水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉 媛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)要點(diǎn)

劉 媛

(中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)主要是通過對地下工程的地質(zhì)條件、施工期圍巖穩(wěn)定性分析并根據(jù)臨時(shí)和永久建筑物的級別、作用、荷載、重要性等情況，依據(jù)安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的基本原則和標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)并確定安全監(jiān)測的項(xiàng)目內(nèi)容、選擇儀器的型號(hào)和數(shù)量、布置監(jiān)測斷面及測點(diǎn)，繪制監(jiān)測設(shè)計(jì)施工圖，提供監(jiān)測設(shè)計(jì)方案資料，及時(shí)開展地下工程安全監(jiān)測施工。

水電地下工程；安全監(jiān)測設(shè)計(jì)；監(jiān)測項(xiàng)目；監(jiān)測儀器；監(jiān)測斷面布置

1 概 述

地下工程修建在地應(yīng)力場、由巖石和各種結(jié)構(gòu)面組合的天然巖體中，依靠圍巖本身的力學(xué)特性及自穩(wěn)能力和支護(hù)的共同作用保持其穩(wěn)定。由于其大多處于深埋、節(jié)理裂隙發(fā)育、地應(yīng)力高和地下水豐富等復(fù)雜地質(zhì)條件下，施工工況復(fù)雜，力學(xué)參數(shù)難以確定，故需要在工程相關(guān)部位埋設(shè)監(jiān)測儀器進(jìn)行安全監(jiān)測以獲取建筑物性狀變化的實(shí)際信息，并將其及時(shí)反饋到設(shè)計(jì)和施工中，以起到校核設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工的作用，及時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測、預(yù)報(bào)地下工程施工期和運(yùn)行期的安全。筆者針對水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的基本程序進(jìn)行了闡述。

2 水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)包括的主要內(nèi)容

2.1 監(jiān)測設(shè)計(jì)原則

水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)主要是在圍巖條件和工況預(yù)測的基礎(chǔ)上，以監(jiān)測施工期圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)結(jié)構(gòu)的工作狀態(tài)為目的進(jìn)行設(shè)計(jì)，其安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的原則主要有以下幾點(diǎn)：

(1)根據(jù)預(yù)測模型要求，確定監(jiān)測項(xiàng)目，布置監(jiān)測斷面和測點(diǎn)。監(jiān)測儀器的布置應(yīng)注意時(shí)空關(guān)系，以確保其能控制工程的關(guān)鍵部位。

(2)為實(shí)時(shí)監(jiān)測圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)性狀的變化，對具備預(yù)埋條件的部位應(yīng)盡量利用其附近的鉆孔預(yù)埋監(jiān)測儀器；對于不具備預(yù)埋條件的部位亦應(yīng)緊跟掌子面及時(shí)埋設(shè)。

(3)安全監(jiān)測設(shè)計(jì)應(yīng)與工程設(shè)計(jì)保持統(tǒng)一同步、分階段進(jìn)行設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中，應(yīng)在隨機(jī)測點(diǎn)、測孔、儀器的數(shù)量上留有余地，以便在工程施工過程中針對可能出現(xiàn)的特殊情況、新問題進(jìn)行補(bǔ)充修改，彌補(bǔ)不足。

(4)應(yīng)統(tǒng)籌兼顧、合理安排施工期與運(yùn)行期的監(jiān)測設(shè)計(jì)，確定哪些項(xiàng)目僅用于施工期，哪些項(xiàng)目可以在施工期和運(yùn)行期同時(shí)兼用。

(5)設(shè)計(jì)方案中，要在采用儀器監(jiān)測為主的同時(shí)，輔以人工巡視的監(jiān)測方法，以彌補(bǔ)儀器不能完全覆蓋的不足。

(6)采用自動(dòng)化監(jiān)測時(shí)，應(yīng)考慮保留人工觀測措施，以確保任何情況下均能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測。

2.2 主要監(jiān)測內(nèi)容

地下工程在施工前期、施工期、運(yùn)行期的主要監(jiān)測內(nèi)容包括以下幾部分。

(1)前期監(jiān)測。

前期監(jiān)測主要是利用勘探平洞和原位模型試洞進(jìn)行。在勘探平洞開挖時(shí)，可進(jìn)行位移、應(yīng)力監(jiān)測及聲波等測試，或試驗(yàn)研究巖體的力學(xué)參數(shù)，建立計(jì)算模型。利用原位模型試洞可進(jìn)行系統(tǒng)的位移、應(yīng)力、圍巖松動(dòng)范圍的監(jiān)測及聲波測試，反演巖體力學(xué)參數(shù)，建立計(jì)算模型，為地下洞室穩(wěn)定性研究、支護(hù)提供依據(jù)。

(2)施工期監(jiān)測。

對圍巖和支護(hù)進(jìn)行位移、應(yīng)力、應(yīng)變、裂縫開合、地下水、爆破影響和環(huán)境等項(xiàng)內(nèi)容的監(jiān)測，并將監(jiān)測結(jié)果及時(shí)反饋，以保證施工安全和修改設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工。

(3)運(yùn)行期監(jiān)測。

對圍巖及支護(hù)、襯砌體與結(jié)構(gòu)物進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，以起到監(jiān)測工程安全性、檢驗(yàn)設(shè)計(jì)正確性的目的，為開展地下工程技術(shù)研究積累資料。

2.3 監(jiān)測設(shè)計(jì)所需的資料

應(yīng)針對工程規(guī)模、不同設(shè)計(jì)階段以及關(guān)鍵問題等收集以下安全監(jiān)測設(shè)計(jì)所需的資料。

2.3.1 地質(zhì)資料

地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)所需要的地質(zhì)資料包括：(1)含縱、橫剖面圖、鉆孔柱狀圖及平洞展示圖的地質(zhì)報(bào)告；(2)結(jié)構(gòu)面的統(tǒng)計(jì)資料，節(jié)理裂隙玫瑰圖；(3)圍巖分類，軟弱結(jié)構(gòu)面性狀；(4)地震烈度；(5)地下水分布；(6)洞室穩(wěn)定性評價(jià)。

2.3.2 試驗(yàn)資料

主要包括巖體及圍巖力學(xué)試驗(yàn)參數(shù)，軟弱結(jié)構(gòu)面力學(xué)參數(shù)以及模型試驗(yàn)研究報(bào)告。

2.3.3 建筑物設(shè)計(jì)資料

建筑物設(shè)計(jì)資料主要包括：(1) 地下洞室布置圖(包括各種平面、縱剖面、橫剖面等)；(2) 地下洞室圍巖穩(wěn)定分析計(jì)算與評價(jià)，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開挖方法及施工程序等；(3)各種數(shù)值計(jì)算資料(包括地應(yīng)力場分析、滲流場有限元、邊界元等計(jì)算成果)。

2.3.4 水文氣象及其他資料

降雨量、水位、氣溫等與監(jiān)測設(shè)計(jì)有關(guān)的其他資料。

2.4 監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測儀器

在地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)監(jiān)測分類和監(jiān)測目的的需要確定監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測內(nèi)容以及所需的監(jiān)測儀器。具體內(nèi)容見表1。

2.4.1 監(jiān)測項(xiàng)目的選擇

監(jiān)測項(xiàng)目的選擇應(yīng)以工程條件確定之后所進(jìn)行的工程性狀預(yù)測為基礎(chǔ)，同時(shí)考慮下述原則。

(1)根據(jù)監(jiān)測目的分別選定重點(diǎn)項(xiàng)目，一般應(yīng)以能監(jiān)控影響安全的主要因素為目的選定。

(2)根據(jù)工程階段分別選定。施工期，在充分利用永久性觀測項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，補(bǔ)選一些能為施工安全監(jiān)控快速獲取資料的項(xiàng)目。運(yùn)行階段，應(yīng)根據(jù)工程可能的運(yùn)行性狀選擇監(jiān)測項(xiàng)目，對于問題明確的，可有針對性地選擇項(xiàng)目。

(3)根據(jù)工程的規(guī)模、等級(重要性)、經(jīng)費(fèi)的承受能力等因素綜合確定。在滿足需要的前提下，項(xiàng)目力求精簡。

(4)根據(jù)覆蓋層的厚度、巖性及斷裂構(gòu)造、巖體變形、破壞機(jī)制、支護(hù)方式選取監(jiān)測項(xiàng)目。

2.4.2 監(jiān)測儀器的選擇

儀器選型應(yīng)根據(jù)以下原則進(jìn)行。

(1)根據(jù)所確定的監(jiān)測項(xiàng)目選擇相應(yīng)的儀器，儀器數(shù)量宜少而精；

(2)監(jiān)測儀器的精度和量程應(yīng)滿足具體工程要求，該要求應(yīng)根據(jù)巖性、計(jì)算值或模型試驗(yàn)值的最大和最小值確定儀器的精度和量程；

(3)儀器應(yīng)準(zhǔn)確可靠，堅(jiān)固耐用，能夠在潮濕甚至涌水、爆破震動(dòng)和粉塵等惡劣環(huán)境下工作；

(4)儀器應(yīng)輕便，布置簡單，埋設(shè)安裝快捷，操作讀數(shù)方便，占用掌子面時(shí)間短，對施工干擾少。

2.5 監(jiān)測斷面的布置

根據(jù)工程地質(zhì)條件和監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容布置監(jiān)測斷面，布置要點(diǎn)如下：

(1)監(jiān)測斷面的布置應(yīng)按工程需要、地質(zhì)條件以及施工條件選擇具有代表性的斷面，通常按洞室的穩(wěn)定性可分為系統(tǒng)布置與隨機(jī)布置；按工程部位可分為對稱型、非對稱型以及局部型布置。

(2)監(jiān)測斷面的布置應(yīng)合理并注意時(shí)空關(guān)系。采取表面與深部結(jié)合、重點(diǎn)與一般結(jié)合、局部與整體結(jié)合，一定要使測網(wǎng)、斷面、測點(diǎn)形成一個(gè)系統(tǒng)，能控制整個(gè)工程的各關(guān)鍵部位。

(3)在斷面的選擇上，應(yīng)注意洞室埋深、巖體結(jié)構(gòu)特性、圍巖性態(tài)、結(jié)構(gòu)物尺寸及形狀、可能的變形及應(yīng)力以及施工方法、工序等。

(4)監(jiān)測斷面可分為主斷面和輔助斷面，主斷面可埋設(shè)多種儀器，進(jìn)行多項(xiàng)監(jiān)測；在主斷面附近設(shè)輔助斷面，輔助斷面埋設(shè)的儀器少，僅用于監(jiān)測個(gè)別特征參數(shù)，其目的是保證重點(diǎn)，簡化工作面，降低費(fèi)用。

(5)觀測斷面上測點(diǎn)的布置應(yīng)根據(jù)圍巖性態(tài)變化的分布規(guī)律、結(jié)構(gòu)物的尺寸與形狀以及預(yù)測的變形和應(yīng)力等物理量分布特征進(jìn)行布置。測點(diǎn)數(shù)量應(yīng)在考慮均勻分布、結(jié)構(gòu)特性和地質(zhì)代表性的基礎(chǔ)上根據(jù)其變化梯度進(jìn)行確定。對于梯度大的部位，點(diǎn)距要??；梯度小的部位，點(diǎn)距要大。

3 地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)之監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測儀器選型實(shí)例

(1)瀑布溝水電站地下工程。

主要監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)計(jì)：引水系統(tǒng)進(jìn)水口山體邊坡觀測，引水隧洞觀測，主副廠房以及安裝間、主變室、尾水閘門室觀測，尾水隧洞觀測，尾水洞出口邊坡觀測(表2)。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目一覽表

表2 瀑布溝水電站地下工程監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測儀器一覽表

(2)白鶴灘水電站左岸地下工程。

施工期主要監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)計(jì)：進(jìn)水口邊坡、壓力管道、主/副廠房、母線洞、引水上平段支洞、引水下平段1#/2#施工支洞、排風(fēng)連接平洞1#施工支洞、尾水管1#/2#施工支洞等。監(jiān)測項(xiàng)目分必測項(xiàng)目和選測項(xiàng)目，必測項(xiàng)目包括：現(xiàn)場巡視檢查，表面裂縫監(jiān)測，洞室收斂監(jiān)測；選測項(xiàng)目包括：圍巖內(nèi)部變形監(jiān)測，圍巖壓力、接觸應(yīng)力、錨桿應(yīng)力監(jiān)測等(表3)。

4 監(jiān)測設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化

工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)應(yīng)提交的資料：工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的內(nèi)容項(xiàng)目、設(shè)計(jì)工作大綱、儀器選型、監(jiān)測斷面布置及其設(shè)計(jì)說明、施工組織設(shè)計(jì)圖、技術(shù)要求、概預(yù)算、監(jiān)測合同文件等。

在施工過程中，按照規(guī)范中觀測周期的要求進(jìn)行觀測并及時(shí)整理監(jiān)測資料，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)誤時(shí)應(yīng)及時(shí)改正或補(bǔ)測，對原始數(shù)據(jù)要去偽存真、計(jì)算、分析并繪制觀測量與時(shí)間、深度曲線，及時(shí)將監(jiān)測得到的信息進(jìn)行反饋，根據(jù)反饋內(nèi)容及時(shí)修正設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工，以確保地下洞室圍巖的穩(wěn)定和安全。所反饋的內(nèi)容應(yīng)包括以下幾個(gè)方面：

表3 金沙江白鶴灘水電站左岸地下工程施工期監(jiān)測項(xiàng)目與監(jiān)測儀器一覽表

(1)要求對圍巖失穩(wěn)時(shí)發(fā)出警報(bào)。

(2)根據(jù)監(jiān)測資料，修正原設(shè)計(jì)并調(diào)整支護(hù)及整個(gè)施工方案。

(3)利用監(jiān)測信息，反饋力學(xué)參數(shù)、模型，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(4)對圍巖穩(wěn)定性和支護(hù)做出正確的定量評價(jià)，驗(yàn)證理論計(jì)算及模型試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié) 語

水電工程設(shè)計(jì)自采用新的可靠度設(shè)計(jì)理論與方法以來，安全監(jiān)測已成為提供設(shè)計(jì)依據(jù)、優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠度評價(jià)不可缺少的手段，亦是工程設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量控制的重要手段。地下工程的失穩(wěn)破壞是從漸變到突變的發(fā)展過程，單憑人們的直覺是難以發(fā)現(xiàn)的，因此，必須依靠合理布置的精密監(jiān)測儀器進(jìn)行周密的監(jiān)測。要做到這一點(diǎn)，就要作出符合實(shí)際情況的監(jiān)測設(shè)計(jì)，確定監(jiān)測項(xiàng)目，選擇儀器型號(hào)，合理布置儀器，精心埋設(shè)儀器，按規(guī)范觀測、采集數(shù)據(jù)，及時(shí)計(jì)算并分析整理觀測資料，建立高效完善的計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)信息分析管理系統(tǒng)，使監(jiān)測自動(dòng)化，對監(jiān)測部位可能出現(xiàn)的危險(xiǎn)情況作出準(zhǔn)確、快速、及時(shí)的預(yù)報(bào)?；谝陨蠋c(diǎn)，筆者結(jié)合具體的工程實(shí)例，闡述了水電地下工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的基本內(nèi)容，以期引起各方重視。

[1] 二灘水電開發(fā)有限責(zé)任公司.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

[2] 魏 平，等. 混凝土工程安全監(jiān)測， 水利水電施工技術(shù)全書. 混凝土工程(第十一冊)[M]. 北京：中國水利水電出版社，2015.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0100-05

劉 媛(1982-)，女，四川遂寧人，副處長，工程師，碩士，從事水利水電工程設(shè)計(jì)、監(jiān)測設(shè)計(jì)與招投標(biāo)施工組織設(shè)計(jì)等工作.