锦屏二级水电站地下厂房下游拱肩开裂与中隔墙锚索破坏原因分析及处理措施

补约依呷，万祥兵，陈 鹏

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

锦屏二级水电站地下厂房下游拱肩开裂与中隔墙锚索破坏原因分析及处理措施

补约依呷，万祥兵，陈 鹏

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122）

针对锦屏二级水电站地下厂房开挖支护中后期，下游拱肩开裂、外鼓、剥落及混凝土浇筑期间中隔墙锚索破坏问题，分析其原因，认为是与洞轴线成小夹角的层状陡倾角岩体受该部位强烈集中的高地应力影响和中隔墙岩体三向卸荷变形影响有关。为此，对地下厂房和主变洞下游拱肩开裂部位采用表层、浅层和深层喷锚支护措施进行综合处理，对中隔墙岩体进行低压固结灌浆。实施后，效果好，有效地保证了围岩稳定与厂房安全。

地下厂房；下游拱肩；裂缝；锚索；破坏；原因分析

1 工程概况

锦屏二级水电站位于四川省凉山彝族自治州木里、盐源、冕宁3县交界处的雅砻江干流上，利用雅砻江150 km锦屏大河湾的天然落差，裁弯取直凿洞引水发电，是雅砻江干流上的重要梯级电站。电站额定水头288 m，装有8台600 MW水轮发电机组，总装机容量4 800 MW，多年平均发电量242.3亿kW·h，是雅砻江上水头最高、装机规模最大的水电站。

工程枢纽主要由首部拦河闸、引水系统、尾部地下厂房3大部分组成，为一低闸、长隧洞、大容量引水式水电站。地下厂房洞室群位于雅砻江锦屏大河弯东端大水沟上游侧山体内，最小水平埋深约为170 m，上覆岩体厚度约为180～320 m。地下厂房洞室群规模巨大，主要由主厂房、主变洞和尾水管检修闸门室组成，三者平行布置，主变洞和尾水管检修闸门室依次位于主厂房下游侧，纵轴线为N35°E，主厂房和主变洞之间岩墙厚45 m。主厂房全长352.44 m，岩壁吊车梁以上开挖跨度为28.3 m，以下开挖跨度为25.8 m，开挖高度达72.2 m。主变洞全长374.6 m，开挖跨度19.8 m，开挖高度达41.1 m。

地下厂房洞室群规模巨大，地质条件复杂，地应力较高，岩体强度相对较低。在开挖支护中后期，地下厂房和主变洞下游拱肩部位喷混凝土和围岩出现了不同程度的破坏现象，混凝土喷层开裂、脱落，围岩开裂、弯折内鼓等。在开挖支护完成后1年左右，地下厂房中隔墙上部最先支护的锚索也发生了破坏现象。

2 地下厂房下游拱肩开裂与中隔墙锚索破坏情况

2008年11月，地下厂房开挖至第四层底板（EL1 327.8 m），同时完成母线洞和主变洞开挖形成小洞群时，第一次发现地下厂房下游拱肩及其下部边墙喷混凝土开裂、外鼓现象，喷混凝土裂缝一般呈弧形，长短不一，最长达4 m左右，缝宽一般5 mm左右，局部达3 cm，典型分布情况见图1。

图1 地下厂房下游拱肩喷混凝土开裂外鼓典型分布图

2009年9月，地下厂房、主变洞、母线洞、尾水扩散洞、高压管道下平段和排水廊道等均开挖完成形成大规模地下洞室群时，地下厂房和主变洞下游拱肩喷混凝土和围岩进一步发生开裂、外鼓、折断现象，主变洞顶拱支护钢筋拱肋也发生变形弯曲现象。地下厂房和主变洞下游拱肩喷混凝土和围岩开裂外鼓情况见图2。

图2 地下厂房和主变洞下游拱肩喷混凝土和围岩开裂外鼓典型图

2010年7月，地下厂房基坑混凝土浇筑基本完成时，地下厂房和主变洞之间中隔墙对穿锚索、端头锚索均发生了破坏现象，主要表现为：①破坏的锚索集中在最先支护的岩壁吊车梁上下3排对穿锚索和端头锚索，共59束，其中全长无粘结型预应力对穿锚索58束，压力分散型预应力锚索1束，锚索设计荷载均为2 000 kN，锁定荷载均为1 600 kN；②锚索破坏形式主要表现为部分钢绞线弹射而出或者缩回锚具中，弹射而出的钢绞线顶开保护钢罩或者击穿保护钢罩；③破坏的锚索并非所有的钢绞线都发生了破坏，一般是一股或几股钢绞线松弛破坏，未发现整根锚索失效情况。中隔墙锚索典型破坏情况见图3。

图3 地下厂房中隔墙锚索典型破坏情况

3 厂区工程地质条件

地下厂房岩性为中三叠统盐塘组（T2y）大理岩，自山内向外依次为灰黑色中细粒结晶大理岩夹白色粗晶厚层大理岩（T2y5-（1））和灰绿色条带状云母大理岩（T2y4），如图4所示。灰黑色中细粒结晶大理岩夹白色粗晶厚层大理岩（T2y5-（1）），其下部为深灰色细晶大理岩并夹有灰白细条纹，局部夹黑色结晶灰岩或泥质灰岩；灰绿色条带状云母大理岩（T2y4），暗色矿物常顺层理呈条带状集中分布，与白色大理岩呈绿白相间或黑白相间，层理清晰。总体岩层为近SN走向的陡倾角岩层。

图4 地下厂房1 345 m高程地质平切图

地下厂区发育规模较大的断层有 f16、f21、f61、f65、f68，其中f16斜穿地下厂房中隔墙和主变洞，产状N20～50°E/SE 50～61°，逆断层，宽20～50 cm，充填碎裂岩和岩屑，局部充填宽5～10 cm的岩屑及次生泥质，两侧裂隙极发育。主要发育1条较大规模的顺层挤压破碎带PZ17，产状N10°E/NW 85～88°，夹风化片岩，两侧围岩风化宽度大于40 cm，最宽处约1 m，局部呈全～强风化状，平行发育数条，形成宽4 m的挤压风化破碎带。优势结构面有：（Ⅰ）N10°W～N30°E/NE～NW 73～85°；（Ⅱ）N60～80°W/SW 20～40°、 70～90°；（Ⅲ）N40～60°E/SE 20～40°。

厂区构造应力与自重应力叠加造成天然地应力量值较高，实测地应力表明：厂区最大主应力量级一般在10.1～22.9 MPa之间，以近垂直岸坡方向为主，其平均方向为S43.1°～47.4°E，与区域最大主应力NWW方向基本一致，属中高地应力区。

根据结构面发育情况、地应力状态及水工建筑物布置的要求，选择的厂房轴线方向为N35°E，使地下厂房基本避开了断层f16的影响，但与最大主应力方向大角度相交，基本接近于垂直，与（Ⅰ）组结构面小角度相交，与（Ⅱ）组结构面大角度相交。

地下厂房围岩以Ⅲ1类为主，部分为Ⅲ2类，少量Ⅱ类，局部断层及影响带、裂隙密集带和挤压破碎带为Ⅳ类。

4 原因分析[1-5]

4.1 裂缝成因分析

4.1.1 地下厂区实测地应力分析

厂区最大主应力量级一般在10.1～22.9 MPa之间，以近垂直岸坡方向为主，其平均方向为S43.1°～47.4°E，与主厂房和主变洞轴线（N35°E）夹角较大，属中高地应力区。地下厂房和主变洞顶拱及边墙围岩开挖成型均较好，半孔率较高，在开挖支护阶段基本未出现片帮、松弛破裂等应力型破坏现象，只是在安装场下游拱肩发现一处片帮破坏，但范围小，规模小，不具代表性。

根据厂区地应力分析结果，受厂区倾向河谷的最大主应力控制，地下厂房洞室开挖围岩应力重分布后，地下厂房下游拱肩位置为整个地下厂房应力集中最强烈部位。通过应力数值模拟计算得出，随着地下厂房的下挖和周边洞室的开挖，地下厂房和主变洞下游拱肩围岩应力集中程度不断加剧，最大集中应力可达30 MPa以上，应力集中非常明显。地下厂房和主变洞下游拱肩应力集中情况见图5。

在中高地应力作用下，随着地下厂房、主变洞的下挖和周边洞室的开挖，地下厂房和主变洞下游拱肩围岩应力状态不断调整，围岩松弛将由表及里地扩展，随着下游拱肩围岩应力集中程度不断加剧，下游拱肩不断出现表层围岩卸荷开裂、弯折内鼓、剥落，喷混凝土开裂外鼓脱落等破坏现象，且集中在地下厂房开挖支护中后期。

图5 地下厂房和主变洞下游拱肩应力集中等值线图

4.1.2 地下厂房和主变洞发育优势结构面分析

优势结构面共3组：①N10°W～N30°E/NE～NW 73～85°；② N60～80°W/SW 20～40°、70～90°；③N40～60°E/SE 20～40°；其走向与地下厂房轴线关系见图6。其中优势结构面①组与地下厂房轴线（N35°E）成小夹角，且平行发育，在下游拱肩部位围岩应力强烈集中下，对围岩稳定不利，如图7所示，易发生卸荷开裂、弯折内鼓、剥落等高应力破坏现象，并不断随着地应力集中程度加剧而加剧。

图6 厂区优势结构走向与地下厂房轴线关系图

图7 主厂房和主变洞下游拱肩围岩破坏机理示意图

4.2 地下厂房中隔墙锚索破坏原因分析

根据地下厂房中隔墙锚索破坏调查情况，并结合该部位锚索支护时机及地下厂房的工程地质条件，综合认为导致地下厂房中隔墙锚索破坏的主要原因有：

（1）地下厂房中下部开挖过程中围岩释放的卸荷位移较大。破坏的59束锚索集中在最先支护的岩壁吊车梁上下3排对穿锚索和端头锚索中，这3排锚索都在地下厂房第Ⅱ、Ⅲ层和主变洞第Ⅱ层开挖时支护到位，第1排和第2排破坏锚索较多，第3排破坏锚索较少。对于地下厂房第Ⅲ层和主变洞第Ⅱ层开挖时支护到位的锚索，必将承受地下厂房和主变洞后续中下部开挖引起的卸荷位移，锚索荷载必将随着后续开挖不断增加并最终达到极限强度；

（2）中隔墙岩体较大的挖空率增加了其卸荷位移。地下厂房中隔墙中部平行布置有8条母线洞、1条主变运输洞和1条电缆交通道，底部平行布置有8条尾水扩散洞，随着这些洞室的不断开挖，中隔墙的挖空率不断增大，从而增加了中隔墙岩体的卸荷位移，导致中隔墙上最先支护的锚索荷载不断增加；

（3）地下厂房中隔墙发育不利断层f16和顺层挤压破碎带PZ17，局部洞段还发育地下水，在中隔墙岩体三向卸荷下，进一步加剧了中隔墙的卸荷位移，从而增加了锚索荷载；

（4）锚索锁定荷载值偏大。地下厂房中隔墙第1、2排锚索设计的锁定荷载值为设计荷载的80%，预留的锚索容许荷载富裕度只有20%，在中隔墙岩体卸荷位移较大的情况下，最先支护的锚索荷载易超出锚索钢绞线的极限荷载，从而发生破坏；

（5）锚索钢绞线受力相对不均匀。锚索张拉过程中，采用小千斤顶单根对称张拉，且在10 m高的施工排架上张拉，很难保证锚索钢绞线张拉锁定荷载均匀。因此，锚索支护部位围岩发生明显卸荷位移时，锚索中锁定荷载相对较大的钢绞线容易先达到极限荷载而先行破坏。

5 处理措施及效果

5.1 地下厂房及主变洞下游拱肩开裂裂缝处理措施

根据地下厂房和主变洞下游拱肩喷层及围岩破坏情况、工程地质条件以及多点位移计和附近锚索测力计监测情况，综合考虑采用以下方案进行处理：

（1）清除开裂喷混凝土及围岩，恢复破坏的钢筋网并复喷钢纤维混凝土CF30，厚15 cm；

（2）在原系统锚杆中间内插预应力锚杆B32@1 m×1 m、L=9 m、T=120 kN；

（3）在拱肩部位增加布置2～4排压力分散型预应力锚索，间排距为4.5 m，设计荷载为2 000 kN，锁定荷载为1 400 kN；

（4）增加布置排水孔φ50@4 m×4 m、L=5 m。

5.2 地下厂房中隔墙锚索破坏处理措施

为了保证地下厂房中隔墙围岩稳定及保证支护结构的富裕度，中隔墙锚索破坏部位在原系统锚索中间增加布置3排无粘结型预应力对穿锚索，设计荷载为3 000 kN，锁定荷载为1 500 kN，同时采用锚索孔对中隔墙岩体进行低压固结灌浆。

5.3 效果

地下厂房和主变洞下游拱肩，以及地下厂房中隔墙，经过采用以上表层、浅层和深层喷锚支护措施进行综合处理，既保证了围岩稳定及安全，又保证了支护结构的富裕度，截止2015年年初枢纽工程专项验收，地下厂房围岩变形基本稳定，锚杆应力和锚索荷载都处于稳定状态。

6 小结

（1）地下厂房中高地应力和偏压作用在下游拱肩部位形成的高强度的应力集中是导致该部位围岩破坏和喷混凝土开裂剥落的根本原因；

（2）地下厂房和主变洞下游拱肩发生的裂缝，以及表层围岩和喷混凝土开裂、内鼓、剥落等破坏，集中发生在地下厂房和主变洞开挖支护中后期，是地下厂房和主变洞开挖过程中，受围岩应力不断调整影响，下游拱肩围岩应力集中程度不断加剧的结果；

（3）地下厂区发育的第Ⅰ组优势结构面与地下厂房轴线（N35°E）成小夹角，且平行发育，在下游拱肩部位围岩应力强烈集中下，对围岩稳定不利，进一步促进了地下厂房和主变洞下游拱肩裂缝的发展；

（4）地下厂房、主变洞、母线洞、尾水扩散洞等洞室开挖引起地下厂房和主变洞之间中隔墙岩体三向卸荷，加剧了中隔墙岩体层面、不利断层和挤压破碎带持续松弛、张开与滑移趋势，从而导致中隔墙岩体向多个临空面发生较大相对变形，致使中隔墙上部最先支护的锚索荷载不断增加，同时厂区地应力方向和陡倾岩层加剧并使得大理岩表现出明显的时效变形，进一步加剧了中隔墙锚索后期荷载缓慢增长，并最终导致中隔墙上部最先支护的锚索发生破坏；

（5）地下厂房及其附近主变洞、尾水管检修闸门室、母线洞、压力管道下平洞、尾水扩散洞、排水廊道、通风排烟洞及相关交通洞等洞室的开挖，形成了以地下厂房为主的大型地下洞室群，洞群效应对地下厂房、主变洞下游拱肩裂缝的发展和中隔墙上部最先支护的锚索破坏有一定的促进作用；

（6）地下厂房和主变洞下游拱肩开裂部位采用表层、浅层和深层喷锚支护措施进行综合处理是合适的，有效地保证了围岩稳定与安全。

[1] 方 丹，陈建林，万祥兵.锦屏二级水电站地下厂房围岩稳定分析[R].杭州：华东勘测设计研究院，2008.

[2] 江 权，冯夏庭.关于锦屏二级水电站厂房边墙喷混凝土开裂问题分析[R].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2008.

[3] 向天兵，江 权，冯夏庭.关于当前厂房和主变室应力集中区围岩变形破坏模式的分析与建议[R].武汉：中国科学院武汉岩土力学研究所，2009.

[4] 万祥兵，罗沅东，补约依呷.锦屏二级水电站地下厂房下游锚索破坏及处理措施初步分析报告[R].杭州：中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，2010.

[5] 江 权，陈建林，冯夏庭，等.大型地下洞室对穿锚索预应力锚索失效形式与耦合模型[R].武汉：中国科学院武汉岩

Analysis and repair of downstream spandrel crack and middle partition wall anchorage cable failure for underground powerhouse of Jinping II Hydropower Project

Buyueyizha,WAN Xiang-bing,CHEN Peng
(Huadong Engineering Corporation Limited of Power China,Hangzhou 311122,China)

During construction of underground powerhouse of Jinping II Hydropower Project,downstream spandrel crack,outward bulging and peeling were seen in the middle and late periods of excavation and support,middle partition wall anchorage cable failure was seen during concreting.The authors analyzed the causes,including the layered steep dip rock mass at small angle to axis of underground chamber is subject to concentrated high geostress;and the rock mass at middle partition wall is affected by three-dimensional unloading deformation.Therefore,surface,shallow and deep shotcrete-bolt support was adopted to repair the downstream spandrel crack;rock mass at middle partition wall was repaired by low pressure consolidation grouting.The repair measures render good effects and ensure the stability of surrounding rock and powerhouse safety.

Underground powerhouse;downstream spandrel;crack;anchorage cable;failure;analysis of causes

TV698.231

B

1003-1510（2016）06-0051-05

2016-09-07

补约依呷（1981-），男（彝族），四川冕宁人，中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司工程师，学士，主要从事水电站厂房及地下洞室设计工作。