白鹤滩水电站左岸地下厂房施工期围岩稳定安全监测分析

段 涛，段 杭，任大春，胡旭阳，游家兴

(1.中国电建集团国际工程有限公司，北京 100036； 2.中国三峡建工(集团)有限公司 白鹤滩工程建设部，四川 宁南 615421)

1 研究背景

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县交界的峡谷中，是金沙江下游4个梯级电站中的第二级，电站总装机容量16 000 MW，左右岸各布置8台1 000 MW立式水轮发电机，计划于2021年发电。电站枢纽由拦河坝、泄洪消能设施、引水发电系统等主要建筑物组成。拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程834 m，最大坝高289 m。引水发电系统左右岸基本对称布置，由进水压力管道、主副厂房、主变室、尾水管检修闸门室及尾水调压室、尾水隧洞等组成。其中左右岸主副厂房尺寸为长438 m×宽34 m(岩梁以下宽为31 m)×高88.7 m，水平埋深600～1 000 m，垂直埋深260～330 m。

白鹤滩洞室群规模巨大，地质条件复杂，厂区地应力高，开挖期间面临着高地应力下脆性玄武岩破裂、层间层内错动带变形和柱状节理玄武岩松弛等影响地下厂房围岩稳定的岩石力学问题[1]。高地应力下脆性岩体破裂问题在我国西南地区水电站地下厂房中较为突出，锦屏I 级水电站地下厂房施工期围岩变形开裂特征与地应力状态、岩体结构、围岩的力学性质及施工开挖和洞室密集程度、开挖尺寸等密切相关[2]。江权等[3]、刘国锋等[4]通过对白鹤滩地下厂房第Ⅰ层开挖期间现场所收集的围岩破坏信息和连续观测的岩体钻孔摄像进行分析，归纳了围岩片帮破坏的分布规律和发展趋势，围岩表面的破坏与内部的时效开裂具有协调性、时效性，揭示了围岩开裂与应力集中、变形的辩证关系。李帅军等[5]对白鹤滩水电站主厂房第I 层开挖期围岩变形分布规律与厂区地应力的关系、不同岩体变形量和速率与开挖的关系进行了分析。柯传芳等[6]通过声波测试分析认为白鹤滩左岸坝基柱状节理岩体松弛深度在开挖44 d后基本稳定，并统计柱状玄武岩的松弛深度。段淑倩等[7]对白鹤滩地下洞室因错动带导致工程岩体结构变形失效或破坏的实例归纳总结，从结构控制因素上将含错动带岩体的破坏模式划分为塑性挤出型拉伸破坏、结构应力型塌方/掉块、剪切滑移型破坏3种类型，揭示3种破坏模式对应的力学机制。以上对白鹤滩地下洞室围岩稳定研究均有参考意义。

白鹤滩水电站地下厂房布设有多种安全监测仪器设备，本文从大量第一手的安全监测数据成果入手，结合地质、地应力、施工等情况，综合分析左岸地下厂房施工期围岩变形、支护应力的特性、规律和原因，对现在支护措施效果进行评价，并为后续开挖期间围岩稳定控制提供指导意见，具有重要的参考价值。

2 地质条件和施工概况

2.1 岩性特征和地质构造

左岸地下厂房地层为单斜构造，岩层总体产状为N40°～45°E、SE∠15°～20°，倾向上游和右岸，地层走向与厂房轴线小角度相交，交角20°～25°。岩性主要为P2β31层斜斑玄武岩、杏仁状玄武岩、角砾熔岩、隐晶质玄武岩，为典型的硬脆性岩石，以Ⅲ类围岩为主，局部发育柱状节理玄武岩。层内错动带LS3152宽2 cm，在顶拱桩号0-071.6 m—0-038 m揭露，同组节理裂隙发育。层间错动带C2厚度为10～30 cm，斜穿厂房边墙中下部，在上游边墙出露高程为548～592 m，在下游边墙出露高程为556～600 m。陡倾的断层f721、f717、f720和长大裂隙T721、T720在边墙和拱肩位置出露。上游边墙工程地质剖面见图1[8]。

图1 左岸主副厂房上游边墙工程地质剖面Fig.1 Engineering geological profile of the upstream side-wall

2.2 初始地应力条件

白鹤滩水电站两岸厂房区受构造错动和河谷下切改造作用影响，以构造应力为主。左岸厂区水平应力大于垂直应力，第一和第二主应力基本水平，第三主应力大致垂直。最大主应力约19～23 MPa，方位在N30°～50°W 之间，与地下厂房洞室轴线方向夹角约50°～70°，倾角5°～13°[8]，属高地应力环境。

2.3 分层开挖与支护

左岸厂房分10层开挖，第 Ⅰ —第 Ⅳ 层开挖顺序为1区→2区→3区…→6区(图2)，2014年6月中导洞先开挖，后序一般为下游侧先开挖。设计边线光面爆破成型。2015年12月第Ⅲ层(岩台层)开挖支护完成，再进行第Ⅳ层边墙的预裂爆破，后浇筑岩台梁混凝土，2016年6月岩台梁混凝土浇筑完成并开始第Ⅳ 层开挖，2016年9月第 Ⅳ 层基本开挖完成。

图2 左岸地下厂房分层开挖示意图Fig.2 Layered excavation of left bank underground powerhouse

顶拱和边墙以系统支护为主，局部加强支护为辅，支护措施见表1。

表1 支护措施汇总Table 1 Summary of support measures

3 围岩监测布置

左岸厂房布置8个监测断面，编号1#—8#(图3)，典型断面地质情况和监测布置如图4所示(M为多点变位计，AS为锚杆应力计，DP为锚索测力计)。截至2016年10月安装多点变位计64套、锚索测力计63台(顶拱2 000 kN的27台、边墙2 500 kN的36台)、锚杆应力计63套(152支)。本文介绍Ⅰ层至Ⅲ层监测仪器在第Ⅵ层开挖完成后(截至2016年10月中旬)监测成果。

图3 左岸地下厂房监测断面布置Fig.3 Layout of monitoring sections for the left bank underground powerhouse

图4 0+076 m断面监测仪器布置Fig.4 Layout of monitoring instruments in 0+076 m section

顶拱和岩台层变位计从厂顶锚固观测洞和上下游排水廊道向厂房侧预先安装，测点距开挖面分别为1.5、3.5、6.5、11.0、17.0 m和1.5、3.5、6.5、15.0 m，获取了施工期全过程的围岩变形情况。上下游边墙高程600 m变位计为开挖后安装。

4 监测成果分析

4.1 围岩变形特征

顶拱围岩变形最大为41.4 mm，位于0+076 m顶拱中心；上、下游拱脚围岩变形最大分别为40.9、28.18 mm，均位于0+018 m桩号(图5(a))；从地质图和现场来看0-071.6 m—0+100 m段为层内错动带，LS3152等在顶拱影响范围，1#机至3#机岩体节理裂隙发育，在第Ⅰ层开挖后顶拱岩体破碎较为明显，同时0+018 m桩号发育有断层f721。上、下游岩台部位围岩变形最大分别为39.49、46.65 mm，位于0-012 m、0+228 m桩号(图5(b))；上游岩台0-012 m区域发育有错动带LS3152和陡倾角裂隙；下游岩台0+228 m区域发育断层f717和长大裂隙T720、T721。由此可知，围岩变形大的部位地质情况复杂。

图5 顶拱围岩变形、上下游边墙围岩变形Fig.5 Deformations of surrounding rock of top arch and upstream and downstream sidewalls

4.2 支护应力特征

4.2.1 锚杆支护应力

顶拱和边墙分别有锚杆应力计43套(112支)、20套(40支)，设计值抗拉强度400 MPa，顶拱锚杆应力在-94.15～625.14 MPa(0+042 m顶拱中心，超量程)，边墙锚杆应力在-5.76～260.26 MPa，大部分锚杆应力<100 MPa，少量超过设计值(图6)。

各部位锚杆应力特征值见表2，顶拱开挖面从浅至深锚杆应力均值逐渐减小，同时上游拱肩/拱脚应力>顶拱中心应力>下游拱肩/拱脚应力；边墙深度1.5～2.0 m和6.0～6.5 m锚杆应力相当。

表2 距开挖面不同深度的锚杆应力统计Table 2 Statistics of bolt stress in different depths

4.2.2 锚索荷载

顶拱锚索测力计锁定荷载为1 565～1 924 kN，累计荷载为1 564～3 136 kN(0+076 m顶拱中心，超量程)，损失率在-88.18%(负值表示荷载增长)～4.57%，大部分荷载比锁定值大(表3)，有4台锚索荷载超过设计值2 000 kN(见图7)，分别位于0-051 m上游拱脚、0+017 m下游拱脚、0+076 m顶拱中心、0+328 m上游拱脚，主要位于错动带LS3152等在顶拱影响区域。

表3 顶拱锚索荷载统计Table 3 Statistics of anchor bolt stress at top arch

图7 顶拱锚索测力计荷载分布Fig.7 Distribution of anchor bolt stress at top arch

上下游边墙锚索测力计锁定荷载为1 450～1 610 kN，累计荷载为1 418～2 232 kN(0+228 m下游边墙高程608 m)，损失率为-49.69%～4.90%，大部分荷载比锁定值大(表4)，但均未超过设计值2 500 kN(图8)。

表4 边墙锚索荷载统计Table 4 Statistics of anchor bolt stress at side-walls

图8 上下游边墙锚索测力计荷载分布Fig.8 Distribution of anchor bolt stress at upstream and downstream side-walls

以上分析可知，大部分锚索荷载大于锁定值但未超过设计荷载，说明锚索支护受力效果较好，且目前有较好的荷载余度；同时下游边墙锚索荷载相对大些。

4.3 围岩变形空间分布规律与分析

4.3.1 上下游方向围岩变形规律

从图5可知，除了地质情况复杂洞段以外，一般洞段下游拱脚围岩变形相对大，顶拱中心次之，上游拱脚最小；下游边墙围岩变形大于上游边墙。

4.3.2 厂房轴线围岩变形规律

沿主厂房轴线方向，顶拱内错动带LS3152等、边墙上断层f721、f717和长大裂隙T720、T721影响区域的围岩变形相对较大，其他部位相对较小。

4.3.3 围岩变形深度

各部位距离开挖面不同深度区域的围岩变形见图9。顶拱中心0+076 m桩号距离开挖面6.5～11.0 m和深度>11 m区域的围岩变形为7.56～9.96 mm，其他桩号围岩变形主要发生在距离开挖面6.5 m以内。上游拱脚0+018 m桩号围岩变形主要在距离开挖面6.5～11.0 m，其他桩号围岩变形总体较小。下游拱脚0+018、0+076、0+152、0+228、0+328 m桩号距开挖面>11 m区域围岩变形为8.76～13.68 mm。上游岩台0-051、0-012、0+228 m桩号距开挖面6.5～15.0 m区域变形为8.55～16.09 mm，上游岩台0-012、0+018、0+328 m桩号距开挖面>15 m区域变形为19.90～24.63 mm；下游岩台除了0+076 m桩号以外其他部位距开挖面大于15 m区域围岩变形为7.69～13.38 mm。

图9 各部位不同深度区域围岩变形Fig.9 Surrounding rock deformation of different depths at different locations

顶拱从浅至深锚杆应力均值逐渐减小，与顶拱围岩变形深度以浅层为主的规律一致。边墙深度1.5～2.0 m和6.0～6.5 m锚杆应力值相当，与边墙变形深度较大有关。

错动带、断层和裂隙等地质构造影响部位的围岩变形大，变形深度也相对较大；一般洞段下游拱脚变形深度大于顶拱中心和上游拱脚。上下游岩台部位围岩变形和深度比顶拱大，深层变形较明显，尤其是下游岩台。围岩变形大的部位锚杆应力和锚索荷载也相应较大，支护应力空间分布规律与围岩变形相同。

4.3.4 围岩变形空间分布规律分析

施工期洞室监测的围岩变形是地质条件、地应力和开挖等多种因素共同作用的结果。

白鹤滩坝趾岩层总体倾向上游和右岸，受倾向上游侧和河谷侧的初始地应力场特征影响，最大主应力方向倾向上游临江侧，开挖后下游侧拱肩最大初始主应力释放较上游侧剧烈，卸荷松弛变形较上游侧显著。施工是影响围岩位移和稳定性的主要外部因素，不同的开挖方案和进度，对应围岩不同的加卸荷路径和变化速率，导致洞周围岩产生不同程度的力学响应(变形、应力集中、破坏等)。由于地下厂房下游侧一般先开挖，开挖应力调整和响应的次数更多。在地应力场特征和施工的影响下，从上下游方向来看，一般洞段的下游拱脚围岩变形总量较大，其变形深度也较大。

层内错动带LS3152在顶拱出露位置(图1和图4)岩体破碎，开挖后其下盘岩体的卸荷松弛变形相比岩体完整洞段明显。同时在LS3152下盘岩体中，洞室开挖后会形成局部应力场，其应力集中程度相比一般洞段更加突出，进而使得岩体破坏的程度和深度进一步增加。在各影响因素中，控制岩体结构完整性的结构面和软弱构造是围岩稳定性的主要内在因素，这种现象在多个水电站地下厂房围岩变形中有体现[2,9-10]。在轴线方向上，结构面影响区域的围岩变形和深度相对较大。

同时在厂区初始应力场影响下，厂房开挖过程中会在上游拱肩和下游墙脚形成应力集中(图10)，主要承担浅层支护作用的锚杆应力监测成果反映上游拱肩/拱脚应力比顶拱其他部位锚杆应力大，承担深层支护作用的锚索监测成果反映下游边墙锚索荷载比上游边墙大。当应力集中区重分布主应力达到一定程度时，硬脆性玄武岩表层会出现开裂、片帮剥落等破坏现象，现场情况验证了这种特性，上游拱肩和下游墙角出现了不同程度的围岩开裂、片帮剥落现象[4]。

图10 左岸厂房上部开挖后地应力示意图Fig.10 Sketch of geostress after excavation of the upper part of left bank powerhouse

顶拱由浅至深的锚杆应力均值逐渐减小，第Ⅰ层至第Ⅳ层开挖过程中上游拱肩应力集中引起的岩体开裂、片帮剥落破坏以浅层为主。顶拱部位变位计提前从厂顶锚固观测洞预先安装，为保护仪器在开挖过程中不被损坏，最靠近厂房的测点距离开挖面1.5 m，因此开挖面至1.5 m这个范围的浅层开裂和变形情况是不能捕捉到的，从另一个方面解释了监测到的上游拱脚的围岩变形相对小些。但随着开挖进行,应力持续调整，开裂深度可能会发展，深层变形可能增大。

上一层开挖时下游墙脚应力集中，下层开挖后下游墙脚应力释放围岩松弛，随着下挖进行，应力集中到松弛的过程多次反复，而经历了这种应力集中后的松弛，岩体破坏范围更广、变形深度也会更大。此外下游侧边墙岩层倾向临空面方向(图4)，不利于岩体稳定，岩体相对更容易变形。因此下游岩台部位围岩变形比上游侧较大和较深；从监测成果来看，下游边墙锚索荷载相对大些；从现场开挖实际情况来看，下游岩台成型比上游差。

4.4 分层开挖顶拱变形增量

各层开挖增量如图11所示，顶拱中心和下游拱脚以第Ⅰ层变形增量为主，第Ⅱ—第Ⅳ层变形增量较小。上游拱脚部位0+018 m断面在第Ⅰ—第Ⅲ层开挖增量基本相当；其它断面各层增量均较小。上下游岩台目前变形主要以Ⅲ层变形增量为主，除了个别断面外Ⅳ层变形增量较小。

图11 顶拱围岩变形开挖增量Fig.11 Increments of surrounding rock deformation of top arch during excavation

0+076 m顶拱中心Ⅰ层、Ⅱ层、Ⅲ层、Ⅳ层开挖期间各测点围岩变形最大增量分别为37.33、3.27、4.39、1.04 mm，其中Ⅲ层高度为11 m，Ⅱ层和Ⅳ层高度分别为4 m，随着厂房下挖，顶拱围岩变形分层开挖增量逐渐减小；岩台部位围岩变形分层开挖增量变化也具有相同规律。在顶拱或岩台部位开挖前，通过周边小洞室提前安装监测仪器全程监测开挖期间围岩变形情况是必要的。

4.5 典型部位安全监测成果综合分析和工程措施

4.5.1 综合分析

下面以围岩变形最大的0+076 m顶拱中心为例，分析其围岩变形和支护受力变化规律和特性(图12和图13)。

图12 左厂0+076 m顶拱中心围岩变形和锚索荷载 变化过程线Fig.12 Curves of deformation and anchor bolt stress at top arch center of left bank powerhouse 0+076 m

图13 左厂0+042 m和0+076 m顶拱中心锚杆应力变化 过程线Fig.13 Curves of bolt stress at top arch center of left bank powerhouse 0+042 m and 0+076 m

锚杆应力最大值为625.14 MPa(0+042 m顶拱中心)，0+076 m顶拱中心锚杆应力为203.75 MPa(为第1区上下游侧扩挖时，随后仪器失效)，顶拱锚索荷载最大3 136 kN(0+076 m顶拱中心)；围岩变形大的部位锚杆应力和锚索荷载也相应较大。

从图12和图13可以看出围岩变形、支护应力与开挖一般呈台阶状增长，随着下挖进行围岩变形分层开挖增量逐渐减小。开挖期间围岩变形和支护应力均有明显增长，开挖暂停后围岩变形基本稳定，岩台梁混凝土浇筑期间顶拱中心围岩变形和支护应力趋于收敛。同时从表5可看出各层开挖围岩变形增量和支护受力增量占比基本相当，呈现变化一致性，支护受力效果较好。

表5 各层开挖围岩变形增量和支护受力增量占比统计Table 5 Statistics of surrounding rock deformation increment and bolt stress increment during excavation in each layer

4.5.2 工程措施

0+076 m顶拱中心围岩变形以浅层(6.5 m以内)为主，6.5～11 m和11～17 m具有一定变形(表6)，对顶拱变形较大、较深和地质条件较差的部位采取了较强的支护措施(9 m预应力锚杆和4排对穿锚索)，上下游拱脚各采取了3排预应力锚索和9 m锚杆支护。从目前的监测成果来看，上下游拱脚围岩变形最大(18.03 mm)；上下游拱肩、拱脚锚杆应力最大(275.55 MPa)，上下游拱脚锚索荷载最大(1 734 kN)，均未超过设计值，说明0+076 m上下游拱脚的支护措施能满足强度要求。从图12可以看出，第Ⅲ层开挖后至第Ⅳ层开挖期间0+076 m顶拱中心深度>6.5 m区间围岩变形已收敛，但浅层变形仍有缓慢增长，且锚索荷载仍有增长并超设计值较多，后续开挖仍需要关注该部位顶拱中心的围岩变形和支护应力。

表6 0+076 m顶拱中心各区间围岩变形统计Table 6 Statistics of surrounding rock deformation at different intervals of top arch center 0+076 m

受错动带LS3152和断层f721影响的0+018 m上游拱脚在下层开挖期间应力多次调整，变形持续发展，其第Ⅰ—第Ⅲ层开挖增量基本相当，呈现出变形的程度和深度随之加大的趋势(图14)，同时上游拱脚锚索荷载达到了2 156 kN，超设计值。

图14 左厂0+018 m上游拱脚位移过程线Fig.14 Curves of displacement of upstream arch foot of left bank powerhouse 0+018 m

左岸地下厂房采取了系统的浅层和深层相结合的支护方案，顶拱大部分区域变形以浅层为主，一般洞段顶拱在开挖支护完成后变形基本收敛，围岩变形得到了控制，锚杆和锚索应力仍有余度。但在错动带和断层等地质构造影响的部位(0+076 m顶拱中心和0+018 m上游拱脚)需要根据监测情况动态调整支护措施。

为有效地控制岩台成型，第Ⅲ层开挖时从减小开挖损伤、预处理和围岩稳定性控制3个方面采取了处理措施[11]。岩台层精细开挖减小损伤：开挖分三层六序，中间层、预留两侧保护层和岩台保护层，严格遵照开挖顺序(图2)，精细爆破；开挖之前先进行中部预裂拉槽，通过降低中间层开挖爆破对两侧保护层围岩影响来减小对岩台岩体损伤，作双层保护；两侧预留保护层采用薄层垂直光面爆破(最小层高3.0 m)，尽量减弱对岩台保护层的损伤；岩台层开挖支护完成后进行第Ⅳ层边墙的预裂爆破，提前释放应力，待岩台梁混凝土浇筑完成再开挖第Ⅳ层，减小对岩台梁和围岩影响。预处理限制岩体松弛保成型：岩台下拐点开挖前进行锁口锚杆支护；岩体破碎部位，在岩台保护层开挖前实施树脂锚杆锚固。加强围岩稳定性控制：岩台上拐点和岩台下部墙体快速布置系统锚索；岩台梁受拉锚杆和受压锚杆之间区域在开挖后快速支护2排系统锚杆。

从第Ⅲ层和第Ⅳ层开挖后的变形情况来看，随着开挖支护完成，岩台变形趋于收敛，说明这些控制措施是行之有效的。

5 结 论

(1)白鹤滩水电站地下厂房利用周边小洞室提前安装监测仪器，获取了施工期全过程的围岩变形变化情况，有利于全过程监控洞室围岩稳定。

(2)错动带、裂隙和断层等地质构造影响的部位围岩变形总量和变形深度均相对较大。在初始地应力场特征和施工的影响下，一般洞段的下游拱脚围岩变形和深度较大，同时也会在上游拱肩和下游墙脚形成应力集中区；随着厂房下挖，上游拱肩应力集中达到一定程度时岩体会出现表层开裂、片帮剥落等现象，而下游墙脚应力由集中到松弛反复，造成下游边墙岩体破坏范围更广、变形深度更大。

(3)截至第Ⅳ层开挖，左岸厂房顶拱围岩变形最大为41.40 mm。一般洞段顶拱围岩变形主要发生在第Ⅰ层开挖期间，随着下挖进行围岩变形分层开挖增量逐渐减小，且在开挖支护完成后变形基本收敛；锚杆应力大部分<100 MPa，锚索荷载大部分未超过设计值，支护应力仍有较好的余度；围岩稳定基本得到了控制。但地质构造影响的部位(0+076 m顶拱中心和0+018 m上游拱脚)，在各层开挖时围岩变形和锚索荷载出现了不同程度的增长，后续应动态调整支护措施。

(4)边墙围岩变形最大为46.65 mm，锚索荷载损失率大部分在-10.0%～5.0%，均未超过设计值，开挖支护完成岩台变形趋于收敛。按照三层六序、精细爆破、双层保护的开挖方式；岩台层开挖后先进行下层边墙的预裂爆破，提前释放应力，再浇筑岩台梁混凝土；岩台下拐点开挖前进行锁口锚杆支护，岩体破碎部位在岩台保护层开挖前实施树脂锚杆锚固；快速进行锚杆和锚索支护加强围岩稳定性。这些措施有效地控制了边墙变形，提升了岩台成型效果。