非接觸式收斂監(jiān)測技術(shù)在白鶴灘電站泄洪洞開挖中的應(yīng)用

羅雪鋒，周 蕊

(水電五局五分局白鶴灘水電站泄洪洞項目經(jīng)理部，四川 寧南，615421)

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非接觸式收斂監(jiān)測技術(shù)在白鶴灘電站泄洪洞開挖中的應(yīng)用

羅雪鋒，周 蕊

(水電五局五分局白鶴灘水電站泄洪洞項目經(jīng)理部，四川 寧南，615421)

白鶴灘水電站泄洪洞地質(zhì)條件復(fù)雜，開挖跨度大，安全隱患高，監(jiān)控量測極其重要。本文以白鶴灘水電站3#泄洪洞開挖為例，簡要介紹了非接觸式洞室收斂監(jiān)測方法的應(yīng)用情況及操作要點(diǎn)，即利用全站儀的ATR功能，遠(yuǎn)距離測定點(diǎn)位的三維坐標(biāo)，通過數(shù)據(jù)分析獲取變形量。

白鶴灘水電站 泄洪洞開挖 非接觸式監(jiān)測技術(shù)

1 工程概況

白鶴灘水電站位于金沙江下游四川省寧南縣和云南省巧家縣境內(nèi)，開發(fā)任務(wù)為以發(fā)電為主，水庫正常蓄水位825.00m，總庫容206.27億m3，電站總裝機(jī)容量16000MW。攔河壩為混凝土雙曲拱壩，最大壩高289m，壩頂高程834.0m。

左岸3條泄洪洞均采用龍落尾型式的無壓泄洪直洞。其中，3#泄洪洞上平段典型開挖斷面為17.4m×20.4m(寬×高)，“龍落尾”段開挖斷面為(17.4～19.5)m×20.4m(寬×高)，城門洞型。

泄洪洞沿線為單斜地層，玄武巖巖流層產(chǎn)狀總體為N40°～50°E，SE∠15°～25°。洞身自下游向上游依次穿過P2β12、P2β13、P2β14、P2β2、P2β3、P2β41和部分P2β42巖流層，巖性為杏仁狀玄武巖、隱晶質(zhì)玄武巖夾角礫熔巖、凝灰?guī)r、玄武質(zhì)碎屑砂巖、含灰?guī)r角礫玄武巖等。其中，P2β3層頂部的P2β36為厚0.01m～1.3m的凝灰?guī)r，P2β34頂部為厚0.1m～0.7m的凝灰?guī)r，P2β2層頂部的P2β24為厚0.3m～1.75m的凝灰?guī)r。凝灰?guī)r巖質(zhì)軟弱，遇水易軟化。3#泄洪洞圍巖類別主要以Ⅱ類、Ⅲ1類為主，Ⅳ類次之，具體圍巖類別情況見表1。

表1 3#泄洪洞圍巖類別統(tǒng)計

白鶴灘泄洪洞屬于大型洞室，開挖安全隱患高，必須采取相應(yīng)的監(jiān)控量測措施將安全隱患消除在萌芽期。為此，白鶴灘水電站泄洪洞開挖采用非接觸式監(jiān)控量測法進(jìn)行監(jiān)測。

2 非接觸式監(jiān)測法工作原理

非接觸式測量是指在不接觸被測物體的前提下進(jìn)行精準(zhǔn)測量。非接觸式收斂監(jiān)測技術(shù)是利用全站儀的ATR功能，在全站儀望遠(yuǎn)鏡里安裝了一個CCD(Charge Coupled Device)陣列用作圖像處理，工作時發(fā)射一束紅外激光，通過光學(xué)部件被同軸投影在全站儀視準(zhǔn)軸上，從物鏡口發(fā)射出去，由測距反光片進(jìn)行反射。望遠(yuǎn)鏡里的專用分光鏡將反射回來的ATR光束與可見光、測距光束分離出來，引導(dǎo)ATR光束至CCD陣列上，形成光點(diǎn)，其位置以CCD陣列的中心作為參考點(diǎn)來精確的確定。CCD陣列將接收到的光信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的影像，通過復(fù)雜的圖像處理算法，計算出圖像的中心，即測點(diǎn)的三維空間坐標(biāo)。

3 監(jiān)測方案實施

3.1 監(jiān)測斷面布置

結(jié)合白鶴灘泄洪洞開挖方案，在洞室頂拱、距頂拱高度8m、12m左右邊墻各布置一組收斂測點(diǎn)(見圖1)，當(dāng)開挖部位完成后及時安裝反光板，配合全站儀進(jìn)行收斂變形監(jiān)測。

圖1 泄洪洞分層開挖、收斂監(jiān)測點(diǎn)位布置

結(jié)合洞室尺寸、形狀、地質(zhì)條件及現(xiàn)場施工情況，監(jiān)測斷面布置在距掌子面2m～5m處，其他部位按1斷面30m～50m布設(shè)。具體布設(shè)要求見表2。

表2 收斂變形觀測斷面間隔標(biāo)準(zhǔn)

注：在連續(xù)出現(xiàn)良好地質(zhì)時，可適當(dāng)加大間距；在地質(zhì)變化復(fù)雜時，可適當(dāng)減小間距。

3.2 反光片安裝

測點(diǎn)反光片螺栓埋設(shè)，利用風(fēng)鉆在頂拱、對應(yīng)邊墻點(diǎn)打出30cm深度的孔，埋入長度25cm直徑20mm的螺紋鋼，孔洞用砂漿錨固，在螺紋鋼端頭焊接鋼板，粘貼收斂測量的反光片。

3.3 數(shù)據(jù)采集與計算

3.3.1 觀測頻次

根據(jù)有關(guān)規(guī)范及要求，在監(jiān)測時期，從圍巖開挖至襯砌支護(hù)完成后60d，監(jiān)測頻次由密至疏，并且不少于30個測次。監(jiān)測讀數(shù)頻次見表3。

表3 監(jiān)測讀數(shù)頻次

3.3.2 數(shù)據(jù)處理

收斂監(jiān)測點(diǎn)安裝粘貼式反光片，采用全站儀自由設(shè)站觀測法施測各斷面上兩點(diǎn)間的相對坐標(biāo)和高程，計算每條測線的長度，不同時段的測線長度的變化量即為該測線圍巖收斂量。

根據(jù)每測點(diǎn)的位移通過近似計算可求得收斂量。

近似計算的假設(shè)：

①洞壁輪廓線位移為徑向位移，切向位移忽略不計；

②基線角度變化忽略不計；

③假定各測點(diǎn)均在同一斷面上；

④假定拱頂點(diǎn)位移為垂直位移，即頂拱沉降量。

采用三角形法(海倫公式)計算，觀測的圍巖相對收斂量是各兩點(diǎn)的位移變化，即兩點(diǎn)位移之和，兩側(cè)點(diǎn)各自的位移可以通過近似分配計算求得。測點(diǎn)布置為對稱三角形，其測點(diǎn)位移計算方法如圖2所示。

圖2 收斂監(jiān)測點(diǎn)位計算

△A=h-ht△B=lb-lbt△C=lc-lct

其中，△A、△B、△C分別代表A、B、C三測點(diǎn)的位移；a、b、c和at、bt、ct分別為三條基線的初始長度和t時刻長度。

lct=(at2+bt2-ct2)/2at；lbt=at-lct；

圖3 3#泄洪洞0+318m斷面收斂變形時序

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)收集的監(jiān)測數(shù)據(jù)，及時繪制輔助分析圖表和圖形。如圍巖變化量隨時間變化關(guān)系曲線(或折線)，利用定性或定量相結(jié)合的分析方法，對圍巖的穩(wěn)定性作出綜合分析。現(xiàn)以3#泄洪洞0+318m樁號收斂數(shù)據(jù)(表4)為例進(jìn)行分析。

表4 泄3#0+318m收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

說明：表中數(shù)據(jù)(DB測線沉降量和AC測線水平變化量)是指本次成果相對于上次成果的變化值。

依據(jù)表4數(shù)據(jù)，結(jié)合辦公軟件(EXCEL)，繪制收斂變形曲線(如圖3)。

由圖3可得結(jié)論，隨著時間的變化，變形量趨于穩(wěn)定，說明此處圍巖穩(wěn)定，能確保施工安全。

5 結(jié)語

在隧道開挖過程中，除了永久監(jiān)測外，施工期的安全監(jiān)測也尤為重要。目前，行業(yè)內(nèi)大、中型地下洞室數(shù)量較多，而且施工環(huán)境、地質(zhì)條件復(fù)雜，快速、高效、準(zhǔn)確地進(jìn)行臨時監(jiān)測是施工難點(diǎn)。本工程開挖實踐表明，非接觸式收斂監(jiān)測方法，可減少大跨度洞室施工中位移量測的困難，并可解決傳統(tǒng)的接觸量測中量測數(shù)據(jù)無法正確反映洞室的偏壓變形、整體下沉的狀態(tài)，并且其設(shè)站靈活、施工干擾小，量測精度高，能夠及時快速掌握圍巖是否變形，為調(diào)整開挖支護(hù)方法提供數(shù)據(jù)支撐。

〔1〕廉旭剛，戴華陽.隧道圍巖變形監(jiān)測及變形規(guī)律分析[J].礦山測量，2008.

〔2〕楊松林，劉維寧，師紅云，黃 方.全站儀自由設(shè)站隧道圍巖變形非接觸監(jiān)測理論和方法的研究[J].土木工程學(xué)報，2006.

羅雪鋒(1986.6-)，男，山西大同人，現(xiàn)任水電五局五分局白鶴灘水電站泄洪洞項目部測量隊副隊長，助理工程師，從事測量研究管理工作。

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