何少云，胡紫航，衛(wèi)洋波，何 軍，劉登學(xué)

(1.山東文登抽水蓄能有限公司， 山東 威海 264419；2.中國電建集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 北京 100024；3.長江水利委員會長江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)試驗(yàn)室， 湖北 武漢 430010)

水利樞紐工程中地下廠房的開挖卸荷，將引起圍巖應(yīng)力狀態(tài)的變化，產(chǎn)生相應(yīng)的變形，過量的變形將會影響地下廠房工程的安全施工[1]。在地下廠房施工開挖期布置位移及應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng),可獲得有關(guān)圍巖穩(wěn)定性及支護(hù)工作狀態(tài)的真實(shí)信息,可為進(jìn)一步有針對性地修改支護(hù)參數(shù)及后續(xù)的開挖提供依據(jù)[2-3]。另一方面也可為類似地下工程圍巖穩(wěn)定性分析提供借鑒，如在烏東德水電站左岸巨型地下廠房洞室群圍巖施工期中，布置了大量的監(jiān)測儀器，通過對圍巖位移監(jiān)測、錨桿和錨索支護(hù)受力監(jiān)測、裂縫監(jiān)測及松弛狀態(tài)監(jiān)測，獲得了洞室圍巖開挖卸荷變形特征、結(jié)構(gòu)面效應(yīng)、變化規(guī)律及錨固系統(tǒng)控制狀態(tài)，為該工程的安全施工提供了強(qiáng)有力的支撐[4-5]。類似的水利樞紐工程，如小浪底、二灘、溪洛渡、白鶴灘、大崗山、楊房溝、錦屏二級等工程，也均在其地下廠房開挖過程中布置了位移及應(yīng)力監(jiān)測系統(tǒng)，針對地下廠房施工期圍巖安全監(jiān)測分析開展了相關(guān)研究工作[6-12]。近些年，抽水蓄能電站大力發(fā)展和建設(shè)，許多抽水蓄能電站地下廠房開挖過程中也對圍巖開展了安全監(jiān)測[13-15]。

為了更好的分析文登抽水蓄能電站地下廠房施工期圍巖穩(wěn)定性，本文結(jié)合工程地質(zhì)條件、地應(yīng)力條件、物探成果和安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，對文登抽水蓄能電站地下廠房施工期圍巖變形和支護(hù)受力進(jìn)行了綜合分析和評價(jià)；并結(jié)合三維數(shù)值分析結(jié)果，對施工期圍巖變形和支護(hù)受力機(jī)理進(jìn)行了研究。

1 工程概況

文登抽水蓄能電站位于山東省膠東地區(qū)文登市界石鎮(zhèn)境內(nèi)，電站總裝機(jī)容量1 800 MW，安裝6臺單機(jī)容量300 MW的單級混流可逆式水泵水輪機(jī)組，為大(1)型工程[16-17]。其中廠房洞室尺寸為：長214.5 m，寬25.0 m，高54 m。地下廠房系統(tǒng)山頂高程450 m～500 m，廠房上覆巖體厚度約350 m。

地下廠房區(qū)域揭露的巖性主要是二長花崗巖和石英二長巖，完整性比較好，呈微-新巖體，裂隙不發(fā)育，圍巖類別以Ⅰ、Ⅱ類為主。電站區(qū)域共揭露大小斷層53條，優(yōu)勢產(chǎn)狀為NW275° SW∠80°～85°；其中，f202、f203穿過主廠房，均為長大裂隙型結(jié)構(gòu)面，對廠房圍巖變形有一定影響。廠房區(qū)裂隙以近EW走向傾向S/N，陡傾角裂隙為主，優(yōu)勢產(chǎn)狀為NW275°SW∠60°～90°。

根據(jù)施工期地應(yīng)力測試結(jié)果，地下廠房洞室群所在高程的應(yīng)力值范圍為：最大水平主應(yīng)力Shmax為9.32 MPa～17.75 MPa，最小水平主應(yīng)力Shmin為5.42 MPa～9.75 MPa，垂直主應(yīng)力Sv為8.54 MPa～11.84 MPa。地應(yīng)力三個(gè)主應(yīng)力之間的關(guān)系Shmax>Shmin>Sv，最大水平主應(yīng)力方向約在NW280°～300°范圍內(nèi)，與主廠房縱軸線呈35°左右夾角。在該地應(yīng)力條件下，廠房邊墻的切向應(yīng)力會相對較大。

2 主廠房物探成果分析

地下廠房開挖過程中，受爆破振動及卸荷應(yīng)力釋放等因素影響，表層圍巖及結(jié)構(gòu)面會變形和松弛，再加上巖體內(nèi)的應(yīng)力重分布，洞壁周邊巖體質(zhì)量和完整性及物理力學(xué)參數(shù)將出現(xiàn)不同程度的降低，形成松動圈。松動圈深度和松動圈內(nèi)巖體質(zhì)量是地下廠房圍巖穩(wěn)定性的一個(gè)基本指標(biāo)，需要對其進(jìn)行量化分析。巖體波速是巖體質(zhì)量和松動圈深度的一個(gè)重要量化指標(biāo)，故采用聲波測試對巖體質(zhì)量和松動圈進(jìn)行了檢測，聲波檢測鉆孔位置和結(jié)果見表1所示。結(jié)果顯示，廠房開挖后，圍巖內(nèi)部出現(xiàn)了不同深度的松動圈，總體松弛范圍在0.8 m～1.4 m，大部分在0.8 m～1.2 m之內(nèi)；松弛圈內(nèi)巖體波速一般在4 119 m/s～5 396 m/s，非松弛圈波速一般在5 212 m/s～5 592 m/s。

(1)

其中，松弛損傷系數(shù)為0表示圍巖未損傷，松弛損傷系數(shù)越大表明圍巖損傷程度越高。計(jì)算結(jié)果表明，幾個(gè)物探測點(diǎn)的松弛損傷系數(shù)大部分在0.14以下，廠右0+010下游邊墻、廠左0+040上游邊墻損傷系數(shù)相對較高，接近0.4，說明該區(qū)域松弛圈內(nèi)圍巖的損傷程度相對較高。

3 廠房安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圍巖變形和支護(hù)受力情況是地下廠房圍巖穩(wěn)定的直接反映，在地下廠房施工期，對圍巖變形和支護(hù)受力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，有助于實(shí)時(shí)掌握圍巖整體和局部穩(wěn)定情況。

表1 主廠房圍巖松弛深度聲波檢測成果表

3.1 安全監(jiān)測布置

為更好地掌握文登抽水蓄能電站地下廠房圍巖穩(wěn)定情況，跟隨施工開挖進(jìn)程，在主廠房中埋設(shè)有多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)，共分為3個(gè)主要監(jiān)測斷面Ⅰ-Ⅰ、Ⅱ-Ⅱ、Ⅲ-Ⅲ和5個(gè)輔助監(jiān)測斷面(a-a、b-b、c-c、d-d、e-e)，開展圍巖變形監(jiān)測、支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測。監(jiān)測儀器布置見圖1—圖3。

圖1 地下廠房監(jiān)測斷面布置圖

圖2 I-I斷面多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測布置圖

3.2 圍巖變形分析

地下廠房多點(diǎn)位移計(jì)大多埋設(shè)于主廠房第一層(66 m高層以上)開挖完成之后，故主要監(jiān)測到主廠房第二層及后續(xù)開挖所產(chǎn)生的變形增量，三個(gè)主要監(jiān)測斷面各測點(diǎn)孔口的累積變形如圖4所示。根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)，各監(jiān)測點(diǎn)孔口變形一般小于2 mm，最大變形為13.01 mm，位于廠右0+000.80、廠下0+011.10，高程61.0 m，如圖5所示。從監(jiān)測點(diǎn)累積變形曲線可以看出，由于多點(diǎn)位移計(jì)基本上都是在第一層開挖完成后布置，故頂拱和拱座的累積變形均較小，甚至為負(fù)值，這從側(cè)面反映第二層及后續(xù)開挖對頂拱圍巖的影響較小；其次，在61 m高層上的孔口累積變形整體上更大，即表明邊墻中部變形相比邊墻其他區(qū)域變形要大。

圖3 錨桿應(yīng)力計(jì)典型監(jiān)測斷面布置圖

圖6給出了廠房上、下游邊墻部分區(qū)域的地質(zhì)編錄圖及該區(qū)域累積變形較大監(jiān)測點(diǎn)的位置。其中，上游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Mcf1-6的孔口累積變形為4.84 mm，該多點(diǎn)位移計(jì)正好位于主廠房發(fā)生嚴(yán)重片幫的區(qū)域，并且靠近上游邊墻裂隙L11。上游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Mcf2-6的孔口累積變形為8.92 mm，也位于主廠房發(fā)生嚴(yán)重片幫的區(qū)域以及輕微片幫區(qū)域，且從附近的聲波檢測孔Zk2-1的損傷系數(shù)來看，該區(qū)域圍巖開挖卸荷損傷程度較高。下游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Mcf1-7的孔口累積變形為13.01 mm，為累積變形最大的監(jiān)測點(diǎn)，雖然該監(jiān)測點(diǎn)附近沒有長裂隙，但從附近的聲波檢測孔Zk1-2的損傷系數(shù)來看，該區(qū)域圍巖開挖卸荷損傷程度較高。下游邊墻多點(diǎn)位移計(jì)Mcf2-7的孔口累積變形為4.87mm，靠近下游邊墻裂隙L9?；谝陨戏治隹梢钥闯觯鄯e變形較大的區(qū)域主要是受局部不良巖體結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的開挖卸荷擾動影響所致。

圖4 主廠房主要監(jiān)測斷面及對應(yīng)的變形

圖5 主廠房Mcf1-7多點(diǎn)位移計(jì)歷時(shí)曲線圖

除主要監(jiān)測斷面以外，在斷層部位額外埋設(shè)了4個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)，分別為Mcfs-1、Mcfx-1、Mcfs-4、Mcfx-4，四個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)的孔口變形分別為0.51 mm、0.36 mm、1.39 mm、5.18 mm。其中，前兩個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)分別監(jiān)測上、下游邊墻斷層f203附近圍巖的變形，后兩個(gè)多點(diǎn)位移計(jì)分別監(jiān)測上、下游邊墻斷層f202附近圍巖的變形；所有測點(diǎn)高程均位于68.0 m處。整體上，斷層附近的變形量值相比其他監(jiān)測斷面整體偏高；斷層f203附近的變形為0.36 mm～0.51 mm，整體低于斷層f202附近的變形1.39 mm～5.18 mm。此外，斷層附近測得的最大變形值5.18 mm比三個(gè)主要監(jiān)測斷面在同高程上的變形監(jiān)測值大很多。故地下洞室開挖后，斷層的剪切滑移會適當(dāng)加劇地下洞室圍巖的變形量值。

圖6 主廠房地質(zhì)編錄圖及典型測點(diǎn)位置

3.3 錨桿受力分析

表2給出了廠房中不同深度上不同量級錨桿受力的測點(diǎn)數(shù)量。在整體量值上，錨桿應(yīng)力絕大部分小于50 MPa，占總數(shù)量的93.8%；最大應(yīng)力為158.79 MPa，位于廠左0+048.00、廠上0+002.15，5.5 m深度，見圖7，沒有超過錨桿屈服強(qiáng)度。從錨桿支護(hù)受力的量值分布來看，1.5 m深處的測點(diǎn)上，錨桿應(yīng)力均小于50 MPa；3.5 m深度的測點(diǎn)上，92.5%的測點(diǎn)錨固力小于50 MPa，但均小于100 MPa；5.5 m深測點(diǎn)上，88.9%的測點(diǎn)應(yīng)力小于50 MPa，7.4%的測點(diǎn)應(yīng)力介于50 MPa到100 MPa之間，另有1個(gè)測點(diǎn)的應(yīng)力超過100 MPa。

表2 不同深度上不同量級錨桿受力的測點(diǎn)數(shù)量

從位置來看，錨桿應(yīng)力最大的監(jiān)測點(diǎn)比較接近聲波檢測孔Zk2-1，該檢測孔的損傷系數(shù)為0.39，為所有聲波檢測孔損傷系數(shù)最大的孔。所以，錨桿應(yīng)力最大的錨桿，主要為受較強(qiáng)的開挖卸荷效應(yīng)和爆破振動等影響所致。

圖7 主廠房錨桿應(yīng)力歷時(shí)曲線圖(Rmcf2-1～3)

4 圍巖變形和支護(hù)受力機(jī)理分析

從以上分析可以看到，圍巖累積變形和錨桿受力最大的區(qū)域均伴隨著較高的圍巖損傷程度。自然狀態(tài)下圍巖一般處于三向壓應(yīng)力狀態(tài)，地下廠房開挖等于卸掉了巖體垂直于開挖面方向的應(yīng)力，使圍巖產(chǎn)生二次擾動應(yīng)力場，二次擾動應(yīng)力場在量值上和方位上與原巖應(yīng)力均有極大區(qū)別。

這一過程可以通過三維數(shù)值分析來直觀的反映，圖8給出了主廠房第二層開挖后廠房橫剖面和平切面上的主應(yīng)力矢量(限于篇幅，這里略掉模擬過程)。可以看出，廠房開挖擾動使邊墻應(yīng)力狀態(tài)改變。其中，豎直方向應(yīng)力顯著增加，調(diào)整為擾動后的大主應(yīng)力；而沿廠房軸線方向應(yīng)力由初始狀態(tài)的大主應(yīng)力調(diào)整為擾動后的中間主應(yīng)力；在垂直邊墻方向，即卸荷方向上，應(yīng)力釋放后接近0，甚至出現(xiàn)拉應(yīng)力現(xiàn)象。上述應(yīng)力變化過程相當(dāng)于一向卸荷、兩向加載；一般來講，硬巖在一向卸荷、兩向加載條件下，容易導(dǎo)致巖體內(nèi)部產(chǎn)生沿最大主應(yīng)力方向的卸荷裂隙，卸荷裂隙會降低巖體的物理力學(xué)參數(shù)，使圍巖出現(xiàn)不同程度的損傷，如圖9所示。

圖8 主廠房開挖后圍巖主應(yīng)力矢量

圖9 卸載導(dǎo)致圍巖破裂損傷示意圖

文登電站地下廠房區(qū)域圍巖屬于硬巖，再加上巖體中局部不利的結(jié)構(gòu)面影響，以及相比同等埋深下偏高的地應(yīng)力場，使廠房開挖后圍巖松弛圈內(nèi)更易出現(xiàn)卸荷性裂隙，卸荷性裂隙一般近似平行與邊墻，這使得圍巖中局部可能會出現(xiàn)相對較大的變形和較高的支護(hù)受力。

5 結(jié) 語

本文結(jié)合文登電站地下廠房物探成果、安全監(jiān)測數(shù)據(jù)成果，對地下廠廠房圍巖變形機(jī)理進(jìn)行了分析研究，得出以下結(jié)論：

(1) 地下廠房圍巖松弛圈深度一般在0.8 m～1.2 m，最大松弛圈深度為1.4 m；松弛圈圍巖波速在4 119 m/s～5 396 m/s，非松弛圈波速一般在5 212 m/s～5 592 m/s；松弛圈圍巖損傷系數(shù)大部分小于0.14，個(gè)別測點(diǎn)損傷系數(shù)相對較高，達(dá)到0.39。

(2) 主廠房圍巖變形一般小于2 mm，最大變形為13.01 mm；累積變形較大的區(qū)域主要是受局部不良巖體結(jié)構(gòu)和較強(qiáng)的開挖卸荷擾動影響所致。

(3) 主廠房錨桿應(yīng)力絕大部分小于50 MPa，占總數(shù)量的93.8%，最大應(yīng)力為158.79 MPa，均小于錨桿承載力；錨桿應(yīng)力最大的錨桿，主要較強(qiáng)的開挖卸荷效應(yīng)和爆破振動等影響所致。

(4) 電站地下廠房區(qū)域圍巖為硬巖，最大水平主應(yīng)力與廠房縱軸線呈小夾角，且地應(yīng)力場量值相比同等埋深其他工程偏高；再加上巖體中局部不利的結(jié)構(gòu)面影響，使廠房開挖后圍巖松弛圈內(nèi)更易出現(xiàn)平行于邊墻的卸荷性裂隙，這使得圍巖中局部可能會出現(xiàn)相對較大的變形和較高的支護(hù)受力。