地下電站巖錨梁裂縫成因分析研究

朱 浩，賀明武，張 釗

(中國三峽建設管理有限公司，四川 成都 610031)

巖錨梁是水電站地下廠房的一種特殊結構形式，它通過注漿錨桿將鋼筋混凝土梁固定在巖壁上，梁體承受的全部荷載通過錨桿和混凝土與巖臺的接觸面?zhèn)鬟f給圍巖。地下洞室采用這種承重結構，不僅可以縮小廠房跨度，經濟社會效益巨大，而且有利于圍巖穩(wěn)定，可以提前安裝橋機，加快廠房下部開挖，方便混凝土澆筑及發(fā)電機組安裝。然而，由于巖錨梁成型較早，且要承擔較大的吊車荷載，在后續(xù)的洞室爆破開挖形成的應力集中可能會導致巖錨梁附近圍巖產生大變形及開裂，進而使得附著其上的巖錨梁產生裂縫。

A水電站左岸主廠房巖錨梁于2014-11-19日澆筑完成。2015年1月至2016年10月份多次普查發(fā)現(xiàn)，巖錨梁共出現(xiàn)橫向裂縫45條，縱向裂縫32條。盡管巖錨梁出現(xiàn)裂縫非常正常，幾乎所有的地下電站如三峽、溪洛渡、向家壩、猴子巖、構皮灘等的巖錨梁都或多或少出現(xiàn)嚴重程度不一的裂縫。但像A水電站這樣，在主廠房整體變形不大的情況下，巖錨梁仍出現(xiàn)多條裂縫，實屬罕見。因此有必要對巖錨梁的裂縫產生原因進行分析研究，為同類工程提供借鑒參考。

1 工程概況

1.1 主廠房概況

A水電站左岸主廠房位于峽谷岸坡內，主廠房外側端墻距岸邊90～100 m，埋深160～540 m。主廠房長333 m，為圓拱直墻型，頂拱中心高程855.00 m，機窩底板高程765.20 m，高89.80 m。巖錨梁臺面高程839.70 m，巖錨梁以上跨度32.50 m，以下跨度30.50 m，高度居世界第一，跨度居世界第四。主廠房共分11層進行開挖(見圖1)。

圖1 主廠房分層分區(qū)開挖圖

1.2 巖錨梁地質概況

主廠房圍巖從山內往山外依次為落雪組第二段第三亞段(Pt2l2-3)、第三段第一亞段(Pt2l3-1)、少量第三段第二亞段(Pt2l3-2)地層。其中Pt2l2-3為互層夾中厚層大理巖化白云巖，位于主廠房山里側，約占主廠房的1/3；Pt2l3-1以中厚層夾厚層及少量互層灰?guī)r及大理巖為主，局部為厚層白云巖、B類角礫巖；Pt2l3-2以中厚、厚層白云巖為主。

主廠房巖錨梁高程839.7～836.0 m附近開挖揭露地層巖性為大部分Pt2l3-1中厚夾厚層及少量互層灰?guī)r、大理巖、局部B類角礫巖，少部分Pt2l2-3互層夾中厚層局部薄層大理巖化白云巖，少量Pt2l3-2中厚夾厚層白云巖及灰?guī)r。巖層走向與廠房軸線夾角以30°～40°為主，局部夾角小于30°(4號機上游、6號機與副安裝場下游)，山內側局部夾角40°～50°，見圖2。巖錨梁圍巖多為微新巖體，僅B類角礫巖為弱風化～微風化。巖溶不發(fā)育，未見溶洞，干燥。最大水平主應力為低～中等地應力水平。

圖2 主廠房巖錨梁837 m高程工程地質平切圖

1.3 巖錨梁設計方案

巖錨梁位于主廠房上下游邊墻，上下游長度均為333 m。巖錨梁為鋼筋混凝土牛腿結構，牛腿底部高程835.97 m，頂面高程839.60 m，高3.63 m，梁面寬2.20 m。梁體布置有兩排受拉錨桿和一排受壓錨桿，其中受拉錨桿為張拉力為200 kN的L=12 m,Φ32的精軋螺紋鋼，間距為60 cm，受壓錨桿為L=9 m，Φ32的普通鋼筋，間距為75 cm(見圖3)。

圖3 巖錨梁結構型式和支護錨桿示意圖

1.4 巖錨梁裂縫特性

2015年1月至2016年10月份多次普查發(fā)現(xiàn)，巖錨梁共出現(xiàn)橫向裂縫45條，裂縫最大長度265 cm，裂縫最大寬度0.3 mm；縱向裂縫32條(即32個部位與豎向基巖拉開)，裂開處最長212 cm，最寬22 mm。裂縫情況詳見圖4～圖7。

圖4 巖錨梁裂縫分布圖(左半段)

圖5 巖錨梁裂縫分布圖(右半段)

圖6 巖錨梁橫向裂縫影像圖 圖7 巖錨梁縱向裂縫影像圖

2 巖錨梁裂縫成因分析[1-4]

巖錨梁產生裂縫的原因是多方面的，從混凝土自身因素來看，有混凝土抗拉強度低和施工中溫度應力大等方面的影響；從外部因素來看，有基礎圍巖的不均勻變形、錨固系統(tǒng)約束、下層洞室圍巖的爆破開挖以及爆破飛石對已澆梁體的擊損等幾方面的影響。根據(jù)收集的資料，從以下幾方面對巖錨梁產生裂縫的原因進行系統(tǒng)分析研究，具體如下。

2.1 混凝土配合比

巖錨梁混凝土設計指標為C30F100，28 d極限拉伸值≥85×10-6。巖錨梁的配合比經過施工單位、監(jiān)理單位及第三方復核，均符合設計技術要求。施工過程中，監(jiān)理及第三方對巖錨梁混凝土性能進行了檢測，巖錨梁混凝土劈裂抗拉強度在2.53～3.38 MPa，平均值2.99 MPa。巖錨梁混凝土配合比的設計指標與同類工程相似，施工配合比合適，混凝土抗拉性能良好。

2.2 混凝土內部溫度

巖錨梁澆筑時段為2014-09-10日～2014-11-19日，主要采用吊罐、布料機及混凝土泵三種手段入倉，底部兩層(每層厚度約0.5 m)澆筑坍落度16～18 cm混凝土，其余均澆筑坍落度12～14 cm混凝土。巖錨梁混凝土每倉鋪設一組冷卻水管，在混凝土澆筑時即通12～14℃制冷水，通水時間一般為7～12 d。巖錨梁上下游梁體共埋設17支溫度計觀測混凝土內部溫度。

經統(tǒng)計分析，15個布置溫度計的混凝土澆筑倉，超溫的有13倉，其中超溫且有裂縫的5倉，占比不到40%；未超溫的有2倉，1倉有裂縫，1倉無裂縫。上游巖錨梁第5段超溫情況最嚴重，最高溫度達50.82℃，超設計允許最高溫度10.82℃，但僅出現(xiàn)1條非貫穿性裂縫，而上游巖錨梁第1、11、15段，僅超設計允許最高溫度6.4℃、3.65℃、0.31℃，卻出現(xiàn)4條貫穿性裂縫、5條非貫穿性裂縫。由此可見，巖錨梁內部溫度超溫及超溫嚴重程度與裂縫產生及其嚴重程度沒有必然聯(lián)系。

2.3 爆破震動

主廠房巖錨梁以下部位開挖時，對巖錨梁進行了8次爆破質點振速監(jiān)測，共30個測點。其中超標部位4個，超標測點數(shù)11個，超標部位及對應的裂縫情況見表1。

表1 爆破質點振速超標與裂縫情況統(tǒng)計表

通過統(tǒng)計爆破部位10 m范圍內的巖錨梁裂縫的情況，質點振速超標部位(如Yc1+051 m～Yc1+060 m、Yc1+085 m～Yc1+095 m)，出現(xiàn)橫向和縱向裂縫；質點振速未超標部位(如Yc1+127 m～Yc1+137 m、Yc1+200 m～Yc1+210 m、Yc1+290.0 m～Yc1+298.0 m)，也出現(xiàn)橫向和縱向裂縫，且數(shù)量較超標部位更多。因此，爆破質點振速是否超標與巖錨梁裂縫產生不存在必然聯(lián)系(見圖8)。

圖8 爆破質點振速超標情況與裂縫情況對比圖

2.4 圍巖變形

2.4.1 圍巖變形對橫向裂縫的影響

2016年6月，主廠房開挖完成。根據(jù)多點位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)，上游巖錨梁部位圍巖累計變形在0.65～29.65 mm，最小值出現(xiàn)在1號機巖錨梁(儀器編號M14Z01)，最大值出現(xiàn)在2號機巖錨梁(儀器編號M04Z02)。下游巖錨梁部位圍巖累計變形在6.58～30.77 mm，最小值出現(xiàn)在3號機巖錨梁(儀器編號M16Z03)，最大值出現(xiàn)在4號機巖錨梁(儀器編號M05Z04)。巖錨梁部位巖體差異變形顯著(見圖9～圖10)，巖錨梁產生多條橫向裂縫與其所在部位巖體的差異變形有關聯(lián)性。

圖9 上游巖錨梁多點位移計累計位移圖

圖10 下游巖錨梁多點位移計累計位移圖

2.4.2 圍巖變形對縱向裂縫的影響

統(tǒng)計分析巖錨梁測縫計與多點位移計、錨索測力計變化過程線可知，測縫計開合度發(fā)生較明顯變化時，多點位移計孔口位移、錨索測力計錨固力也發(fā)生明顯變化，如，2015-01-01日至1月8日，4號機上游巖錨梁圍巖變形7.10 mm，開合度分別增加0.27 mm和0.22 mm；2015-08-27日至9月3日，4號機下游巖錨梁圍巖變形4.64 mm，開合度分別增加0.20 mm和0.67 mm；2015-05-13日至5月22日，5號機下游巖錨梁圍巖變形2.95 mm，開合度增加0.48 mm。可見，巖錨梁縱向裂縫與圍巖變形有明顯關聯(lián)性(見圖11～圖15)。

圖11 左岸4號機上游巖錨梁測縫計與多點位移計(M04Z04)變化過程線對照圖

圖12 左岸4號機上游巖錨梁測縫計與錨索測力計變化過程線對照圖

圖13 左岸4號機下游巖錨梁測縫計與多點位移計(M05Z04)變化過程線對照圖

圖14 左岸5號機下游巖錨梁測縫計與多點位移計(M13Z05)變化過程線對照圖

圖15 左岸5號機下游巖錨梁測縫計與錨索測力計變化過程線對照圖

2.5 結構分縫

1)強約束區(qū)。上游巖錨梁兩端頭及下游巖錨梁靠江側端頭，均處于強約束區(qū)。上游巖錨梁兩端頭均未發(fā)現(xiàn)地質缺陷，下游巖錨梁靠江側端頭附近Yc1+302 m～325 m，高程843～765 m范圍為小夾角(≤20°)區(qū)域。上游巖錨梁靠江側端頭25 m范圍內分別在樁號Yc1+326.00 m及Yc1+314.50 m處設置了2道伸縮縫，靠江側端頭25 m范圍內未發(fā)現(xiàn)裂縫；而靠山側端頭僅在樁號Yc1+025.00 m處設置了伸縮縫，其8 m范圍內出現(xiàn)了3條裂縫，其中1條為貫穿性裂縫。下游巖錨梁靠江側端頭25 m范圍內僅在樁號Yc1+326.00 m設置了伸縮縫，因其處于小夾角部位，且下部電纜廊道距巖錨梁僅8 m，出現(xiàn)了2條非貫穿性裂縫。因此在強約束區(qū)，伸縮縫設置與巖錨梁裂縫有關聯(lián)性。

2)巖層性狀變化區(qū)。Pt2l2-3中厚層夾互層大理巖化白云巖與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在上游巖錨梁的分界線位于樁號Yc1+140.00 m附近，該部位未設置伸縮縫，其附近產生了1條貫穿性橫向裂縫；Pt2l2-3中厚層夾互層大理巖化白云巖與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在下游巖錨梁的分界線位于樁號Yc1+103.00 m附近，該部位也未設置伸縮縫，其附近產生了6條橫向裂縫，其中4條為貫穿性裂縫。Pt2l3-2中厚～厚層白云巖、灰?guī)r與Pt2l3-1中厚層灰?guī)r，在下游巖錨梁的分界線位于樁號Yc1+268.70 m附近，距離最近的伸縮縫樁號為Yc1+264.50 m，該處未出現(xiàn)橫向裂縫。因此在巖層性狀變化區(qū)，伸縮縫設置與巖錨梁裂縫有關聯(lián)性。

3)B類角礫巖區(qū)。B類角礫巖位于上游巖錨梁Yc1+285 m～294 m、下游巖錨梁Yc1+235 m～268 m，上游巖錨梁對應部位設置了2條伸縮縫，下游巖錨梁對應部位設置了3條伸縮縫，上述部位均未出現(xiàn)橫向裂縫。因此在B類角礫巖區(qū)，伸縮縫設置與巖錨梁裂縫有關聯(lián)性。

4)小夾角區(qū)。小夾角區(qū)上游巖錨梁對應部位設置了2條伸縮縫，分別在Yc1+196 m、Yc1+226 m，但zf48塊體范圍Yc1+213 m～218 m未設置伸縮縫，其附近出現(xiàn)3條非貫穿性裂縫。小夾角區(qū)下游巖錨梁對應部位設置了2條伸縮縫，分別在Yc1+285 m、Yc1+326 m，但因上述2條伸縮縫距離太遠(達41 m)，加上該部位下部距離不到8 m處存在電纜廊道，出現(xiàn)了3條非貫穿性裂縫，樁號分別為Yc1+304 m、Yc1+311 m、Yc1+320 m。因此，小夾角區(qū)，伸縮縫設置與巖錨梁裂縫有關聯(lián)性。

3 結 語

地下電站巖錨梁裂縫產生原因復雜多樣，A水電站左岸主廠房巖錨梁裂縫的產生與圍巖差異變形、伸縮縫設置有關聯(lián)性。因此，為防止地下電站巖錨梁出現(xiàn)裂縫，一方面需防止圍巖出現(xiàn)大變形和不均勻變形；另一方面需根據(jù)巖錨梁部位的地質條件及下部的洞室布置情況合理設置伸縮縫。