乌弄龙水电站工程地下厂房岩锚梁裂缝分析

毛振凯，张西锋

（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065）

乌弄龙水电站地下厂房、主变洞、尾水调压室三大洞室平行布置，轴线方向均为NE50°，间距分别为41.5 m和35.5 m；地下厂房轮廓尺寸189 m×26.7 m×70.25 m（长×宽×高），厂房垂直方向最小埋深约129 m，最大埋深约331 m，侧向埋深124 m～154 m。

主厂房开挖支护到尾水管层时，经检查发现上下游岩锚梁顶部平台表面上均有不同规模的与梁体垂直的横向裂缝以及岩锚梁顶部平台与岩壁之间的纵向裂缝。为了研究岩锚梁的稳定性，本文采用多种监测仪器的监测资料对裂缝产生的原因进行分析。

1 裂缝和地质概况

主厂房开挖至第八层时，经检查发现上下游岩锚梁顶部平台表面上均有不同规模的与梁体垂直的横向裂缝以及岩锚梁顶部平台与岩壁之间的纵向裂缝，具体情况为：

主厂房上游岩锚梁顶部平台表面局部出现横向裂缝，共计14条，主要分布在1#机和2#机组段，裂隙宽度较小，为混凝土表面裂缝；安装间上游侧岩锚梁顶部平台与岩壁之间出现3条纵向裂缝，长度1.1 m～4.0 m，宽度约为0.1 m～0.5 mm。

主厂房下游侧横向裂缝共计13条，多为表面局部裂缝。在3#机组区域内有3条裂缝基本贯穿于表面，且有一条裂缝延伸到岩锚梁之上岩壁的混凝土喷层范围，在岩壁混凝土喷层上面的裂缝延伸长度约3 m，如图1～2所示。

图1 主厂房上游岩锚梁顶部平台与岩壁之间裂缝图

图2 主厂房下游岩锚梁顶部平台表面横向裂缝图

主厂房岩锚梁高程在1837.83～1835.23之间，揭露围岩岩性为砂质板岩和变质砂岩互层，岩体完整新鲜、微风化，洞壁干燥。发育的结构面主要为层面裂隙，总体为Ⅲ1类围岩；其次发育一组与洞向近平行的陡倾裂隙，开挖形成光面，围岩完整性相对较差，为Ⅲ2类围岩；由于地下厂房围岩为层状岩体，同一岩性带结构面和风化程度相近，因此上游壁围岩完整性与下游壁对应段基本相同。主厂房整体侧壁干燥，但顶拱仍有少量渗、滴水现象。

地下厂房岩锚梁区域总体仍以Ⅲ1～Ⅲ2类围岩为主，其中上游壁1号机组至副厂房段多发于一组与洞壁小角度相交的陡倾裂隙，与层面切割后岩壁开挖后形成缺口；下游壁1号机组至副厂房段则发育一组中陡缓倾洞内的裂隙，该组裂隙延伸长度大，走向与洞壁近平行，与层面切割对洞壁稳定不利。

2 岩锚梁裂隙成因分析

在岩锚梁附近围岩布置的监测项目主要包括：变形监测、锚固受力状态监测和锚固应力状态监测，监测布置方式如图3所示；岩锚梁上布置监测项目主要包括：裂缝监测、开合度监测、锚固应力状态监测，监测布置方式如图4所示。

图3 主厂房岩锚梁附近围岩监测布置图

图4 主厂房岩锚梁监测布置图

3 变形监测结果与分析

3.1 多点位移计监测结果与分析

主厂房岩锚梁附近多点位移计围岩孔口轴向位移在-0.47 mm～23.13 mm之间。多点位移计的位移过程曲线如图5～6，由图可以发现岩锚梁附近围岩变形主要集中在0～7 m深度之间；多数多点位移计在第Ⅳ层开挖之后进行安装监测，第Ⅴ层开挖对岩锚梁附近围岩影响最大，随着主厂房下卧开挖，岩锚梁附近围岩在0～7 m深度依然有持续的变形，变形速率较第Ⅴ层有所减缓；三个监测剖面上的多点位移计变形规律基本相似，变形量值差别不大。

图5 主厂房厂右0+075.00上游边墙高程1834.67 m的位移过程线图

图6 主厂房厂右0+066.00下游边墙高程1834.67 m的位移过程线图

3.2 测缝计监测结果与分析

多数测缝计开合度在-0.37 mm～1.80 mm之间，变化基本稳定，最大开合度出现在上游岩锚梁厂右0+96.30 m的J04-YML4监测点。上游岩锚梁剖面4的3个测缝计位移过程曲线见图7，结果显示该剖面上部测缝计开合度测值大于下部测值，符合一般规律，且随着主厂房下卧开挖，该剖面测缝计开合度有持续增加的趋势。其他多数剖面测缝计开合度相对较小，且同一剖面上的测缝计开合度不满足上部开合度大于下部开合度的一般规律。类比其他同类水电站地下厂房工程，乌弄龙主厂房岩锚梁测缝计开合度测值相对偏小。

图7 主厂房上游岩锚梁厂右0+096.30 m剖面4测缝计开合度过程线图

3.3 锚固受力状态监测结果与分析

主厂房岩锚梁锚索测力计锚索锁定荷载在1574.3 kN～1666.9 kN之间；锚索锁定后48小时预应力测值在1475.6 kN～1640.4 kN之间；锚索当前荷载在353.0 kN～1898.5 kN之间。其中剖面A1-A1上下游边墙的锚索受力有所增加（增幅13.9%～17.5%）；剖面A3-A3上游边墙的锚索受力有所增加（增幅5.9%），下游边墙的锚索受力有所减小（降幅12.7%）；剖面A2-A2上下游边墙的锚索受力大幅减小（降幅22.8%～77.8%）。受力增加的锚索测力计过程曲线见图8～10，可以发现锚索受力在第IV层开挖幅度较大，随着开挖下卧，锚索受力持续增加，增加幅度有所减缓。

图8 主厂房厂右0+020.25上游1833.92 m锚索测力计PR409-CFB1过程线图

图9 主厂房厂右0+11.25下游1832.42 m锚索测力计PR410-CFB1过程线图

图10 主厂房厂右0+146.25上游1833.92 m锚索测力计PR403-CFB3过程线图

3.4 锚固应力状态监测结果与分析

主厂房岩锚梁附近锚杆应力计监测数据结果显示，A1-A1剖面上下游锚杆应力计测值较小，在-9.6 MPa～74.0 MPa之间，A3-A3剖面上游锚杆应力计测值居中，在18.2 MPa～88.6 MPa之间，A2-A2剖面上游锚杆应力计测值最大，在57.0 MPa～469.4 MPa之间。其中主厂房厂右0+074.25 m上游边墙1836.17 m高程的锚杆应力计R401-CFB2出现的锚杆应力超过量程的现象（量程300 MPa），主要受第Ⅳ和Ⅴ层爆破开挖影响，该区域多点位移计0～7 m深度发生大量变形，因此，布置在深度为7.0 m锚杆应力计出现较大局部应力，应力测值陡增，如图11所示。

图11 主厂房厂右0+74.25上游边墙高程1836.17锚杆应力过程线图

主厂房岩锚梁锚杆应力计监测数据显示，上游岩锚梁厂右0+096.30 m深度7.0 m的锚杆应力为558.5 MPa，下游岩锚梁厂右0+049.80 m深度7.0 m和厂右0+077.30 m深度5.0 m的锚杆应力分别为575.5 MPa和501.3 MPa。厂右0+049.80 m和厂右0+077.30 m下部5.63 m即为2号和3号母线洞顶拱，母线洞开挖造成围岩应力调整，导致岩锚梁和母线洞区域应力集中，促使岩锚梁部位岩体产生不均匀变形，从而使得锚杆应力急剧增大。

4 数值计算结果分析

选取了主厂房上下游岩锚梁若干关键点进行对比分析分层开挖支护的岩锚梁沿洞轴方向位移变化，各关键点位置与编号见图12。现着重对上游岩锚梁关键点2和下游岩锚梁关键6进行分析。

图12 主厂房上下游岩锚梁关键点布置图

合位移方面，上游岩锚梁整体合位移略大于下游侧；水平位移方面，上游岩锚梁最大水平位移在第VIII层开挖时接近14 mm，而下游岩锚梁最大水平位移在第VIII层开挖时接近9 mm，上游岩锚梁的水平位移明显大于下游岩锚梁水平位移，这也是上游岩锚梁顶部平台与岩壁之间出现多条纵向裂缝的可能原因，纵向裂缝产生的区域，岩锚梁水平位移量值较大（14 mm左右）。

铅直位移方面，上游岩锚梁最大铅直位移在第VIII层开挖时接近5.5 mm，而下游岩锚梁最大铅直位移在第VIII层开挖时接近11 mm，下游岩锚梁的铅直位移明显大于上游岩锚梁铅直位移，其主要原因是下游岩锚梁下部5.63 m即为母线洞顶拱，母线洞开挖使得岩锚梁和母线洞之间围岩向着母线洞临空面方向发生变形，这是下游侧岩锚梁顶部平台表面出现多条横向裂隙可能的原因。

5 结论及应对措施

5.1 结论

对于检查发现的主厂房上下游岩锚梁横向和纵向裂缝，从开挖地质条件、最新的监测数据以及数值分析等不同角度进行了裂缝成因分析，分析结果表明：

上下游岩锚梁附近围岩岩性为砂质板岩和变质砂岩互层，发育多条层面裂隙和陡倾裂隙，整体为III1～III2类围岩，层状且裂隙发育是围岩产生差异变形的前提。

多点位移计结果显示围岩变形主要集中在0～7 m的深度；最大开合度监测值在上游岩锚梁厂右0+096.30 m处，该剖面上部测缝计开合度测值大于下部测值，符合一般规律，与实际检查到的上游岩锚梁纵向裂缝所处位置基本一致；该处7 m深度的锚杆应力测值也超过500 MPa，下游锚杆应力测值较大区域主要集中在2号和3号母线洞上方岩锚梁区域。

数值分析结果表明，岩锚梁上的差异变形是导致岩锚梁横向和纵向裂缝产生的主要原因。上游岩锚梁水平差异变形导致纵向裂缝的产生，下游岩锚梁铅直差异变形导致横向裂缝的产生。

主厂房上游岩锚梁厂右0+107.00 m纵向裂缝区域和下游岩锚梁厂右0+49.00 m横向裂缝区域需要作为重点监测区域，定期进行监测，必要时采用应对措施。

5.2 应对措施

加强上述重点区域的测量频次，对于张大的裂隙，及时进行宽度和深度测量。目前，岩锚梁上裂缝宽度还较小，深度还无法测量，对岩锚梁的整体稳定性影响不大。但是岩锚梁裂缝如不及时进行处理，会引起钢筋的锈蚀，降低混凝土的耐久性和抗疲劳能力，对岩锚梁的整体稳定性不利。因此，需要根据裂缝宽度的不同，分别对岩锚梁裂缝进行固结灌浆或化学灌浆处理，以满足岩锚梁稳定性和安全性的要求。