丰宁抽水蓄能电站二期地下厂房施工期围岩安全监测分析

吕风英，孟宪磊，何 军，贾 晋，王 润

(1.河北丰宁抽水蓄能有限公司， 河北 丰宁 068350；2.长江水利委员会长江科学院 水利部岩土力学与工程重点试验室， 湖北 武汉 430010)

大型地下厂房洞室群是抽水蓄能电站和高山峡谷地区水电站的重要组成单元，在山体内开挖规模宏大的地下空间，将引起洞室群围岩体的强烈卸荷和应力调整，因此在施工期针对围岩开展一系列监测并及时分析其稳定性，是修建大型地下厂房洞室群的一项重要工作。

河北丰宁抽水蓄能电站是目前世界上装机规模最大的抽蓄电站，其二期工程地下厂房开挖尺寸大，围岩岩性复杂，具有较强的蚀变性，且区域断层和长大裂隙等结构面发育，这使施工期地下洞室群围岩的变形特征和稳定性变得复杂[1-8]。工程经验表明，围岩位移和支护受力情况是地下工程稳定性的直接指标，对位移和支护受力情况进行实时监测符合工程动态设计和信息化施工的要求[9-15]。为了保证丰宁二期抽水蓄能电站施工期安全，在二期地下厂房中选择了几个断面布置了多点位移计、锚杆应力计和锚索测力计等监测仪器，以掌握二期地下厂房洞室群围岩变形和支护受力情况，分析其稳定性。本文就丰宁二期抽水蓄能电站主要监测资料进行整理，并分析和评价丰宁二期抽蓄电站地下厂房洞室群的稳定性。

1 工程概况和围岩安全监测方案

1.1 基本资料

丰宁抽蓄电站位于河北丰宁满族自治县境内，距离北京市和承德市直线距离分别为180 km、150 km。电站规划装机容量3 600 MW，为一等工程，大(1)型规模，电站分两期建设，一期工程装机容量1 800 MW，二期工程装机容量1 800 MW。

电站地下厂房系统位于水道系统中部，由主厂房洞、主变洞、交通洞、1#、2#通风洞、母线洞、排水廊道、排风竖井、1#、2#出线洞、1#、2#出线竖井、地面开关站等建筑物组成。一期、二期主副厂房、安装场和主机间呈“一”字形布置，总开挖尺寸为414.0 m×25.0 m×54.5 m(长×宽×高)；一期、二期主变洞平行布置在主厂房洞下游侧，洞室总开挖尺寸为450.5 m×21.0 m×22.5 m(长×宽×高)。二期工程于2015年9月23日开工建设，主要包含2#主副厂房、安装场、2#主变洞、7#—12#主机间、7#—12#母线洞等建筑。

1.2 工程地质条件

地下厂房轴线为近SN向，上覆岩体厚度250 m～330 m。地下厂房系统岩性主要为三叠干沟门单元中粗粒花岗，岩石具花岗结构，碎裂结构，块状构造。在厂房左端墙附近，沿断层f376有石英闪长岩脉侵入。主厂房及主变洞围岩类别主要为III类，而断层、裂隙密集发育部位及岩体蚀变较强部位的围岩为IV类。

根据厂房编录资料，厂房区编录断层11条，宽几厘米到2 m不等，多与厂房轴线大角度相交，中陡倾角为主。共编录长大裂隙千余条，裂隙较发育，按照走向可分为NE和NW两组；除以上两组外，偶见NEE或近EW向裂隙，NNE向裂隙以陡倾角为主，近EW向裂隙以缓倾角裂隙为主。厂区裂隙发育程度受断层控制较为明显，靠近断层部位的岩体裂隙明显多于远离断层部位，不同区域裂隙产状也稍有变化。长大裂隙面存在不同程度的蚀变，根据编录资料统计，具有蚀变现象的裂隙占裂隙总数的27.6%。

可研阶段根据厂道钻孔和勘探平洞揭示，花岗岩蚀变在整个地下厂区普遍存在，在构造带附近尤为严重，主要表现为岩体强度降低，蚀变岩体于钻孔中岩芯呈砂状。花岗岩蚀变带在空间上规律性较差，蚀变带一般沿构造呈条带状分布时，延伸不长，一般小于10 m，宽度2 m左右，轻微至强蚀变均有揭示。受构造和热液蚀变作用影响，蚀变带富集于部分长大结构面上，从而使结构面强度大大降低。

1.3 厂房开挖支护情况和监测布置

丰宁抽蓄二期工程主副厂房总体开挖尺寸为169.5 m×25.0 m×54.5 m(长×宽×高)，主厂房横剖面尺寸和锚杆布置图见图1。截止到2019年5月25日，丰宁抽蓄二期工程主厂房第V层(高程976 m～1 008.5 m)已开挖支护完成，主变洞I层—III层(高程982 m～1 004 m)开挖支护基本完成，岩壁梁混凝土浇筑全部完成，母线洞开挖正在进行。二期主厂房和主变室共布置了7个系统性监测断面，分别位于厂左0+222(7#机组中心线)、厂左0+246(8#机组中心线)、厂左0+270(9#机组中心线)、厂左0+294(10#机组中心线)、厂左0+318(11#机组中心线)、厂左0+342(12#机组中心线)、厂左0+368(副厂房)。在主厂房监测断面上共布置48个四点式多点位移计，埋深分10 m和13 m两种；并埋设52个锚杆应力计和32个锚索测力计。在主变室的监测断面上共布置28个四点式多点位移计，埋深分9 m和10 m两种；并埋设28个锚杆应力计和20个锚索测力计。

图1 主厂房横剖面尺寸和锚杆布置图(单位：mm)

2 主厂房监测结果分析

2.1 围岩变形分析

截至2019年5月25日，二期主厂房的围岩变形最大监测值为76.44 mm，出现在厂左0+270截面下游边墙的999 m高程部位。从总体分布规律来看，边墙部位围岩变形大于顶拱部位，如图2和图3所示。位于二期主厂房厂左0+222、厂左0+246和厂左0+368的监测截面上，上游边墙围岩变形大于下游边墙；位于中间部位的厂左0+270、厂左0+294和厂左0+318的监测截面上，则是下游边墙围岩变形大于上游边墙；而在厂左0+342的监测截面上，上下游边墙围岩变形基本相当。

图2 主厂房上游侧表层围岩变形分布(单位：mm)

图3 主厂房下游侧表层围岩变形分布(单位：mm)

如图4所示，总体上，主厂房的拱顶部位围岩变形量值较大，变形分布在-0.90 mm～54.29 mm，最大值出现在厂左0+342断面的拱顶部位。在布置的7个监测截面中，有5个截面的拱顶围岩变形都大于截面内的上下游拱腰部位围岩变形，其中四个断面变形超过20 mm。主厂房上游边墙围岩变形量值在14.30 mm～70.92 mm，最大量值为70.92 mm，位于厂左0+222高程999 m处；下游边墙围岩变形量值在10.50 mm～76.44 mm，最大量值为76.44 mm，位于厂左0+270高程999 m处。从边墙围岩变形的高程分布来看，边墙上部高程1 000 m附近的围岩变形量整体相对较大。

图4 主厂房各监测断面洞周表层围岩变形最大值柱状图

2.2 锚杆受力分析

总体上，主厂房锚杆应力(不含吊车梁锚杆)超过310 MPa的占5.13%；在200 MPa～310 MPa之间的占8.97%；在100 MPa～200 MPa之间的占20.51%；小于100 MPa的占65.38%，见图5。如图6所示，按深度方向分析：主厂房锚杆应力在2 m深度超过310 MPa的占4%，在200 MPa～310 MPa之间的占9%，在100 MPa ～200 MPa之间的占15%，小于100 MPa的占72%；在4m深度超过310 MPa的占7%，在200 MPa～310 MPa之间的占7%，在100 MPa～200 MPa之间的占28%，小于100 MPa的占59%。

锚杆应力较大的部位主要分布在主厂房的顶拱部位，其次是拱腰和上下游边墙部位。沿深度方向上，总体上是最接近开挖面的2 m测点应力值相对更大。但是，厂左0+294截面和厂左0+368截面的端墙部位内，有较多4 m测点的锚杆应力值比2 m测点的应力值更大，这主要是由于围岩受到开挖面附近节理裂隙等结构面的影响所致。从锚杆应力时程曲线看，其应力增长或剧烈变化的时间段，与其所在的监测断面及邻近洞段的施工开挖活动时间具有显著的关联性。目前，锚杆应力时程曲线已经收敛。

图5 主厂房锚杆不同应力水平比例

图6 主厂房锚杆应力不同深度测点不同量级的比例

2.3 锚索受力分析

目前，主厂房锚索锚固力均未达到其设计荷载。受围岩卸荷松弛作用，锚索受力普遍较大，大部分锚索受力增长，少部分锚索呈松弛特征，相对实际锁定值，应力增加和松弛的锚索数分别占总锚索数的76.67%、23.33%。

在受力增长的锚索中，在超过锁定值的锚索数量和锚索荷载水平方面，下游边墙均明显超过上游边墙及顶拱。如图7所示，在相对锁定值增长的锚索中，超锁定值0.4倍以上的锚索中顶拱有0支，上游有2支，下游有3支；超锁定值0.3倍～0.4倍的锚索中顶拱有0支，上游有2支，下游有3支；超锁定值0.2倍～0.3倍的锚索中顶拱有1支，上游有2支，下游有1支；超锁定值0.1倍～0.2倍的锚索中顶拱有0支，上游有1支，下游有0支；超锁定值0～0.1倍的锚索中顶拱有3支，上游有2支，下游有2支。在预应力损失松弛的锚索中，锚索预应力损失率一般在10%以内，最大损失率为32.07%。

图7 主厂房顶拱及上下游部位受力增长锚索个数

3 主变室监测结果分析

3.1 围岩变形分析

截至2019年5月25日，二期主变室的围岩变形最大监测值为76.66 mm，出现部位为厂左0+246截面内的上游边墙997 m高程。从分布规律来看，边墙部位的围岩变形要大于顶拱部位；除厂左0+222截面的上下游边墙变形基本相当外，其他监测截面内均是上游侧边墙围岩变形大于下游侧。

如图8—图10所示，主变室顶拱部位围岩变形量值总体不大，分布在-0.16 mm～4.45 mm，最大值4.45 mm出现在厂左0+270截面。主变室上游边墙部位的围岩变形分布在6.20 mm～76.66 mm，最大值76.66 mm出现在厂左0+246截面内的上游边墙997 m高程。主变室下游边墙部位的围岩变形分布在4.11 mm～70.40 mm，最大值70.40 mm也出现在厂左0+246截面内的下游边墙997 m高程部位。对比不同监测截面边墙区域的围岩变形监测值，可知厂左0+222和厂左0+246监测截面的围岩变形量值较大，均超过50 mm，其他监测截面的围岩变形量值均在35 mm以内。

图8 主变室上游侧表层围岩变形分布(单位：mm)

3.2 锚杆受力分析

如图11所示，总体上，主变室锚杆应力(不含吊车梁锚杆)均小于310 MPa；在200 MPa～256 MPa之间的有3个测点，占7%；在100 MPa～200 MPa之间的有10个测点，占22%；小于100 MPa的有32个测点，占71%。如图12所示，按深度方向分析：主变室锚杆在2 m深度应力在200 MPa～256 MPa之间的占4%，应力在100 MPa～200 MPa之间的占24%，应力小于100 MPa的占72%；在4 m深度应力在200 MPa～256 MPa之间的占11%，应力在100 MPa～200 MPa之间的占22%，应力小于100 MPa的占67%。

图9 主变室下游侧表层围岩变形分布(单位：mm)

图10 主变室各监测断面洞周表层围岩变形最大值柱状图

图11 主变室锚杆不同应力水平比例

主变室锚杆应力总体上小于200 MPa。锚杆应力值超过200 MPa的部位包括：厂左0+246截面内的上游边墙997 m高程，厂左0+342截面内的上游边墙997 m高程。从锚杆应力时程曲线看，其应力增长或剧烈变化的时间段，与其所在的监测断面及邻近洞段的施工开挖活动时间具有显著的关联性。目前，锚杆应力时程曲线已经收敛。

3.3 锚索受力分析

主变室大部分锚索受力呈松弛特征，少量锚索受力增大。其中，相对实际锁定值，应力增加和松弛的锚索数分别占总锚索数的16.67%、83.33%。

如图13所示，在受力增长的锚索中，超锁定值0.0倍～0.1倍的有2支，占受力增加锚索总数的比例为66.67%；超锁定值0.2倍以上的有1支，占33.33%。松弛的锚索一般应力损失率在20%以内，最大应力损失率为49.36%，位于厂左0+342断面的上游斜拱。目前，二期主变室锚索锚固力均未达到其设计荷载。

图12 主变室锚杆应力不同深度测点不同量级的比例

图13 主变室锚索超锁定值分布图

4 结 语

根据本文开展的针对丰宁二期抽水蓄能电站地下厂房洞室群围岩变形监测和锚固支护受力监测数据的系统性分析，可以获得以下几点认识：

(1) 二期主厂房和主变室的围岩变形量值较大，截至2019年5月25日，最大值分别达到76.44 mm和76.66 mm，且有多个监测截面获得的围岩变形监测值超过60 mm。结合国内外已建的水电站和抽水蓄能电站地下厂房工程实践，相比于岩性、围岩分类、埋深和开挖规模相近的地下厂房，丰宁抽蓄地下厂房二期主厂房和主变室的围岩变形量值偏大。

(2) 根据围岩的变形分布特征，结合开挖揭露的施工地质条件初步分析，认为是围岩内存在的节理裂隙或断层等不连续地质结构，在开挖卸荷作用下易发生张开或错动，进而产生不连续变形，引起围岩变形增大；另一方面，围岩在开挖卸荷后岩体质量下降、围岩强度减小以及围岩内岩体的蚀变现象，也会导致围岩变形增大。

(3) 主厂房和主变室的锚杆应力量值总体正常，局部锚杆应力超过310 MPa，但所占比例较小。主厂房锚索受力较锁定值增加的占比为76.7%，其中锚固力增幅小于20%的占30%，大于20%的占46.7%；主变室锚索受力较锁定值增加的占比为16.7%，其中锚固力增幅小于20%的占11.1%，大于20%的占5.6%。可见，锚索对主厂房围岩起到了较好的加固效果，是保持围岩稳定性的必要支护结构。