00-1002.00部位出现连续水平裂缝，长度约10 m，裂缝宽度2 mm～20 mm，局部有错台现象，裂缝处局部混凝土被压碎，见图2。

图2 地质断层及裂缝位置

4 裂缝原因分析

4.1 围岩变形监测成果分析

该断面上游边墙EL999.00多点位移计编号为Me-4，4个测点的深度分别为 2 m、5 m、10 m、17.5 m，相应测点编号为 1、2、3、4，对应测点仪器编号为Me-4-1～Me-4-4。2017年10月18日4个测点测得累计位移分别为8.04 mm，27.95 mm，/mm（盲区），66.14 mm，位移量较上一周分别增加了0.10 mm、0.28 mm、/mm，37.38 mm，其中4号测点出现位移突变，孔口累计位移量达到66.14 mm。由于3#测点出现盲区，对精确判断位移具体深度造成了困难，初步判断认为距孔口5.0 m～17.5 m段围岩位移发生了突变。与瀑布沟等工程类似[1]，最大变形发生在边墙岩锚梁附近。

4.2 地质构造原因分析

地质资料显示，该洞段发育有f3014和F375两条规模较大断层,地质情况见表2：

表2 地质情况描述

厂左0+218.00～厂左0+228.00段上游侧拱座部位为上述两条断层交汇处,如图2，已形成锲形体，受断层及其影响带影响，岩石强度较低。该主结构面对围岩变形具有控制作用。

为了进一步寻找围岩变形原因和为后续围岩加强支护方案提供设计依据，在多点位移计Me-4附近布置了一个勘探孔，受已浇筑的岩锚梁影响，钻孔位置在上游边墙厂左0+223.00、EL999.00处。勘探结果为：1.8 m～1.9 m、5.7 m～6.6 m、11.8 m～12.7 m、16.9 m～17.0 m、17.3 m～17.5 m等孔段微张～张开、闭合裂隙发育,孔壁岩体较破碎。进一步说明变形区域岩体地质构造不良对变形的影响。

4.3 地应力影响

在深埋的掩体中开挖洞室过程中，地应力与洞室轴线的关系对围岩稳定具有决定性的影响，因此相关规范对地下洞室布置做了明确的原则规定“隧洞的轴线方向宜与最大水平地应力方向有较小交角[2]”。在已建的大型工程中，基本遵循了这一原则，如溪洛渡电站、锦屏一级电站等均为锐角相交。由于地质构造原因，经综合比较，本工程主厂房选择了最大水平主应力作用线与厂房轴线成80°相交，接近垂直的布置方案，与规范规定和类似工程比较交角偏大，对围岩的稳定不利。受地应力的影响，岩体开挖后在拱座处形成很大的应力集中，当应力超过超过围岩的承载能力时，洞壁受压剪胀，喷层混凝土产生鼓裂破坏。

4.4 施工原因分析

围岩变形、应力的发展过程，其关联性还表现在对施工开挖的响应上[3]，其变化过程与安全监测部位附近的开挖放炮、施工扰动密切相关。从变形～时间关系曲线来看是不连续的，呈阶梯状。通过位移～时间关系曲线（见图3）的分析发现，2017年曾出现过3次突变，时间分别在2017年5月9日、7月28日和10月18日，根据现场记载，前两次突变均发生在厂房第Ⅱ、Ⅲ层开挖过程中，爆破后一周内，受震动影响所致。而后一次大的突变则是发生在停工期间（10月27日复工），从第二次突变后至本次突变，反映了围岩的应力积累过程，变形的时间效应明显。

开挖后在上游拱肩处形成很大的应力集中，引起围岩应力重新发布，顶拱、边墙逐步产生型塑性变形,如果在开挖后及时采取支护措施，对控制围岩的变形具有重要意义。在这一关键环节，由于各种因素影响不能及时按设计要求完成支护，或由于支护施工质量等原因，导致支护措施不能有效的节制围岩变形，也会造成围岩前期变形过大。

图3 围岩位移过程线

4.5 上下游边墙不均匀变形

观测结果显示，上、下游边墙多点位移计Me-4和Me-5累计变形分别为66.14 mm；下游为11.24 mm，差值为54.90 mm，过大的变形差异使上游边墙受压过大，导致混凝土喷层破坏。

5 处理措施及效果

5.1 安全监测措施

为及时掌握后续变形发展规律，科学指导施工，在位移发生突变后，进行了加密观测，观测间隔时间根据观测目的、工程需要和岩体位移情况确定[4],由原来的每周一次增加到每天1次，并将每次的监测结果及时通知相关部门，直至围岩变形平稳后方可恢复正常观测频次。因多点位移计Me-4中4#测点即将超过有效量程，2017年11月19日在厂左0+223.00，EL997.00补装了一套同样类型的多点变位计Mcd-1（*），以保证后续安全监测工作正常进行。

5.2 围岩补强加固措施

围岩补强加固方案需根据围岩变形观测结果反映的变形深度和岩体地质工作情况确定，方能达到即经济又合理的的目的，由于围岩位移距离观测孔口较深；补充勘探结果又表明围岩0 m～17.5 m范围内地质条件较差，因此需采用深部补强加固方案，具体方案为：拱座部位采用增加锚索+钢筋肋梁进行加强支护。加固参数为：锚杆Φ28，长度L=5/7 m，间距1.5 m×1.5 m，锚索L=20 m，T=1000 kN,等距离布置。

5.3 裂缝处理措施

将裂缝两边混凝土凿除干净，挂钢筋网后采用C30喷钢纤维混凝土，厚度15 cm。

5.4 处理效果

相关补强加固支护措施于2017年12月完成，突变后历经3个月的观测，两套多点位位移计变化速率小于1 mm/月，目前已经收敛。附近喷层混凝土也没有出现新的裂缝、掉块等现象，后续施工正常。

6 结语

（1）造成厂左0+222.00上游拱角变形大的本质原因厂区裂隙发育、岩石破碎、岩脉的的存在及主要地应力方向与厂房轴线大角度相交。诱因是厂房洞室的开挖爆破，下挖过程中引起应力集中，上下游边墙变形差异过大，而支护措施又不能有效的抑制围岩变形，导致喷混凝土受压破坏。

（2）根据变形深度和地质勘探结果，采取的加固措施是合适有效的。安全监测工作为在本次裂缝发现及处理中起到了关键性的作用。