乌东德水电站右岸地下厂房施工期围岩稳定分析

麦锦锋，李端有，黄　祥，刘宝乐

(长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉　430010)



乌东德水电站右岸地下厂房施工期围岩稳定分析

麦锦锋，李端有，黄祥，刘宝乐

(长江科学院 工程安全与灾害防治研究所，武汉430010)

摘要：安全监测是地下洞室围岩稳定安全评价的重要手段。乌东德水电站右岸地下厂房规模巨大，主厂房、主变洞、调压室三大洞室平行布置。为确保施工期围岩的安全稳定，通过使用多点位移计、锚杆应力计、锚索测力计、锚杆测力计、测缝计等监测仪器，对围岩表面和深部的变形进行监测，分析了地下厂房三大洞室第Ⅰ—第Ⅲ层开挖的位移特性与变形规律。监测结果表明：开挖引起的上层围岩变形较小，且主要集中在浅表层；三大洞室岩锚梁高程以上最大变形为16.43 mm，主厂房顶拱、上游侧岩锚梁和尾水调压室上游边墙围岩变形较大；爆破开挖扰动、开挖引起的空间效应以及较差的地质条件是围岩变形增长较快的主要影响因素；通过采用加强支护等措施，能有效控制围岩变形的发展。

关键词：乌东德水电站；地下厂房；围岩变形；安全监测；溶蚀裂隙

1研究背景

对水电站地下厂房洞室群开挖过程中的围岩变形和支护结构应力进行监测与分析，并对围岩稳定进行安全评价，是大型地下洞室普遍采用的安全保障措施。安全监测在三峡、龙滩、锦屏、官地、溪洛渡、向家坝等大型水电站地下厂房的建设中发挥着重要作用，在施工过程中及时埋设监测仪器、及时分析监测数据，为指导围岩变形控制和保持围岩稳定提供了最基本的科学依据[1]。

乌东德水电站右岸地下厂房工程地质条件复杂，且局部存在较严重的地质缺陷，其开挖过程中的围岩变形与围岩稳定是工程建设需要关注的重中之重。施工过程中围岩稳定的控制措施极具挑战性，利用好前期科学研究成果，有效控制岩体损伤范围并及时跟进支护，适时分析监测数据并反馈设计、施工，对围岩稳定具有重大意义[2]。

2工程概况

乌东德水电站位于金沙江下游河段4个水电梯级电站——乌东德、白鹤滩、溪洛渡、向家坝中的最上游一级，电站大坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高为265 m。水库正常蓄水位为975 m，总库容约为74.08亿m3，电站总装机容量为10 200 MW。乌东德电站建筑物分两岸布置，分别安装6台850 MW混流式水轮发电机组，引水系统采用单机单洞，尾水系统采用两机一洞。乌东德水电站地下厂房洞室群主要由进水口、引水隧洞、主厂房、母线洞、主变洞、尾水调压室和尾水隧洞等组成。主厂房、主变洞、调压室三大洞室平行布置。右岸洞轴线方向为NE65°，主厂房位于右坝肩下游，距坝肩最小距离约69.00 m(855.00 m高程处)，最大开挖尺寸为333.00 m×30.50 m(32.50 m)×89.80 m(长×宽×高)，主变室开挖尺寸为272.00 m×18.80 m×35.00 m(长×宽×高)，尾水调压室采用下部独立、上部连通的圆筒式布置型式，最大开挖尺寸为53.00 m×40.00 m×113.50 m(长×宽×高)。

3地质条件与开挖支护

乌东德水电站地下厂房洞室群规模巨大，洞室跨度大，边墙高，且洞室群纵横交错复杂(见图1)，岩层陡倾，走向与厂房轴线小夹角相交，且存在较为软弱的岩体，在开挖卸荷的作用下，容易对地下厂房洞室群围岩的稳定性产生不利影响。

图1　右岸地下电站三维效果Fig.1　Three-dimensional rendering of right bankunderground power station

3.1地质条件

乌东德水电站地下厂房地质条件较为复杂。右岸地下厂房围岩为落雪组第三段(Pt213-2—Pt213-4)厚层、巨厚层变质灰岩、大理岩，局部为薄层、中厚层变质灰岩、大理岩，岩层陡倾，厂房区域Pt214-1岩层岩体力学参数低且层内软弱面发育。地下厂房区域地应力以垂直地应力为主，最大主应力在7.0～13.5 MPa之间[3]，最大与最小主应力量值差值不大，地下厂房区域属中等地应力场，最大水平主应力方向大致为NE65°。

3.2开挖支护情况

3.2.1洞室群开挖方案

实际开挖施工采用了可行性研究阶段的推荐方案，即主厂房和主变洞先开挖，然后再开挖调压室。分析表明，相比主厂房、主变洞和调压室同时开挖方案，推荐方案的围岩拉应力区和拉应力量值较小，塑性区体积和深度也较小，对围岩扰动较小，有利于洞室围岩稳定的控制[3]。截止至2014年11月，主厂房和主变洞开挖进度如图2所示，调压室目前正进行穹顶及上层闸门廊道开挖。

图2　右岸地下厂房洞室分层开挖示意图Fig.2　Scheme of stratified excavation of right bankunderground powerhouse

3大洞室在施工过程中坚持“超前预测、超前支护、短进尺、弱爆破、少扰动、早封闭、强支护、勤量测”[4]的原则，及时跟进锚喷支护工作。

3.2.2支护方案

类比已建相似工程，针对乌东德厂房工程地质条件，采用锚杆+喷层+锚索支护方案。选定砂浆锚杆和张拉锚杆为系统锚杆，砂浆锚杆长度为6 m，张拉锚杆长度为9 m，锚杆直径为32 mm，在局部地质缺陷区(如结构面、裂隙和不稳定块体等)采用9 m长砂浆锚杆和张拉锚杆，个别锚杆长度为12 m，用于锚固深部结构面；挂钢筋网喷混凝土或喷钢纤维混凝土，厚度为10～20 cm；预应力锚索设计值为1 500 kN和2 000 kN。

4监测布置

右岸地下厂房布置了8个监测断面，即：副安装场中心剖面、7#—12#机中心剖面以及主安装场中心剖面各1个监测断面。此外，为了动态优化支护设计，在其他部位也布置了部分监测仪器。根据右岸地下电站主厂房、主变洞顶层及调压室顶部环形导洞开挖所揭露出来的实际地质情况，在顶拱部位增设部分多点位移计，以加强右岸地下洞室群围岩深部变形监测。同时，对主厂房、主变洞和调压室顶拱部分块体、岩层小夹角洞段、局部缓倾角裂隙相对较发育区、小夹角长大结构面、较长大缓倾角裂隙等地质缺陷部位增加了锚杆应力计和锚索测力计。新增的多点位移计均为3点式，大部分在洞室开挖后安装，测点最大深度在10～30 m之间；新增的锚杆应力计均安装在9 m砂浆锚杆或张拉锚杆正中间，为单点式；新增锚索测力计有1 500 kN和2 000 kN两种设计值。厂房开始开挖到目前23个月，仪器设备紧密配合洞室的开挖过程，及时埋设、监测并及时分析整理资料数据。

根据监测设计与土建施工进度，目前已在右岸地下厂房三大洞室布置了105套的多点位移计、82支锚杆应力计、55台锚索测力计、14支锚杆测力计和14支测缝计，其中多点位移计完成率已超过80%。监测仪器分别布置于各监测断面的顶拱、拱肩、拱座、岩锚梁、边墙，以及开挖揭露出来的地质缺陷区等部位。

为获取测点处完整的围岩位移信息，原设计8个重点监测断面的多点位移计(见图3)均为预埋式，但由于排水廊道开挖进度较慢，部分位移计在厂房开挖后才进行埋设，丢失了前期位移信息。目前开挖前预埋的多点位移计有：主厂房上游岩锚梁的8套(各机组及安装场断面)、主变洞下游拱座各机组断面的6套、以及调压室上下游边墙的6套。其余均为开挖后埋设。

图3　右岸地下厂房三大洞室多点位移计平面布置图Fig.3　Arrangement plan of multi-point displacementmeters in three large caverns of right-bankunderground powerhouse

(a) 2-2断面

(b) 7-7断面

5监测成果

截止2014年11月，三大洞室第Ⅰ—第Ⅲ层开挖监测仪器已安装完毕并取得监测数据。其中，廊道中超前预埋的多点位移计取得了完整的围岩变形值；顶拱的多点位移计在中导洞开挖完成后埋设，取得了中导洞扩挖及之后的下层开挖引起的围岩变形值；拱座非开挖前预埋的位移计在I层开挖后埋设，取得下层开挖引起的围岩变形值；地质缺陷区的位移计在开挖揭露后埋设，取得加强支护后及下层开挖引起的围岩变形值。典型监测断面(7#和12#机断面)围岩变形监测成果分别如图4所示。

5.1主厂房围岩变形分析

右岸主厂房围岩变形主要发生在中导洞扩挖和第III层开挖期间。主厂房围岩变形主要呈现以下特征：

(1) 顶拱围岩变形在开挖前期增长较快，随着下挖的进行，顶拱变形增长趋缓，至今测得的顶拱最大围岩变形量为12.73 mm，发生在12#机中心线顶拱。尽管前期受爆破开挖影响明显，但由于支护及时跟进，变形曲线呈一次跳跃后即趋于稳定。在厂房的开挖阶段这一类变形曲线占顶拱位移计总量的50%。12#机顶拱变形-时间曲线见图5。图5中7 m代表距孔口7 m深度处， 15 m代表距孔口15 m深度处，以下的图类似。

图5　12#机顶拱变形曲线(测点编号：M01Y12)Fig.5　Displacement curves of the roof at power unitNo.12(monitoring point M01Y12)

(2) 随着第III层的开挖，边墙及拱座变形速率有所增长，拱座最大变形速率为0.05 mm/d，出现在7#机上游拱座，边墙最大变形速率为0.12 mm/d，出现在11#机上游岩锚梁，孔口最大累计变形量为16.43 mm，出现在12#机上游岩锚梁高程部位。这些部位的围岩变形受空间效应的影响明显。图6是11#机上游边墙岩锚梁高程围岩变形过程曲线。

图6　11#机上游边墙岩锚梁高程部位的变形曲线(测点编号：M06Y11)Fig.6　Displacement curves of the upstream sidewallof power unit No.11 (monitoring point M06Y11)

(3) 在主厂房地质缺陷区，目前已埋设了14套多点位移计，孔口变形量为-0.08～11.34 mm。这些部位地质条件较差，围岩变形主要发生在第Ⅰ，第Ⅱ层开挖过程中。因多点位移计是在开挖完成后埋设，围岩前期变形无法捕捉到。从目前已掌握的监测资料来看，围岩变形随时间增长较为缓慢，但受第Ⅲ层开挖施工影响比较明显。

5.2主变洞、调压室围岩变形分析

目前右岸主变洞正进行第Ⅲ层开挖，开挖至833.20 m高程，在主变洞相应的6个机组和副安装场断面的上下游拱座共布置了13套多点位移计。

右岸尾水调压室目前正进行球冠穹顶部位开挖，已开挖至865.60 m高程。右岸尾水调压室主要由3大并列的筒式洞室及连通这3个洞室的上部闸门廊道组成，目前已分别在4#，5#，6#尾水调压室的穹顶和上、下游边墙埋设了22套多点位移计，其中有6套多点位移计为预埋式。

右岸主变洞和尾水调压室围岩变形主要呈现以下特征：

(1) 主变洞拱座围岩变形较小，各测点累积位移均在5 mm以内，围岩变形随时间呈缓慢增长的趋势。拱座围岩变形受下部开挖的影响，下部开挖时会出现突变，但突变幅度不大。拱座围岩变形典型过程曲线见图7，这类曲线占比为61%。

图7　主变洞拱座围岩变形曲线(测点编号：M02Y10)Fig.7　Displacement curves of the surrounding rock ofmain transformer room’s abutment(monitoring point M02Y10)

(2) 调压室上游边墙预埋的多点位移计测得的围岩变形较大，且受开挖影响明显，变形过程曲线呈台阶状，如图8所示；下游边墙由于还没有开挖至测点高程，此处实测围岩变形量较小。

图8　调压室上游边墙变形曲线(测点编号：M06Y07)Fig.8　Displacement curves of the upstream sidewallof surge chamber (monitoring point M06Y07)

(3) 尾水调压室穹顶围岩累积位移较小，基本在3 mm以内，下部开挖对穹顶围岩位移的影响较小。由于穹顶部位的多点位移计只能在开挖后埋设，因此穹顶在开挖初期的围岩变形量无法捕捉到。

5.3局部稳定控制

根据开挖揭露的地质条件和监测成果，对局部地质条件较差和围岩松弛变形较大的部位进行加强支护。

5.3.1右岸主厂房下游侧溶蚀裂隙影响区域

5.3.1.1稳定问题及处理加固措施

9号机组下游侧(桩号YC=1+205至1+225，高程840.0～850.0 m)存在溶蚀裂隙YKTl(见图9)。随后的地质编录成果和补充勘探资料以及监测成果均反映：在裂隙影响范围内，围岩变形受开挖影响较大，围岩卸荷时间较长，塑性区深度较大，局部围岩稳定问题突出。

图9　右岸主厂房YKT1裂隙影响区和弱溶蚀风化段Fig.9　Fracture (YKT1) affected zone and weakcorrosion weathered segment in the rightbank main powerhouse

为保证洞室施工及运行期的整体稳定性，对溶蚀裂隙YKT1影响区域进行了局部回填置换，并加强了支护，桩号1+222.0至1+240.0间增加3排预应力锚索；拱座以上溶蚀裂隙影响区域局部增加了张拉锚杆。在1+222桩号的848.6 m和842.3 m高程埋设了2套多点位移计和2支锚杆应力计。

图10　溶蚀裂隙钻孔录像(编号：M02YCLX)Fig.10　Video of the drillingof corrosion fissure(monitoring pointM02YCLX)

5.3.1.2监测成果

监测结果表明，848.6 m高程处围岩变形和锚杆应力等均无明显变化，而842.3 m高程(拱脚)处围岩变形和锚杆应力有较大变化，孔口最大位移值为3.22 mm，锚杆应力最大值为94.4 MPa。该部位的钻孔录像如图10所示，在距孔口3.6 m处发现厚度约5 cm的断层，内有泥钙质填充，判断应为溶蚀裂隙YKT1。

结合图11及其他监测结果可知，YKT1溶蚀裂隙围岩变形主要呈现以下3个特征：①围岩变形总体不大，孔口变形增长大致呈台阶状；②围岩变形主要发生在距临空面0～5 m范围岩体内，属浅表变形；③围岩变形受开挖影响明显，但由于支护及时(开挖第Ⅱ层前已完成加强支护)，累计位移保持在较低的水平，后期开挖对围岩变形影响有限，且趋于稳定，没有出现较大幅度的剧变。

图11　存在溶蚀裂隙的围岩变形曲线

5.3.2右岸主厂房上游边墙的弱溶蚀风化段影响区域

5.3.2.1稳定问题及处理加固措施

根据右岸主厂房第Ⅱ及第Ⅲ层开挖后揭露的地质条件，该处属于上游边墙(桩号YC=1+187至1+207，高程约840.0 m)薄层小夹角层面洞段，岩性为薄层夹互层灰岩，呈弱溶蚀风化状，岩层走向与洞轴向夹角≤20°(见图10)。因此，在2种不利地质条件共同影响下，岩性条件较差，围岩类别为Ⅲ和Ⅳ类，需加强支护并增加监测设施。在原有系统砂浆锚杆的基础上，先后2次增加了张拉锚杆，其规格为：张拉力T=50 kN，直径=32 mm，锚杆长度L=9 m，并且使锚杆间距缩小至0.75 m，加强了锚固效果；同时于2014年5月28日补充埋设了1套四点位移计。

图12　弱溶蚀风化段变形曲线(编号：M12YCLX)Fig.12　Displacement curves of weak corrosionweathered segment (monitoring point M12YCLX)

5.3.2.2监测成果

图12为弱溶蚀风化段变形曲线。监测结果显

示，主厂房第Ⅳ层拉槽完成后孔口累计位移达13.4 mm，存在突变点，其与周围岩体开挖爆破关系密切，累计位移绝大部分由开挖爆破引起，开挖间歇时位移增量小，岩体卸荷量值很小。围岩变形主要集中在浅表层，围岩内部变形量远小于开挖临空面，表明围岩松动圈深度较浅，加强支护方案效果明显。

6结论与建议

(1) 乌东德水电站右岸地下厂房洞室群跨度大、边墙高、地质条件复杂，容易产生围岩稳定问题。从目前开挖情况与监测成果来看，围岩总体变形较小，加强支护措施有效地控制了变形的发展，为下层开挖奠定了良好的基础。

(2) 目前变形较大部位主要为主厂房顶拱、主厂房上游边墙和调压室上游边墙，测点所在层及下层开挖是引起围岩变形和锚杆应力增长的主要因素。

(3) 围岩变形总体上呈现“空间效应强，时间效应弱”的特点。顶拱及拱座部位的围岩变形在第Ⅱ层以下开挖过程中的变化量较小，大部分区域的围岩变形在第Ⅰ层开挖产生突变后一直保持较为平稳的趋势，甚至呈现微量压缩。边墙的围岩变形在第Ⅱ层以下开挖过程中的变化量较大。

(4) 围岩变形与地质构造、岩性关系密切。局部岩石破碎、层间错动带、缓倾角岩层、节理裂隙发育等较差的地质条件也是局部岩体变形增长较快的重要因素，其中f42,f1断层以及YKT1溶蚀裂隙、弱溶蚀风化段等软弱构造对围岩稳定影响显著。

(5) 围岩变形主要发生在开挖面浅表层5 m范围内，少数地方因地质缺陷原因其影响范围达到10～15 m，说明岩石松动圈约为5 m。

(6) 随着三大洞室的下挖与下层新洞室(母线洞等)的开挖，高边墙与新旧洞室相互贯通将会产生新的空间效应，而不稳定的地质缺陷部位伴随着开挖而不断揭露。建议在后续开挖过程中及时支护，并结合实际地质条件和监测成果及时调整、优化支护参数；建议施工方加快排水廊道的施工进度，为监测仪器预埋设创造必要的条件；建议加强监测分析工作，为设计和施工提供及时的围岩稳定动态信息。

参考文献：

[1]李彦臣.锦屏一级水电站地下厂房安全监测技术[J].云南水力发电,2009,25(增): 117-121.

[2]李金河,伍文锋,李建川.溪洛渡水电站超大型地下厂房洞室群岩体工程控制与监测[J].岩石力学与工程学报,2013, 32(1): 8-14.

[3]黄书岭,丁秀丽.金沙江乌东德水电站左、右岸地下厂房洞室群围岩稳定性分析[R]. 武汉:长江科学院,2011.

[4]樊启祥,刘益勇,王毅.向家坝水电站大型地下厂房洞室群施工和监测[J].岩石力学与工程学报,2011, 30(4): 666-676.

(编辑：占学军)

Rock Stability of the Right Bank Underground Powerhouse ofWudongde Hydropower Station During Construction

MAI Jin-feng, LI Duan-you, HUANG Xiang, LIU Bao-le

(Engineering Safety and Disaster Prevention Department, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China)

Abstract:Safety monitoring is an important means to assess the stability safety of surrounding rock. The right bank underground powerhouse of Wudongde hydropower station is huge with three large caverns (main powerhouse, main transformer cavern, and surge chamber) parallel to each other. In order to ensure the safety stability of surrounding rock during construction, we monitored the surface and deep deformations of surrounding rock by using multi-point displacement meter, anchor stress gauge, anchor dynamometer, and joint meter. We also analyzed the displacement characteristics and deformation regularity of the three large caverns. Monitoring results show that the deformation caused by excavation is small, mainly concentrating in the shallow surface; maximum deformation of surrounding rock above the height of rock anchor beam in the three caverns is 16.43 mm. Large deformation appears at the top of the main power house, upstream side rock anchor beam and upstream side wall of tail-water chamber room. Moreover, the rapid development of deformation is greatly influenced by blasting disturbance, space effect caused by excavation, and weak geologic condition. Timely and strong support measures could limit the development of deformation.

Key words:Wudongde Hydropower Station; underground powerhouse; deformation of surrounding rock; safety monitoring;corrosion fissure

中图分类号：TU454

文献标志码：A

文章编号：1001-5485(2016)05-0042-06

doi:10.11988/ckyyb.201500752016,33(05):42-47

作者简介：麦锦锋(1988-)，男，广东中山人，硕士，主要从事岩土工程稳定性分析的研究工作，(电话)18825026898(电子信箱)mjf200812@163.com。

收稿日期：2015-01-20 ；修回日期：2015-02-02