丰宁抽水蓄能电站一期地下厂房施工期围岩安全监测分析
2020-07-10马雨峰刘登学刘双华吕风英徐士超
马雨峰,刘登学,刘双华,吕风英,徐士超
(1. 河北丰宁抽水蓄能有限公司,河北省承德市 068350;2. 长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,湖北省武汉市 430010)
0 引言
地下厂房洞室群的围岩安全监测是水利枢纽工程施工建设中一项重要的工作内容。通过在地下厂房洞室群开挖施工中布置位移及应力监测系统,获得有关围岩稳定性及支护工作状态的真实信息,可为进一步支护设计优化及后续的开挖提供依据[1]。如乌东德水电站、官地水电站、二滩水电站、桐柏抽水蓄能电站等水利枢纽工程[2-11]均在其地下洞室开挖过程中进行了相关的研究工作,为工程的安全施工提供了有力支撑。
河北丰宁抽水蓄能电站位于河北省丰宁满族自治县境内,是目前世界上装机规模最大的抽水蓄能电站,工程规划装机容量3600MW,电站分两期建设,两期工程装机容量均为1800MW。主副厂房、主机间和安装场洞室总开挖尺寸为414.0m×25.0m×54.5m(长×宽×高),主变压器洞洞室总开挖尺寸为450.5m×21.0m×22.50m(长×宽×高)。地下厂房洞室群的开挖规模大,围岩岩性虽以III类花岗岩为主,在施工开挖过程中,陆续揭示了岩体蚀变带和较多长大裂隙,不仅削弱了围岩的整体强度,也降低了岩体完整性[12]。本文依据丰宁一期地下厂房施工期安全监测数据,对相关的围岩变形和锚固支护受力监测数据开展系统分析,并结合国内外已建的水电站和抽水蓄能电站地下厂房工程,对主厂房第V层开挖完成后的围岩稳定状态进行综合评价,研究成果可为同类工程提供借鉴。
1 地质条件分析
地下厂房系统岩性主要为三叠干沟门单元中粗粒花岗(见图1),灰白色、肉红色,岩石具花岗结构,碎裂结构,块状构造,见图1。其中钾长石40%~45%,斜长石25%~30%,石英20%~25%,角闪石、黑云母10%~15%,电气石1%~2%,副矿物锆石、屑少量。
在可研阶段勘察得到的6条规模较大断层的基础上,施工期由主厂房和主洞室开挖揭示了11条断层,宽度从数厘米到2m不等,多与厂房轴线大角度相交,以中陡倾角为主,同时编录得到长大裂隙千余条,裂隙较为发育。
施工期开挖揭示:主变压器洞上游顶拱、2号母线洞两侧边墙及厂房上下游侧边墙等部位有岩体蚀变现象,呈囊状或追踪长大裂隙呈条带状分布,岩石的蚀变程度不一,主要表现为岩体强度降低。在主厂房上游边墙厂左0+100m的高程980m附近进行取样和矿物分析的结果表明,花岗岩蚀变后,矿物坡缕石和绿泥石的含量相对较高,说明蚀变的产生与构造发育存在一定关系。两种矿物吸水性强,吸水后具黏性和可塑性,水浸泡崩散,抗风化能力弱。因此,蚀变岩体开挖后宜及时封闭,防止进一步风化和水的浸泡,可以从一定程度上防止蚀变岩体的力学性质恶化。
图1 三叠系干沟门单元中粗粒花岗岩Figure 1 Coarse-grained granite in Triassic Gangoumen unit
2 安全监测布置
一期主厂房和主变压器室共布置了7个系统性监测断面,监测断面平面布置见图2。图3为典型监测断面(I-I)多点位移计布置图,图4为锚杆应力计典型断面布置图。
图2 一期地下厂房监测断面及对应桩号布置图Figure 2 Monitoring section of the first phase underground powerhouse and corresponding layout drawing
图3 I-I断面多点位移计监测布置图Figure 3 Multi-point displacement meter monitoring layout of I-I section
图4 锚杆应力计典型监测断面布置图Figure 4 Typical monitoring section layout of anchor stress meter
3 围岩变形监测数据及支护受力特征分析
3.1 围岩变形分析
3.1.1 表层围岩变形分布规律
图5为一期主厂房上游侧和下游侧各监测断面的表层围岩变形量值分布图,图6为一期主厂房各监测截面的表层围岩变形最大值分布的柱状图,一期主厂房的围岩变形最大监测值为86.06mm,出现在厂左0+96截面的下游边墙991m高程部位。从分布规律来看,边墙部位围岩变形大于顶拱部位;位于一期主厂房两侧的厂左0+0(1号机)和厂左0+156(安装场)截面,上游边墙围岩变形大于下游边墙,位于中间部位的厂左0+24(2号机)、厂左0+48(3号机)和厂左0+96(5号机)截面,则是下游边墙围岩变形大于上游边墙。对比不同监测截面的围岩变形监测值,可知厂左0+0(1号机)、厂左0+48(3号机)和厂左0+96(5号机)截面的变形量值总体较大,均有围岩变形量值超过60mm的测点,其次是厂左0+24(2号机)和厂左0+156(安装场)截面,均有围岩变形量值超过40mm的测点,厂右0+26(副厂房)、厂左0+72(4号机)和厂左0+120(6号机)截面的围岩变形监测值相对较小,均在30mm以内。
图5 一期主厂房下游侧表层围岩变形监测值分布(单位:mm)Figure 5 Deformation distribution of surface surrounding rock at downstream side of the first phase main power house(Unit:mm)
图6 一期主厂房各监测断面洞周表层围岩变形最大值分布柱状图Figure 6 Histogram of the distribution of the maximum value of the surrounding rock deformation of the surface layer around the tunnel of each monitoring section of the first phase main power house
3.1.2 不同深度围岩变形量值特征
从顶拱、上游和下游边墙各部位的围岩变形分布图(见图7)可知,围岩变形总体上为从内向外不断累积增大,并在孔口达到最大值。从绝对量值分析,孔口部位有48%的测点变形监测值小于10mm,38%的测点变形监测值介于10~30mm,15%测点变形监测值介于30~50mm,另有8%测点的变形监测值大于50mm;距开挖面2m深部位有48%的测点变形监测值小于10mm,33%的测点变形监测值介于10~30mm,15%测点变形监测值介于30~50mm,另有4%测点的变形监测值大于50mm;距开挖面5~6m深部位有67%的测点变形监测值小于10mm,22%的测点变形监测值介于10~30mm,7%测点变形监测值介于30~50mm,另有4%测点的变形监测值大于50mm;距开挖面10~13m深部位有87%的测点变形监测值小于10mm,8%的测点变形监测值介于10~30mm,6%测点变形监测值介于30~50mm,无测点的变形监测值大于50mm。
对于顶拱部位,围岩变形主要发生在距开挖面2~6m或者6~13m的深度区间,图8为I-I监测截面围岩变形分布图。针对发现的洞周一些部位的围岩变形主要发生在距开挖面6m或更深部位的现象,初步分析后认为是顶拱、上游边墙和下游边墙围岩内可能存在节理裂隙等结构面,易在主厂房下卧开挖的过程中受卸荷扰动影响,发生结构面张开或错动,从而引起该部位的不连续变形。针对发现的下游边墙有较多区域围岩变形主要发生在开挖面附近的现象,初步分析后认为是围岩在开挖卸荷的扰动影响下,岩体质量变差,力学参数降低,从而产生较大量值的变形。
3.1.3 围岩变形监测时程曲线特征
顶拱区域的监测变形曲线均存在陡增的情况(图9中红色椭圆框标识部位),这与围岩内结构面受卸荷扰动,易在顺层或垂直层面方向上产生不连续变形,使围岩变形陡增的一般规律相符。边墙区域的围岩监测变形曲线呈现较为明显的时效特征,即开挖完成后围岩变形收敛缓慢,需要较长时间才能逐渐稳定。
图7 一期主厂房不同深度围岩变形量在各量值区间占比的分布柱状图Figure 7 The distribution histogram of the ratio of the deformation of the surrounding rock in different depth to each value interval of the first phase main power house
图8 I-I截面围岩变形分布图(单位:mm)Figure 8 Deformation distribution of surrounding rock of I-I section(Unit:mm)
图9 II-II断面M2-3多点位移计监测时程曲线Figure 9 Time history curve of M2-3 multi-point displacement meter in section II - II
3.2 锚杆受力分析
(1)总体上,主厂房锚杆应力(不含吊车梁锚杆)超过310MPa的测点,占5.69%;200~310MPa的测点占8.94%;100~200MPa的测点占25.20%;小于100MPa的测点,占60.16%。锚杆应力超过310MPa部位主要分布在主厂房的顶拱和上下游拱腰,其次是上下游边墙部位,见图10。
(2)锚杆沿2m、4m和6m深度方向上的应力值,总体上是最接近开挖面的2m测点应力值相对更大。但是,因受到节理裂隙等结构面的影响,一些部位的锚杆应力计4m和6m深度测点应力值大于浅部2m测点,如厂左0+0截面内的顶拱部位和上游边墙测点,厂左0+48截面内的下游边墙测点,厂左0+72截面内的顶拱部位测点。这些部位在开挖卸荷作用下,因受到围岩局部原生结构面张开滑移或新生裂隙的影响,使得锚杆应力值呈现不同的沿深度变化规律,见图11。
图10 一期主厂房锚杆不同应力水平比例Figure 10 Different stress level ratio of anchor bolt in first phase main power house
图11 一期主厂房锚杆应力不同深度测点不同量级的分布比例Figure 11 Distribution proportion of anchor stress of different depth measuring points of different magnitude in first phase main power house
3.3 锚索受力分析
(1)主厂房锚索受围岩卸荷松弛作用,锚索受力普遍较大,大部分锚索受力增长,部分锚索呈松弛特征。其中,相对实际锁定值,应力增加和松弛的锚索数分别占总锚索数的77.42%、22.58%。
(2)在受力增长的锚索中,超锁定值0~0.1倍的8支,占受力增加锚索总数的比例为33.33%;超锁定值0.1~0.2倍的4支,占16.67%;超锁定值0.2~0.3倍的4支,占16.67%;超锁定值0.3~0.4倍的5支,占20.83%;大于0.4倍的3支,占12.50%,见图12。
(3)在预应力损失松弛锚索中,损失率为0~0.1的5支,占松弛锚索总数比例为71.43%;大于0.3倍的2支,占28.57%,见图13。
(4)应力松弛损失的锚索一般在5%以内,局部锚索应力松弛较大,最大损失67.31%(厂左0+48,下游边墙)。
(5)相比于锚索设计荷载,目前有13台锚索测力计的锚固力超过设计荷载,其中6台超过设计荷载比例在10%以内;5台超过设计荷载比例在10%~20%之间;2台超过设计荷载比例大于20%,分别是厂左0+46下游拱腰部位1006高程的Dpcf8测力计,超过设计值29%,以及厂左0+200顶拱部位的1008.5高程的Dpcf18测力计,超过设计值36%。这些超过设计荷载20%的锚索测力计应予以特别重视,建议增加观测频次,并加强支护。
图12 一期主厂房锚索超锁定值分布图Figure 12 Distribution diagram of over locked value of anchor cable in first phase main power house
图13 一期主厂房锚索相对锁定值松弛分布图Figure 13 Relaxation distribution diagram of relative locking value of anchor cable in first phase main power house
4 结束语
河北丰宁一期抽水蓄能电站地下厂房区岩性主要为三叠干沟门单元中粗粒花岗,断层裂隙较为发育,施工期开挖揭示厂房部分区域存在岩体蚀变现象。地下厂房洞室群的围岩安全监测数据分析表明:截至主厂房第V层开挖完毕,主厂房的围岩变形最大值达到86.06mm,且有多个监测截面的围岩变形监测值超过60mm,相比于岩性、围岩分类、埋深和开挖规模相近的地下厂房,丰宁抽蓄地下厂房的围岩变形量值偏大;主厂房还具有部分区域深部围岩变形显著,且围岩变形时效特征明显的特点;锚索对地下厂房洞室群围岩起到了较好的加固效果,是保持围岩稳定性的必要支护结构。