锚索预应力损失对洞室稳定性的影响研究

2016-03-17谭可奇，程丽娟

四川水力发电 2016年1期

关键词：锚索

谭可奇，　程丽娟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都　610072)

锚索预应力损失对洞室稳定性的影响研究

谭可奇，程丽娟

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都610072)

摘要：长河坝水电站地下厂房1～4#母线洞在厂房持续下挖期间均出现了多条环向裂缝，其中4#母线洞底板距下游边墙6 m处裂缝宽度达到3～4 cm，同时4#母线洞底板下部1 470 m高程多点位移计变形速率未收敛。现场检查发现母线洞底板下方的预应力锚索杆体在底板出露，说明母线洞底板开挖破坏了底板下方预应力锚索，导致锚索失效。利用地下厂房三维数值模型，对该部位锚索预应力损失的影响进行了研究，研究成果表明：预应力损失程度与围岩变形呈指数型关系，当预应力损失程度大于60%后围岩变形急剧增长。根据研究结果，提出了母线洞下部岩体的加强支护措施。

关键词：锚索；预应力损失；洞室稳定性；松弛区；长河坝水电站

1概述

长河坝水电站地下厂房系统布置在坝址区左岸230～430 m山体内，安装4台机组，总装机容量为2 600 MW；厂房尺寸为228.8 m×30.8 m×73.35 m(长×宽×高)，轴线方向为N82°W，主变室、尾水调压室与厂房平行布置。地下厂房三大洞室岩性单一，以晋宁期-澄江期花岗岩为主，岩体新鲜坚硬，多呈块状～次块状结构，以Ⅲ～Ⅱ类围岩为主，岩体完整性总体较好，微新花岗岩饱和单轴抗压强度为120～140 MPa。厂区实测最大主应力为21.82～31.96 MPa，岩石强度应力比为3.75～6.4，属于中～高应力区。

开挖初期岩体多嵌合紧密，开挖面总体成型良好，未曾发生过较大规模的失稳现象，仅在个别地段围岩发生了局部破坏。根据2013年2月现场检查和变形观测得知，1#～4#母线洞洞内距厂房下游边墙5～7 m范围内出现了不同程度的环向开裂，其中4#母线洞最为严重，经清理底板堆渣后发现，底板距厂房下游边墙6 m位置出现了3～4 cm宽的裂缝，向上延伸至边墙和顶拱，基本环向贯通。对监测数据进行分析得知：4#母线洞上部1 485 m高程多点位移计累计变形达107.48 mm，4#母线洞下部1 470 m高程多点位移计累计变形达54.67 mm，母线洞上部岩体变形速率趋缓，但母线洞以下岩体变形速率仍较大，其余各洞口监测仪器数值反映情况基本一致(图1)。现场检查还发现4#母线洞底板超挖较多，厂房下游边墙施工的锚索和部分锚杆在母线洞底板出露，说明母线洞底板开挖破坏了底板下方预应力锚索，导致锚索失效。笔者探讨了母线洞附近锚索预应力损失对母线洞附近岩体变形的影响，并根据研究结果提出了母线洞附近厂房边墙岩体的加强支护措施。

(a)刚开挖后未见环向裂缝(2012年3月)

(b)4#母线洞底板岩体裂缝(2013年2月)图1　现场裂缝照片

2计算模型和参数

在长河坝水电站地下厂房施工背景下，根据相关资料，建立了三维有限元模型，洞室群整体模型及锚索支护模型见图2，计算参数见表1。

表1　计算参数表

图2　地下厂房洞室群三维模型及锚索支护系统示意图

3锚索预应力损失对围岩变形的影响

3.1锚索不同预应力损失下母线洞附近岩体水平位移分布

根据长河坝工程母线洞附近锚索预应力损失情况，分别对预应力损失为20%、40%、60%、80%、90%、100%的工况进行了有限元模拟，进而分析其对母线洞附近岩体水平位移的影响。不同预应力工况下母线洞附近岩体最大水平位移计算结果见图3，图4为锚索预应力损失90%时边墙岩体的水平位移云图。

由图3可以看出，随着锚索预应力损失率的增加，母线洞附近岩体水平位移逐渐增大，当预应力损失率小于60%时，预应力损失率对岩体最大水平位移影响很小；当预应力损失率大于60%时，水平位移突然大幅度上升。由此可见：母线洞附近岩体最大水平位移和预应力损失率呈以下幂指数关系：

(1)

式中Uh为最大水平位移；ΔP为锚索预应力损失率。

3.2锚索不同预应力损失下母线洞附近岩体竖向位移分布

图3　不同预应力工况下母线洞附近岩体最大水平位移示意图

图4　锚索预应力损失90%时岩体水平位移示意图

图5为不同预应力工况下母线洞附近岩体最大竖向位移计算结果，从中可以看出，随着锚索预应力损失率的增加，母线洞附近岩体竖向位移变化几乎处于稳定状态，预应力损失率对母线洞附近竖向位移几乎没有影响。

图5　不同预应力工况母线洞附近岩体最大沉降示意图

4加强支护措施的讨论

由于厂区最大主地应力方向接近垂直于母线洞轴向，在主厂房边墙开挖卸荷情况下，原始的三向压缩应力状态调整为双向压缩且其竖向处于加载状态，形成沿母线洞轴线方向的广义拉伸应力状态，因此，从力学角度来讲，母线洞容易出现环向裂缝，这一点亦在多个工程中被证实。文中的计算结果也表明：锚索预应力损失程度与岩体水平向变形呈幂指数关系，说明只要增加一定的预应力，岩体变形即可以得到有效控制。因此，采用增加预应力锚索的方式为边墙岩体提供围压，将母线洞附近岩体的应力状态由开挖后的双向受压应力状态转变为三向受压，则可明显地提高岩体的破坏强度并可控制岩体变形。

最终决定，在主厂房下游边墙各母线洞底板下部增设锚索，新增锚索参数为预应力设计值T=1 800 kN、L=20 m/T=1 500 kN、L=15 m。

5结语

从文中的计算结果可以看出，母线洞附近岩体的最大水平位移和预应力损失率呈幂指数关系，当预应力损失率大于60%时，水平位移急剧增加；预应力损失率对母线洞附近竖向位移没有明显影响，随着锚索预应力损失率的增加，母线洞附近岩体竖向位移变化几乎处于稳定状态。

对于母线洞中的环向裂缝，其本质为厂房下游边墙岩体双向受压引起的张拉开裂，故在厂房下游边墙母线洞周边补加预应力锚索即可有效地控制裂缝的进一步发展，使裂缝两侧岩块形成整体。由于厂房高边墙中部变形大，对锚索支护力需求高，因此，需要母线洞周边提供足够的支护力并重视锚索施工质量。

参考文献：

[1]GB 50287-2008，水力发电工程地质勘察规范[S].

[2]李宁，孙宏超，姚显春，等. 地下厂房母线洞环向裂缝成因分析及处理措施[J]. 岩石力学与工程学报，2008,27(3)：439-446.

谭可奇(1980-)，男，陕西石泉人，副处长兼设计副总工程师，硕士，高级工程师，从事水电水利工程勘测设计、项目管理及科研工作；

程丽娟(1984-)，女，四川仁寿人，高级工程师，博士，从事地下工程、岩土工程等方面的设计和科研工作.

(责任编辑：李燕辉)

作者简介:

收稿日期:2016-01-04