水利科技 水电站地下厂房顶拱衬砌开裂成因分析及应对措施 韩金明 （中水顾问云南国际投资有限公司，云南 昆明 650051） 摘要：地下厂房洞室群往往跨度、高度均较大，在开挖过程中由于围岩卸荷带来高边墙效应造成开挖稳定问题突出，杨家湾水电站地下厂房开挖过程中顶拱衬砌砼出现严重变形开裂。本文主要从地质条件复核、设计方案及支护参数复核、施工方案及施工质量调查分析、监测资料分析、现场检测试验等途径辅以三维有限元数值模拟分析杨家湾水电站地下厂房洞室群施工开挖稳定性及裂缝成因，并研究制定加固处理措施，其分析思路和方法可供类似工程参考。 关键词：地下厂房；衬砌；变形开裂；成因分析；措施 1 工程概述 1.1 工程概况 杨家湾电站为小金川支流抚边河水电梯级规划中第四级电站，电站为闸坝引水式开发。水库正常蓄水位2574m，总库容96.1万m3，调节库容20.9万m3，具有日调节性能。通过左岸引水隧洞引水至耿大地沟下游约800m处建地下厂房发电。电站额定引用流量53.4m3/s。电站装机容量60MW，保证出力5.5MW，年发电量25752万kW.h，年利用小时数4292h。 主厂房从左至右呈“一”字形排列，分别布置安装间、主机间及副厂房，总长60.44m。其中主机间长36.02m、安装间长11.7m、副厂房长12.72m。 1.2 现场出现的情况 主厂房开挖至约2420m高程，开始1#、3#母线廊道开挖，当1#母线廊道完成开挖进尺27m，2#母线廊道也完成开挖进尺18m，且2#、3#母线廊道间导洞开挖爆破后，发现3#母线廊道对应的主厂房顶拱混凝土表层掉块；后续观察发现从安装间至主机间靠下游侧（母线廊道侧）顶拱混凝土在不同部位出现数条较长的表层掉块连线，另在安装间端墙与下游侧出现L形裂缝；在主机间下游侧边墙（1#-2#母线廊道上方）直墙段围岩出现4处竖向裂缝，其中2道裂缝延伸至拱弧段1/3处并贯穿直墙段，母线廊道内喷层混凝土也发现裂缝。 安装间L型裂缝 母线廊道变形开裂情况 1.3 本文分析研究目的及重点 本文主要从地质条件复核、设计方案及支护参数复核、施工方案及施工质量调查分析、监测资料分析、现场检测试验等途径辅以三维有限元数值模拟分析杨家湾水电站地下厂房洞室群施工开挖稳定性及裂缝成因，并研究制定加固处理措施，保证工程施工期和永久运行安全。 2 地下厂房顶拱衬砌开裂有关情况分析 2.1 实际地质条件复核分析 施工开挖揭示，地下厂房围岩类别与前期勘查成果基本一致，主厂房上、下游边墙（厂房长轴）为Ⅲ类围岩，地下厂房两端墙部位属Ⅳ类围岩，母线廊道为Ⅳ类围岩。厂房区次级褶皱构造发育，在60m长的范围内发育2条背斜、3条向斜，廊道岩体挤压变形较强烈，地层单层厚度较小，且关键部位（孔洞效应集中）母线廊道区域地质构造最为复杂，洞轴线与岩层走向夹角较小，对母线廊道边墙、顶拱及母线廊道间的岩柱的稳定极为不利的。 2.2 设计方案及支护参数复核分析 按照普氏法计算顶拱塌落拱最大高度为3.76m，顶拱一次支护锚杆长度（最短5m，最长9m）穿过了塌落拱最大处的岩石，一次支 护能抑制围岩松动圈扩大，满足顶拱围岩稳定的要求；顶拱二次支护采用80cm钢筋砼衬砌，按结构力学计算衬砌厚度及配筋能满足计算和构造要求。 在设计支护方案条件下，用三维有限元数值模拟进行复核计算，其结果表明：地下洞室围岩未出现具有临空面条件的贯穿性破坏区，计算所得的塑性破坏区发育深度也均位于设计支护的锚杆加固范围内，说明施工期围岩稳定性可以得到有效的保障。 2.3 施工方案及施工质量分析 顶拱衬砌开裂后对厂房及母线廊道已开挖部位进行了全面调查和现场检验，结果显示制定的施工方案基本合理，但方案实施及施工质量存在问题，主要问题如下。 （1）开挖与支护施工程序未严格按批复的施工方案和设计图纸要求执行，主要表现在支护进度滞后开挖进度，其中母线廊道尤其严重。 （2）已开挖支护完成部位支护参数未严格按图纸和相关规范执行，主要体现在钢支撑支护不规范、锚杆数量不足和部分质量不合格。 （3）母线廊道开挖爆破震动控制未严格执行施工方案与设计要求，主要体现在单循环进尺过大，单响药量高于方案批复限值，岩柱体超挖严重。 （4）施工期安全监测未按要求执行，已有的监测数据未及时收集整理并按要求分析上报，未起到警示作用。 针对实际支护情况进行了三维有限元模拟计算分析，计算结果表明：当1号和3号母线廊道开挖基本结束时，受1#、3#母线廊道开挖进尺的影响，1#、3#母线廊道周边所连接的主厂房和GIS/尾闸室的塑性区已临近贯通，在母线廊道顶拱和边墙引起一定范围的张裂破坏区及塑性破坏区，但两条母线廊道之间的塑性区并未贯通。当2#母线廊道开挖完成18m，且完成2#、3#母线廊道间导洞的开挖时，导洞周边岩柱围岩已全部进入破坏，2#、3#母线廊道间岩柱完全失去弹性承载能力，洞室围岩应力处于相对不稳定状态，围岩稳定性存在问题。因此，当母线廊道周边锚杆支护缺失，则母线廊道之间岩柱塑性区发育范围将较设计支护方案显著加深，导致母线廊道间围岩塑性区几乎完全贯通，特别是2#、3#母线廊道间岩柱完全失去弹性承载能力，将显著降低母线廊道部位围岩承载能力，而主厂房下游侧中上部边墙（即母线廊道上部）围岩将承担更大的应力荷载，从而导则主厂房下游边墙围岩破坏区深度有所加深，削弱主厂房围岩整体稳定性。 2.4 现场监测实施情况及监测数据分析 通过对已收集监测资料的分析，安装间上游墙多点位移计M1在母线廊道开挖前基本在1mm左右，变形开裂发生后最大值超过12mm；安装间下游墙M2在母线廊道开挖前时仅有4.66mm，变形开裂后直接变为37.56mm后不再波动，已经破坏。围岩变形的主要变形深度在6m深度范围内，其中，M1点变形深度主要在2-6m内，M2点主要变形深度在2m以内，2-6m为主要变形深度。 整理钢筋计监测资料发现，主厂房内布置的钢筋计R3在母线廊道开挖后明显增加，拉力值超过120KN，换算为钢筋应力已经大于245MPa；R4在母线廊道开挖前后也急剧变化从受拉转化为受压。 从监测数据分析看，在2号母线廊道开挖及2号与3号间岩柱导洞未贯通前，各仪器测值平稳正常；当岩柱间导洞贯通后，各测《华东科技》 2020·6 351Hydraulic Technology 值明显发生突变，测值与变形开裂逻辑上存在对应关系，但因数据不完整，无法进行全面有效分析。从测值与时间发展关系看，数据达到发生时的最大值，时间持续在一周左右，但在此期间未得到监测专业人员的警示，失去了处理的良机。 2.5 现场检测及试验分析 采用地质雷达对顶拱砼衬砌厚度进行了检测。探测结果显示顶拱衬砌厚度基本在0.8-1.1m（设计厚度0.8m），安装间顶拱裂缝周边离衬砌表面1-1.5m范围局部有脱空，分析主要由于顶拱回填灌浆未及时实施引起，整体满足设计要求。采用超声回弹仪对砼强度进行无损检测，发现主厂房顶拱开裂区域附近砼强度总体基本满足设计要求，进一步开展砼取芯检测，结果显示砼强度基本满足要求。 对裂缝发展情况进行并缝开孔检查。共选取三处典型位置开孔，开孔检查发现砼裂缝未完全贯穿，裂缝发展最大深度在20cm左右，砼内部密实，衬厚满足要求，其中主机间顶拱处发现有明显施工冷缝和杂质；出露钢筋仅内层钢筋存在明显弯曲变形，但未折断，外层钢筋完好，孔底出露基岩完整，表面喷砼完整。 3 地下厂房顶拱衬砌变形开裂原因分析 综合上述有关情况分析，安装间穹顶混凝土裂缝主要是因端墙的岩层间存在部分层间裂缝和节理发育，层间指标较低形成层面滑移带动顶拱混凝土变形而拉裂。主厂房顶拱变形开裂的原因是母线廊道开挖后相邻间岩柱失稳破坏，从而牵引上部岩体向下临空失稳变形，导致顶拱砼表面挤压变形局部开裂。引起主厂房顶拱衬砌变形开裂的原因主要有以下几方面。 （1）复杂地质条件影响。根据开挖揭示，厂房范围内集中了三个向斜和两个背斜地质构造，其中两个向斜构造核部集中在下游墙体母线廊道区域，岩层走向与母线廊道洞轴线呈小角度相交，岩体破碎，地质条件复杂，整体对厂房结构不利。 （2）厂区建筑物布置及结构设计的局限性。电站地质条件处在规模要求设置地下厂房的临界条件。由于装机规模小，主设备选择为三台机组两台主变，因此厂区各建筑物结构尺寸虽小但相邻间距也小，尤其是主厂房与GIS室间的岩体被三条母线廊道及三条尾水洞在空间上切割，各洞室相互之间岩体的厚度均临近或已突破规范要求的临界值，结构设计难度大，要求高，相应的施工方案与施工难度也大为提高。 （3）施工方案执行和施工质量控制不严。承包人施工方案的实施执行不严，尤其是锚杆支护严重滞后于开挖；关键项目施工质量（上接第 343 页） 嗡”的异常声音。如果变压器的内部出现接触松动或绝缘部位损坏时，可能会发出清脆的“噼啪”声或者“吱吱”的声音。同时,变压器故障发出的声音会根据距离远近而有所区别，若变压器的谐振出现过大电压、单相接地时，其会发出比较刺耳的声音；若变压器内部一些部件出现接触不良时，其会发出呜呜的不均匀声音。若变压器内部零件受潮时，绝缘设备耐压能力大大降低，甚至会击穿而放电。 4 结语 综上所述，在小水电站实际工作过程中，电气故障管理工作非（上接第 344 页） 4.3 完善设备管理机制 完善可靠的设备管理机制与问责体系是应对水电站集控运行安全风险的重要制度基础。管理须制定出一套完整和切合实际的管理机制，对设备的监管维护等多方面进行落实，保证所有设备严格执行“三制”。严格执行考核制度，保障每一位员工都能够切实按照工作流程执行。防止出现设备长期的“三制”执行不力，导致设备隐患风险增加。 5 结语 水电站集控运行是当下最主流的水电管理模式，具有较高的先控制不到位，尤其是钢支撑与锚杆数量、角度和密实度控制不严，导致母线廊道开挖后中间岩柱没及时、足量地进行锚喷支护，致使母线廊道间围岩塑性区几乎完全贯通，应力、应变处于相对不稳定状态，母线廊道间岩柱完全失去弹性承载能力，显著降低围岩整体承载能力导致变形失稳。 4 地下厂房顶拱衬砌变形开裂应对措施 基于以上上述分析，为保证工程施工和永久运行安全，制定如下应对措施。 （1）增强母线廊道支护及衬砌强度。对母线廊道采取加强钢支撑的支护措施以增强对岩柱的约束作用，再结合钢支撑施作二次衬砌；尽快采用对穿锚杆对母线廊道岩柱进行支护，并可配合灌浆措施，维持或增强岩柱现有结构刚度与强度。 （2）适当补充加强主厂房及GIS/尾闸室支护强度。主厂房顶拱部位进行灌浆后补充设置预应力锚索；在主厂房与GIS/尾闸室之间布设对穿锚索，锚索尽量与岩层层面方向斜交。 （3）注意后期尾水洞开挖支护。在开挖有压尾水洞前先对母线廊道和尾水洞之间铅直向岩柱进行固结灌浆和系统锚杆等预加固，对GIS/尾闸室下游侧边墙下部开展预应力锚索加固。 （4）加强地下厂房洞室群后续开挖过程中围岩变形及其支护结构的应力监测，根据现场监测和检测数据，及时了解围岩及支护结构的工作性态，评价其稳定性，确保工程的安全。 5 结语 本文主要从多途径、多角度对杨家湾地下厂房顶拱衬砌变形开裂成因进行了分析，并研究制定加固处理措施，其分析思路和方法亦可用于类似工程问题的分析，另外本工程厂房顶拱变形开裂暴露出的有关技术、管理问题也值得行业类似工程借鉴和反思。 参考文献： [1]肖睿胤.锦屏一级水电站动态施工过程中地下厂房洞室群围岩变形破坏分析与评价[D].重庆大学,2016. [2]程丽娟,谭可奇,张志军.长河坝水电站地下厂房围岩复合型变形破坏特征分析[J].四川水力发电,2016(01):29-31+140. [3]彭巨为.基于监测成果的某水电站母线洞环向裂缝成因分析[J].低碳世界,2014(17):133-134. 作者简介： 韩金明(1986.10-)，硕士研究生，一级建造师，注册岩土工程师，从事电力工程项目管理工作。 常复杂，这主要是故障问题产生的周期存在不去定性，同时存在的故障类型是很多的。故而，在实践过程中，想要切实的将故障问题攻克，就需要掌握先进的故障诊断技术以及排查技术，以保证在设备运转过程中，能够及时的将问题解决，以提升设备的正常运转。 参考文献： [1]陈存基.浅析水电站电气设备故障诊断与处理[J].建筑遗产,2013 (15). [2]刘彬,周莹.水电站电气故障分析与解决措施浅谈[J].城市建设理论研究(电子版),2016(2). 进性和可靠性。可以对管辖范围内的所有水电站以及各项资源进行统一的调度和管理，加强了对各个水电站的监控和管理。为了进一步推进水电站集控运行的发展，必须要对常见的安全风险进行及时的处理。最大程度上保障水电站的产能和工作效率，真正成为利国利民的支柱型工程项目，把握好当下的发展机遇，做到发展当下，决胜未来。 参考文献： [1]陈敏.水电站集控运行安全风险分析及应对措施解析[J].华东科技, 2018. [2]王国强.水电站集控运行安全分析分析及应对措施[J].名称绘,2019. 2020·6 《华东科技》 352