丰宁抽水蓄能电站二期地下厂房施工期围岩变形规律分析_王兰普.pdf

106水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023近年来，抽水蓄能电站伴随我国能源结构的产业升级得以迅速发展，地下厂房是目前大多数抽水蓄能电站所采用的结构布置形式，但由于抽水蓄能电站大都建于高山峡谷之中，其地形地质情况复杂多样，洞室群体普遍位于高地应力区，因此在厂房开挖过程中，由于受到开挖方式以及工程地质状况等多种因素的影响1，2，常常伴随围岩变形等一系列问题，因此，对于抽水蓄能电站地下厂房的围岩变形以及稳定性研究成为目前抽水蓄能电站建设中的一项重要课题3-5。目前，众多学者对抽水蓄能电站地下厂房的围岩变形及稳定性分析做了大量工作。李帅军、冯夏庭、徐鼎平等6结合地质资料、施工情况等对白鹤滩水电站主厂房第层开挖期围岩进行了研究并得出其围岩变形规律，保障了厂房施工期安全以及下阶段开挖围岩的稳定性；任少龙、郑林娜7以拉哇水电站地下厂房为研究对象，研究了其在开挖过程中围岩位移、应力及塑性区的变形规律，分析了其围岩稳定性能，为类似工程的开挖及支护提供了科学依据；何少云、胡紫航、卫洋波8等以文登抽水蓄能电站地下厂房为研究对象，得出岩体质量和地应力场是使得围岩中局部产生较大的变形的主要原因；闫兴田、段伟锋、杨日昌9以杨房沟水电站地下厂房为例，得出地下厂房下游边墙边坡破坏主要有应力型破坏、结构面型破坏、结构面应力组合型破坏三种破坏模式；张頔、李邵军、徐鼎平等10结合双江口水电站主厂房初期开挖监测资料以及相关地质资料，提出了地下厂房洞室稳定性评价方法，并基于此方法对围岩变形特征进行了深入研究；李鹏飞、吴述彧、周红喜等11以澜沧江某地下洞室为研究对象，并结合数值计算分析了围岩应力调整特征及变形，认为高边墙的潜在变形是施工期应当重点关注的工程问题；孟国涛、何世海、陈建林12等以白鹤滩水电站右岸地下厂房开挖过程相关监测资料为依据，分析了顶拱围岩变形模式的特殊性，并提出了“深层变形”现象的概念；刘健、朱赵辉、吴浩13等以白鹤滩水电站左岸地下厂房为例，总结出在地下厂房逐层下挖过程中，高边墙围岩应力状态可分为应变能积聚、释放、应力调整及趋稳 4 个演变阶段。以上众多学者针对抽水蓄能电站地下厂房围岩变形问题进行了广泛研究，丰宁抽水蓄能电站地下洞室群体多处于岩丰宁抽水蓄能电站二期地下厂房 施工期围岩变形规律分析王兰普1，吕凤英1，王波2，黄子康2（1河北丰宁抽水蓄能有限公司，河北省丰宁县068350；2华北科技学院应急技术与管理学院，河北省三河市101601）摘要：丰宁抽水蓄能电站地下厂房具有规模大、结构复杂等特点，围岩稳定性控制难度大，做好围岩变形监测，则是保障地下厂房开挖过程中围岩稳定的重要措施。本文基于二期地下厂房开挖过程中的围岩变形监测数据，对围岩变形规律进行分析，得出以下结论：顶拱洞室围岩变形主要变现为一期施工所引起的时效变形，但由于及时采取支护措施，并未对二期施工产生较大影响；洞壁围岩相对于洞壁内部围岩变形较为明显，施工过程中应着重加强对洞壁围岩的监测与支护；地下厂房出现围岩变形的原因是内部岩体性质、蚀变带发育、岩体结构面应力重分布、施工因素等多因素共同作用的结果，为确保地下厂房的正常运行，对变形较大区域进行长期监测并对及时采取支护措施尤为重要。以上结论为后期丰宁抽水蓄能电站地下厂房围岩支护提供了理论依据，同时也为类似大型抽水蓄能电站的施工及加固设计提供了借鉴。关键词：地下洞室；变形监测；围岩变形；洞室支护中图分类号：TV52文献标识码：A学科代码：570.35DOI：10.3969/j.issn.2096-093X.2023.02.018基金项目：国家自然科学基金（51404105）；河北省自然科学基金（E2019508088）；国网新源控股有限公司科技项目（SGXY-2020F09-2-37）。107王兰普等：丰宁抽水蓄能电站二期地下厂房施工期围岩变形规律分析性复杂地段，地下厂房围岩变形问题尤为突出，本文以丰宁抽水蓄能电站地下厂房二期监测数据为主要依据，并结合施工地质条件以及施工布置等资料对二期厂房围岩变形进行了系统分析，得出了丰宁抽水蓄能电站二期地下厂房围岩变形规律，为后期地下厂房的系统支护以及加强支护提供了理论依据，同时也为类似大型抽水蓄能电站地下厂房的施工以及加固设计提供了工程借鉴。1工程概况1.1电站简介河北丰宁抽水蓄能电站由上水库、输水系统、地下厂房、地面开关站及下水库等建筑物组成。规模为一等大型工程，主要永久建筑物按 1 级建筑物设计，次要永久建筑物按 3 级建筑物设计。地下厂房位于下水库左岸山体内，布置在水道线路中部，两期工程地下厂房总开挖尺寸为 414m25m55m（长 宽 高），其地下厂房侧视图如图 1 所示。图 1地下厂房洞室群侧视图Figure 1Side view of underground powerhouse cavern group1.2工程地质条件根据厂房区 2250m 长的探洞及地表地质测绘资料，J304、f350、f347、f363、f367 和 f376 等几条相对规模较大断层构成了厂房区总体大的构造框架，其为级结构面，地下厂房选择在北以断层 f350 为界，西以断层 f347、J304 为界，南以断层 f376 为界，东以断层 f363 为界所包围的地块中，次范围内所发育的断层规模一般较小，除断层 f375 外，其他断层带宽度一般为数厘米至几十厘米，厂房主应力大致出呈水平方向，为 NE68 NE83，大小在 12 18MPa 范围内，初始最大应力方向与厂房主轴线大致呈 96 夹角。地下厂房布置区内主要为呈块状结构的花岗岩，岩体强度大致为 60MPa。根据水力发电工程地质勘察规范附录J 分类标准，并应用巴顿 Q 分类方案进行对比研究，经过分析，地下厂房围岩顶拱得分为 62，边墙略低为 57，均属于类偏好；巴顿 Q 标准计算得分为 7.9，岩体质量属于一般；这两种分类方法结果比较接近。综合认为，厂房围岩属类偏好，即以 a 为主，局部为 b 或 c。截至主厂房开挖底板下卧至第层底板（高程 975m），主厂房类围岩区面积为 4612m2，占比为 13.94%；主变压器洞类围岩面积为4728m2，占比为 19.08%。综上，地下厂房围岩类型主要为类围岩和类围岩，其占比超过 90%，下文分析主要以此两类围岩进行分析。除此之外，厂房上游侧边墙厂左 0+0m、0+118 0+122m；下游侧边墙厂右 0+10 0+5m，厂左 0+51 0+56m 等部位有岩体蚀变现象，存在呈带状分布的蚀变带，在这一区间岩石的蚀变程度不一，岩体存在较大差异。2地下洞室监测断面布置根据地下洞室地质条件与地质特征分析，二期地下洞室一共设置了 7 断面监测如图 2 所示（桩号：副厂房 0+368，7号机组中心线厂左 0+222，8 号机组中心线厂左 0+246，9 号机组中心线厂左 0+270，10 号机组中心线厂左 0+294，11 号机组中心线厂左 0+318，12 号机组中心线厂左 0+342），部分多点位移监测图如图 3 图 5 所示，锚杆应力计典型监测断面布置如图 6 所示。eeVVffVIVIggVIIVIIh h7号8号9号1 0号11号12号厂左0+222厂左0+246厂左0+270厂左0+294厂左0+318厂左0+342厂左0+368副厂二期工程主机间2号主变压器端副厂房2号副厂房2号主厂房排风平洞2号交通电缆洞2号应急避难洞中层排水廊道4号污水处理廊道4号安全通道3号安全通道8号高压支管9号高压支管10号高压支管11号高压支管12号高压支管12号机组中心线11号机组中心线10号机组中心线9号机组中心线8号机组中心线7号机组中心线12号主变压器室11号主变压器室10号主变压器室9号主变压器室7号主变压器室7号母线洞8号母线洞9号母线洞10号母线洞11号母线洞12号母线洞8号主变压器室400030004000300040003000250060009500119009500119008500950085009500850095008500950050005500080008000800020003000200030007号高压支管135002400024000240002400024000160002000080808080808080808080e2e1f2f1g2g1h2h1123123123厂左0+358.000厂左0+342.000厂左0+318.000厂左0+294.000厂左0+378.000厂左0+270.000厂左0+246.000厂左0+222.000图 2断面监测布置图Figure 2Section monitoring layout108水电与抽水蓄能Hydropower and Pumped Storage第 9 卷 第 2 期（总第 48 期）2023 年 4 月 20 日Vol.9 No.2(Ser.48)Apr.,20,2023(28m)(28m)(28m)(18m)(18m)(16.5m)Me-3-14Me-1-14Me-2-14Me-4-14Me-5-14Mce-1(*)厂房尾水管洞母线洞上层排水廊道上层排水廊道顶拱高程999.001008.500400400400300 图 3 （厂左 0+222）多点位移计监测布置图Figure 3 （factory left 0+222）multi-point displacement meter monitoring layout(28m)(28m)(28m)(18m)(20m)(20m)(16.5m)(20m)M5-3-14M5-1-14M5-2-14M5-4-14M5-6-14M5-8-14Me-5-14Me-7-14厂房尾水管洞母线洞上层排水廊道上层排水廊道 顶拱高程999.00989.00979.001008.500400400400300 图 4 （厂左 0+246）多点位移计监测布置图Figure 4 （factory left 0+246）multi-point displacement meter monitoring layout(28m)(28m)(28m)(18m)(16m)(16m)Mf-3-14Mf-1-14Mf-2-14Mf-4-14Mf-5-14Mf-5(*)厂房尾水管洞母线洞上层排水廊道上层排水廊道顶拱高程999.001008.500400400 图 5 （厂左 0+270）多点位移计监测布置图Figure 5 （factory left 0+270）multi-point displacement meter monitoring layout 700150150150150200200700200200700200200Rmn-8-13Rmn-1-13Rmn-3-13700700150150150150200200200200700200200Rmn-9-13Rmn-10-13Rmn-7-13Rmn-6-13Rmn-5-13Rmn-4-13Rmn-2-13970.00990.00970.00961.00954.00150150700200200150150700200200150150700200200150150700200200150998.00998.001008.50990.00981.00主厂房洞室中心线顶拱高程图 6锚杆应力计典型监测断面布置Figure 6Arrangement of typical monitoring section of bolt stress meter（1）二期厂房 7 个监测断面一共安放了 112 套多点位移计，且每个多点位移计能够监测 4 点位移变化。为了准确了解地下厂房围岩在开挖过程应力应变变化全过程，以及确定边墙与拱顶围岩松动范围，对边墙与顶拱安放的多点位移计都钻孔形式超前预埋安装，其顶拱范围都