万安水电站地下厂房围岩稳定监测分析

朱新星

（江西晨升建设工程有限公司，南昌 330077）

1 工程概况

江西万安水电站位于赣江中游，与赣州市相距90km。电站总装机容量4×10.5+1×11.3=53.3×104kW，保证出力6.2×104kW，年发电量均值15.2×108kW·h。电站以发电为主，兼具灌溉、航运、防洪等综合效益。地下布置的主体性厂房结构按照设计要求主要布设于在大坝坝体右侧岸坡上游80m处，该位置四周主要为层峦山体和茂密丛林，所布置的轴线因为地势等方面的限制也主要与岸坡基本垂直，而轴线水平和铅直方向的埋设深度分别位于125～368m以及104～223m之间。进水口采用岸塔式设计，引水系统为单机单管，尾水洞为变顶式。

该水电站地下厂房洞室高度和跨度均较大，地质条件复杂，洞室安全及稳定与爆破振动及开挖卸荷密切相关。该电站工程所在地地下水以基岩形式的裂隙水为主，岩体中断层以及倾角特征十分明显，裂隙地下水在局部区域内存在富集现象。文章针对该水电站地下厂房洞室受多地质因素耦合作用后的动态变化过程展开监测，以期对地下厂房爆破开挖施工过程中洞室围岩结构的安全稳定提供意见和建议[1]。

2 洞室开挖

该水电站地下结构中的主体性厂房结构按照9 个层次依次开挖施工，每个层次所主要对应的开挖高程等参数取值情况详见表1。在各土层开挖时率先从桩号CZ0+127.500 处为起始点，按照设计要求并分先后次序逐次向CZ0-058.750 处断面拓展延伸，为保证结构的稳定性，避免下一掌子面开挖施工对前一区段造成不利扰动而失稳破坏，必须在每个掌子面开挖后随即按要求搭设系统性功能锚杆，并施以挂网喷涂相应厚度混凝土材料的支护措施。在以上形式的结构中，Ⅰ层拱顶主要由3 段相应的圆弧段组成，其中的洞室按照设计方案中确定出的255.4m 的长度开挖，所对应的开挖宽度为33.4m，总开挖高度达到11.0m。为保证施工过程的安全性以及施工质量，以上开挖严格按照3 个层次展开：依次为中导洞开挖、洞室两侧相应结构的扩挖以及侧墙部位的扩挖。中导洞宽8.0m、高7.0m，两侧各扩宽开挖3.7m，两侧边墙扩挖宽度和底坎开挖宽度均为9.0m，底坎高4.0m，光面爆破。开挖施工从2018 年9 月21 日开始，第Ⅸ层开挖于2021 年6 月结束。

表1 地下厂房洞室分层开挖高程

3 监测设计

水电站地下厂房围岩稳定主要以围岩可能发生的位移、形变、锚固结构实际受力状态等为主要的监测项目。结合该水电站实际情况，总体布设10组断面展开位移监测，这些断面依次编号为Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ、Ⅳ-Ⅳ和Ⅹ-Ⅹ；同时在相应部位布设5 个断面以进行围岩变形程度的监测，依次编号为1-1、2-2、3-3、4-4、5-5，此外，还按照监测目的，在相应部位布设7 个监测断面以展开锚索结构受力情况的监测，依次编号为1’-1’、2’-2’、3’-3’、4’-4’、5’-5’，A-A，B-B。所使用的监测仪器包括多点位移计、锚索测力计、锚杆应力计等。

该水电站主要的厂房结构以及副属的厂房结构均采用的是大型结构的地下洞室建造，根据相应位置实际地质情况，厂房洞室具体位置所布设的各位移监测断面均分别按照0.8m 的间隔距离再布置相应数量的监测剖面，以便于围岩内部潜在位移、围岩可能的松动程度以及锚杆应力等方面展开实时监测；在其余位置所布设的断面只需要在最利于施测部位设置单个监测剖面即可，以实施围岩内部潜在位移程度的监测。

就具体的监测仪器布置情况而言，对于围岩的潜在变形监测项目，总共布设的点位移计多达36 套。此外还应于不同断面的顶拱灌排结构所对应的廊道内部展开3 套点位移监测仪器埋设，便于对具体开挖施工过程中相应部位洞室围岩可能表现出的潜在变形实施监测。随洞室开挖进程，在与主厂房洞壁表面相距0.5m、2.5m、6.5m、14.5m 的深处埋设锚头，上游侧边墙锚头埋深2.0m、6.0m、14.0m、34.0m，下游侧边墙锚头埋深2.0m、6.0m、14.0m、22.0m。

对于各个锚固受力类型的监测断面而言，监测任务较为繁重，所布设的锚杆应力计和锚索测力计总共有124 支和32 台。其中，于洞室上部灌排廊道结构中具体布设顶拱测力计，还应按照相应要求展开张拉；边墙锚索测力计则随开挖进程布设施测，对于单个锚杆应当按照相关要求均匀布设1～3个主要形式的测点。

4 监测成果及分析

4.1 原型断面位移监测

因交通洞断面尺寸大，对主厂房和主变室围岩稳定性的影响也较大，交叉洞口应力复杂，是地下洞室重点衬砌支护区域，故以位于主厂房和交通洞交叉位置的Ⅲ-Ⅲ监测断面为典型断面[2]。该断面布设1#、2#、3#监测孔，1#测孔内从上至下依次布设4 个监测点，编号为M11～M14。

按照先中导洞、后边导洞的次序开挖地下洞室时，观测每一开挖时步内多点位移，并绘制位移-时间曲线。Ⅲ-Ⅲ监测断面1#监测孔各监测点位移曲线见图1。根据图中结果，与地下厂房顶拱距离越近的测点位移监测值越大，表明岩体变形从厂房围岩表面向内部依次减小[3]。

图1 1#监测孔各监测点位移曲线

该水电站地下厂房Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ层开挖结束后多点位移计所得到的监测结果见表2。根据表中结果，地下厂房相应顶拱处表现出的位移起初变化量较大，此后在Ⅶ层开挖施工任务结束后便逐渐平稳，这一过程中表现出十分显著且波动幅度较大的时空滞后效应；与此同时，不同测点所实际对应的位移绝对量也伴随着测点和引水发电厂房顶拱中心距的不同而不同，空间效应也较为显著。

表2 Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ、Ⅶ层开挖结束后位移监测结果

4.2 围岩变形

顶拱围岩变形受爆破开挖的影响较大，第Ⅰ层开挖后洞壁围岩变形曲线表现出2 个明显的台阶形变化，分别对应中导洞开挖和第Ⅰ层全断面开挖。第Ⅱ层以及所包含的以下各层所展开的开挖施工基本上对周围围岩变形不产生显著影响，即使表现出变形也主要属于时效方面的变形，所对应的位移量取值较小[4]。

根据中导洞开挖期间的监测结果，中导洞开挖与围岩变形关系密切，最大变形出现在刚过掌子面的位置。中导洞开挖实际监测结果也与三维离散元模拟结果基本吻合[5]。围岩变形所对应的主要时段基本上全部位于掌子面于设计监测断面恰好相距2倍的引水隧洞洞径位置；这一区段结束后，在开挖施工进程持续推进的过程中，掌子面与监测断面之间的距离逐渐增大，此后围岩可能发生的潜在变形也持续趋于收敛状态。

围岩表面变形量最大，其中顶拱变形量为10.76mm，边墙变形为5.87mm。围岩表面变形沿围岩深度从表向里递减；1-1 断面位于山体中，5-5断面位于山体边缘，越向外缘地质条件越差，在地质条件的作用下，从1-1 断面向5-5 断面变形呈递增趋势。

4.3 预应力锚固受力

在张拉前对锚索测力计进行了严格标定，但因现场条件复杂，锚索张拉后千斤顶加荷与实测荷载存在一定差距，两者的偏差率为-2.04%，且实测荷载值均比千斤顶张拉荷载小。根据典型断面锚索荷载和时间过程曲线，仅5’-5’断面边墙处部分测点荷载略微增大，其余荷载总体变化平稳，荷载均值取1 628.5kN；锚索荷载损失率位于-4.97%～7.28%之间，说明预应力锚索处于较好工作状态[6]。

4.4 锚杆应力

根据对各监测断面锚杆应力分布情况的分析，各断面锚杆均处于受拉状态，且其中5’-5’断面锚杆应力超100MPa，造成锚杆应力增大的主要原因在于Ⅳ～Ⅵ层爆破开挖。随着开挖进程的推进，后期锚杆应力基本趋于收敛和稳定。其余断面测点锚杆拉应力均未超出80MPa。

5 结 论

综合以上分析，万安水电站地下主厂房结构在展开全面开挖施工后所表现出的围岩变形较小，同时具备一定程度的变动规律性特征，在按照加固处治方案施以系统性的支护措施后，地下厂房洞室周围的围岩结构潜在变形便逐渐趋于稳定，锚索结构的受力情况也逐渐恢复正常水平。结合分析结果，首层围岩结构的开挖施工是造成水电站工程内地下厂房结构周围围岩潜在变形的主因，并且持续体现出较为显著的空间变动趋势效应；在此后各层逐步开挖的过程中类似的围岩结构变形绝对量逐渐减小，影响范围缩减。通过采取适宜的支护措施，可较好保证地下厂房开挖施工的顺利进行。