地下电站岩锚梁裂缝成因分析研究

朱 浩，贺明武，张 钊

(中国三峡建设管理有限公司，四川 成都 610031)

岩锚梁是水电站地下厂房的一种特殊结构形式，它通过注浆锚杆将钢筋混凝土梁固定在岩壁上，梁体承受的全部荷载通过锚杆和混凝土与岩台的接触面传递给围岩。地下洞室采用这种承重结构，不仅可以缩小厂房跨度，经济社会效益巨大，而且有利于围岩稳定，可以提前安装桥机，加快厂房下部开挖，方便混凝土浇筑及发电机组安装。然而，由于岩锚梁成型较早，且要承担较大的吊车荷载，在后续的洞室爆破开挖形成的应力集中可能会导致岩锚梁附近围岩产生大变形及开裂，进而使得附着其上的岩锚梁产生裂缝。

A水电站左岸主厂房岩锚梁于2014-11-19日浇筑完成。2015年1月至2016年10月份多次普查发现，岩锚梁共出现横向裂缝45条，纵向裂缝32条。尽管岩锚梁出现裂缝非常正常，几乎所有的地下电站如三峡、溪洛渡、向家坝、猴子岩、构皮滩等的岩锚梁都或多或少出现严重程度不一的裂缝。但像A水电站这样，在主厂房整体变形不大的情况下，岩锚梁仍出现多条裂缝，实属罕见。因此有必要对岩锚梁的裂缝产生原因进行分析研究，为同类工程提供借鉴参考。

1 工程概况

1.1 主厂房概况

A水电站左岸主厂房位于峡谷岸坡内，主厂房外侧端墙距岸边90～100 m，埋深160～540 m。主厂房长333 m，为圆拱直墙型，顶拱中心高程855.00 m，机窝底板高程765.20 m，高89.80 m。岩锚梁台面高程839.70 m，岩锚梁以上跨度32.50 m，以下跨度30.50 m，高度居世界第一，跨度居世界第四。主厂房共分11层进行开挖(见图1)。

图1 主厂房分层分区开挖图

1.2 岩锚梁地质概况

主厂房围岩从山内往山外依次为落雪组第二段第三亚段(Pt2l2-3)、第三段第一亚段(Pt2l3-1)、少量第三段第二亚段(Pt2l3-2)地层。其中Pt2l2-3为互层夹中厚层大理岩化白云岩，位于主厂房山里侧，约占主厂房的1/3；Pt2l3-1以中厚层夹厚层及少量互层灰岩及大理岩为主，局部为厚层白云岩、B类角砾岩；Pt2l3-2以中厚、厚层白云岩为主。

主厂房岩锚梁高程839.7～836.0 m附近开挖揭露地层岩性为大部分Pt2l3-1中厚夹厚层及少量互层灰岩、大理岩、局部B类角砾岩，少部分Pt2l2-3互层夹中厚层局部薄层大理岩化白云岩，少量Pt2l3-2中厚夹厚层白云岩及灰岩。岩层走向与厂房轴线夹角以30°～40°为主，局部夹角小于30°(4号机上游、6号机与副安装场下游)，山内侧局部夹角40°～50°，见图2。岩锚梁围岩多为微新岩体，仅B类角砾岩为弱风化～微风化。岩溶不发育，未见溶洞，干燥。最大水平主应力为低～中等地应力水平。

图2 主厂房岩锚梁837 m高程工程地质平切图

1.3 岩锚梁设计方案

岩锚梁位于主厂房上下游边墙，上下游长度均为333 m。岩锚梁为钢筋混凝土牛腿结构，牛腿底部高程835.97 m，顶面高程839.60 m，高3.63 m，梁面宽2.20 m。梁体布置有两排受拉锚杆和一排受压锚杆，其中受拉锚杆为张拉力为200 kN的L=12 m,Φ32的精轧螺纹钢，间距为60 cm，受压锚杆为L=9 m，Φ32的普通钢筋，间距为75 cm(见图3)。

图3 岩锚梁结构型式和支护锚杆示意图

1.4 岩锚梁裂缝特性

2015年1月至2016年10月份多次普查发现，岩锚梁共出现横向裂缝45条，裂缝最大长度265 cm，裂缝最大宽度0.3 mm；纵向裂缝32条(即32个部位与竖向基岩拉开)，裂开处最长212 cm，最宽22 mm。裂缝情况详见图4～图7。

图4 岩锚梁裂缝分布图(左半段)

图5 岩锚梁裂缝分布图(右半段)

图6 岩锚梁横向裂缝影像图 图7 岩锚梁纵向裂缝影像图

2 岩锚梁裂缝成因分析[1-4]

岩锚梁产生裂缝的原因是多方面的，从混凝土自身因素来看，有混凝土抗拉强度低和施工中温度应力大等方面的影响；从外部因素来看，有基础围岩的不均匀变形、锚固系统约束、下层洞室围岩的爆破开挖以及爆破飞石对已浇梁体的击损等几方面的影响。根据收集的资料，从以下几方面对岩锚梁产生裂缝的原因进行系统分析研究，具体如下。

2.1 混凝土配合比

岩锚梁混凝土设计指标为C30F100，28 d极限拉伸值≥85×10-6。岩锚梁的配合比经过施工单位、监理单位及第三方复核，均符合设计技术要求。施工过程中，监理及第三方对岩锚梁混凝土性能进行了检测，岩锚梁混凝土劈裂抗拉强度在2.53～3.38 MPa，平均值2.99 MPa。岩锚梁混凝土配合比的设计指标与同类工程相似，施工配合比合适，混凝土抗拉性能良好。

2.2 混凝土内部温度

岩锚梁浇筑时段为2014-09-10日～2014-11-19日，主要采用吊罐、布料机及混凝土泵三种手段入仓，底部两层(每层厚度约0.5 m)浇筑坍落度16～18 cm混凝土，其余均浇筑坍落度12～14 cm混凝土。岩锚梁混凝土每仓铺设一组冷却水管，在混凝土浇筑时即通12～14℃制冷水，通水时间一般为7～12 d。岩锚梁上下游梁体共埋设17支温度计观测混凝土内部温度。

经统计分析，15个布置温度计的混凝土浇筑仓，超温的有13仓，其中超温且有裂缝的5仓，占比不到40%；未超温的有2仓，1仓有裂缝，1仓无裂缝。上游岩锚梁第5段超温情况最严重，最高温度达50.82℃，超设计允许最高温度10.82℃，但仅出现1条非贯穿性裂缝，而上游岩锚梁第1、11、15段，仅超设计允许最高温度6.4℃、3.65℃、0.31℃，却出现4条贯穿性裂缝、5条非贯穿性裂缝。由此可见，岩锚梁内部温度超温及超温严重程度与裂缝产生及其严重程度没有必然联系。

2.3 爆破震动

主厂房岩锚梁以下部位开挖时，对岩锚梁进行了8次爆破质点振速监测，共30个测点。其中超标部位4个，超标测点数11个，超标部位及对应的裂缝情况见表1。

表1 爆破质点振速超标与裂缝情况统计表

通过统计爆破部位10 m范围内的岩锚梁裂缝的情况，质点振速超标部位(如Yc1+051 m～Yc1+060 m、Yc1+085 m～Yc1+095 m)，出现横向和纵向裂缝；质点振速未超标部位(如Yc1+127 m～Yc1+137 m、Yc1+200 m～Yc1+210 m、Yc1+290.0 m～Yc1+298.0 m)，也出现横向和纵向裂缝，且数量较超标部位更多。因此，爆破质点振速是否超标与岩锚梁裂缝产生不存在必然联系(见图8)。

图8 爆破质点振速超标情况与裂缝情况对比图

2.4 围岩变形

2.4.1 围岩变形对横向裂缝的影响

2016年6月，主厂房开挖完成。根据多点位移计监测数据，上游岩锚梁部位围岩累计变形在0.65～29.65 mm，最小值出现在1号机岩锚梁(仪器编号M14Z01)，最大值出现在2号机岩锚梁(仪器编号M04Z02)。下游岩锚梁部位围岩累计变形在6.58～30.77 mm，最小值出现在3号机岩锚梁(仪器编号M16Z03)，最大值出现在4号机岩锚梁(仪器编号M05Z04)。岩锚梁部位岩体差异变形显著(见图9～图10)，岩锚梁产生多条横向裂缝与其所在部位岩体的差异变形有关联性。

图9 上游岩锚梁多点位移计累计位移图

图10 下游岩锚梁多点位移计累计位移图

2.4.2 围岩变形对纵向裂缝的影响

统计分析岩锚梁测缝计与多点位移计、锚索测力计变化过程线可知，测缝计开合度发生较明显变化时，多点位移计孔口位移、锚索测力计锚固力也发生明显变化，如，2015-01-01日至1月8日，4号机上游岩锚梁围岩变形7.10 mm，开合度分别增加0.27 mm和0.22 mm；2015-08-27日至9月3日，4号机下游岩锚梁围岩变形4.64 mm，开合度分别增加0.20 mm和0.67 mm；2015-05-13日至5月22日，5号机下游岩锚梁围岩变形2.95 mm，开合度增加0.48 mm。可见，岩锚梁纵向裂缝与围岩变形有明显关联性(见图11～图15)。

图11 左岸4号机上游岩锚梁测缝计与多点位移计(M04Z04)变化过程线对照图

图12 左岸4号机上游岩锚梁测缝计与锚索测力计变化过程线对照图

图13 左岸4号机下游岩锚梁测缝计与多点位移计(M05Z04)变化过程线对照图

图14 左岸5号机下游岩锚梁测缝计与多点位移计(M13Z05)变化过程线对照图

图15 左岸5号机下游岩锚梁测缝计与锚索测力计变化过程线对照图

2.5 结构分缝

1)强约束区。上游岩锚梁两端头及下游岩锚梁靠江侧端头，均处于强约束区。上游岩锚梁两端头均未发现地质缺陷，下游岩锚梁靠江侧端头附近Yc1+302 m～325 m，高程843～765 m范围为小夹角(≤20°)区域。上游岩锚梁靠江侧端头25 m范围内分别在桩号Yc1+326.00 m及Yc1+314.50 m处设置了2道伸缩缝，靠江侧端头25 m范围内未发现裂缝；而靠山侧端头仅在桩号Yc1+025.00 m处设置了伸缩缝，其8 m范围内出现了3条裂缝，其中1条为贯穿性裂缝。下游岩锚梁靠江侧端头25 m范围内仅在桩号Yc1+326.00 m设置了伸缩缝，因其处于小夹角部位，且下部电缆廊道距岩锚梁仅8 m，出现了2条非贯穿性裂缝。因此在强约束区，伸缩缝设置与岩锚梁裂缝有关联性。

2)岩层性状变化区。Pt2l2-3中厚层夹互层大理岩化白云岩与Pt2l3-1中厚层灰岩，在上游岩锚梁的分界线位于桩号Yc1+140.00 m附近，该部位未设置伸缩缝，其附近产生了1条贯穿性横向裂缝；Pt2l2-3中厚层夹互层大理岩化白云岩与Pt2l3-1中厚层灰岩，在下游岩锚梁的分界线位于桩号Yc1+103.00 m附近，该部位也未设置伸缩缝，其附近产生了6条横向裂缝，其中4条为贯穿性裂缝。Pt2l3-2中厚～厚层白云岩、灰岩与Pt2l3-1中厚层灰岩，在下游岩锚梁的分界线位于桩号Yc1+268.70 m附近，距离最近的伸缩缝桩号为Yc1+264.50 m，该处未出现横向裂缝。因此在岩层性状变化区，伸缩缝设置与岩锚梁裂缝有关联性。

3)B类角砾岩区。B类角砾岩位于上游岩锚梁Yc1+285 m～294 m、下游岩锚梁Yc1+235 m～268 m，上游岩锚梁对应部位设置了2条伸缩缝，下游岩锚梁对应部位设置了3条伸缩缝，上述部位均未出现横向裂缝。因此在B类角砾岩区，伸缩缝设置与岩锚梁裂缝有关联性。

4)小夹角区。小夹角区上游岩锚梁对应部位设置了2条伸缩缝，分别在Yc1+196 m、Yc1+226 m，但zf48块体范围Yc1+213 m～218 m未设置伸缩缝，其附近出现3条非贯穿性裂缝。小夹角区下游岩锚梁对应部位设置了2条伸缩缝，分别在Yc1+285 m、Yc1+326 m，但因上述2条伸缩缝距离太远(达41 m)，加上该部位下部距离不到8 m处存在电缆廊道，出现了3条非贯穿性裂缝，桩号分别为Yc1+304 m、Yc1+311 m、Yc1+320 m。因此，小夹角区，伸缩缝设置与岩锚梁裂缝有关联性。

3 结 语

地下电站岩锚梁裂缝产生原因复杂多样，A水电站左岸主厂房岩锚梁裂缝的产生与围岩差异变形、伸缩缝设置有关联性。因此，为防止地下电站岩锚梁出现裂缝，一方面需防止围岩出现大变形和不均匀变形；另一方面需根据岩锚梁部位的地质条件及下部的洞室布置情况合理设置伸缩缝。