地下洞室群施工期安全監(jiān)測分析

(浙江省圍海建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 寧波　315040)

1　概　述

隨著我國眾多水利水電工程的開工興建，工程質(zhì)量與工程安全問題越來越受到國家、社會的廣泛關(guān)注。進(jìn)入新世紀(jì)以來，伴隨西部大開發(fā)和西電東送工程的開展，我國相繼動工建設(shè)了一批高壩大庫等水利樞紐工程，其中一些樞紐工程包括有地下洞室建筑物。地下洞室的開挖，工作條件較為復(fù)雜，設(shè)計(jì)與實(shí)際運(yùn)行存在一定差距。基于以上原因，對地下洞室進(jìn)行施工期的安全監(jiān)測尤為重要[1-2]。本文以金沙江下游向家壩水電站地下洞室群圍巖的安全監(jiān)測為例，通過分析施工期實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究向家壩水電站地下洞室群施工期圍巖穩(wěn)定性及安全監(jiān)測在地下洞室群開挖期間的作用，為在復(fù)雜地質(zhì)條件下地下洞室群的設(shè)計(jì)及開挖提供借鑒和參考。

2　工程概況

向家壩水電站是三峽公司金沙江下游河段規(guī)劃的最末一個(gè)梯級電站，壩址位于四川省宜賓市(左岸)和云南省水富縣(右岸)交界的金沙江峽谷出口處，距下游宜賓市33km，距水富縣城1.5km。

電站裝機(jī)600萬kW，共安裝8臺單機(jī)容量為75萬kW的機(jī)組，兩岸廠房各安裝4臺機(jī)組，其中左岸為壩后式廠房、右岸為地下廠房。右岸地下廠房是由主廠房、主變洞、母線洞、引水洞、尾水洞、交通洞等組成的大型地下洞室群。地下主廠房開挖總長度245.4m，巖錨梁以上開挖跨度33.4m，巖錨梁以下開挖跨度31.4m，總高度84.5m，主廠房洞室規(guī)模在目前國內(nèi)外已建、在建和擬建洞室中最大[3]。其三維布置見圖1。

圖1　向家壩電站地下洞室三維布置

3　監(jiān)測儀器布置

向家壩水電站地下洞室群安全監(jiān)測儀器布置原則為：以監(jiān)測設(shè)計(jì)為主，儀器布設(shè)少而精，一種儀器多用途，重點(diǎn)部位多方法監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容相互驗(yàn)證[4]。埋設(shè)儀器主要有多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、錨索測力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)組、測縫計(jì)、滲壓計(jì)。這些儀器埋設(shè)在地下洞室群的進(jìn)場交通洞、通風(fēng)洞、主廠房、主變洞、引水洞、尾水主洞等部位。通過對監(jiān)測儀器的不斷維護(hù)，地下洞室群安全監(jiān)測系統(tǒng)總體上工作良好，為地下洞室群的安全及可靠運(yùn)行提供了有利保障。

4　地下洞室群監(jiān)測資料分析

4.1　變形分析

為監(jiān)測巖體不同深度的軸向位移，了解巖體變形及松動范圍，合理確定巖體加固參數(shù)，為地下洞室的設(shè)計(jì)、開挖提供反饋分析，在地下洞室的拱頂、拱肩、邊墻部位布設(shè)了多點(diǎn)位移計(jì)。選取跨度最大、施工難度最高的地下主廠房洞室作為典型斷面進(jìn)行分析。在主廠房7個(gè)斷面共埋設(shè)36套多點(diǎn)位移計(jì)。主廠房典型斷面多點(diǎn)位移計(jì)布置見圖2[5]。

圖2　多點(diǎn)位移計(jì)布置(單位：mm)注　圖中1～7表示開挖分7期進(jìn)行

圖測點(diǎn)位移時(shí)間關(guān)系曲線

4.2　滲流滲壓監(jiān)測分析

為監(jiān)測洞室內(nèi)水壓的變化，根據(jù)水文及工程地質(zhì)情況以及當(dāng)前施工進(jìn)度，在進(jìn)場交通洞、尾水洞、機(jī)窩部位布置有滲壓計(jì)，各監(jiān)測儀器埋設(shè)高程見下表[6]。

地下洞室群滲壓計(jì)測點(diǎn)布置表

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，目前所埋儀器滲壓測值均較小。原因是目前金沙江水位較低，地下水位較低，滲流較小，導(dǎo)致圍巖滲壓較小。

4.3　應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測分析

4.3.1應(yīng)變計(jì)組

為研究地下洞室群混凝土襯砌變化情況，安裝埋設(shè)單項(xiàng)應(yīng)變計(jì)和三向應(yīng)變計(jì)。為分析外力對混凝土作用力大小，排除混凝土自由體積變形影響，在應(yīng)變計(jì)附近1.5m處安裝埋設(shè)了無應(yīng)力計(jì)。選取1號尾水洞單向應(yīng)變計(jì)觀測成果，將混凝土微應(yīng)變-溫度關(guān)系曲線繪于圖4。

圖4　單項(xiàng)應(yīng)變計(jì)Sa7-1微應(yīng)變-溫度關(guān)系曲線

從圖4可以看出，混凝土應(yīng)變與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨洞室開挖結(jié)束，混凝土應(yīng)變基本趨于穩(wěn)定。監(jiān)測成果顯示，混凝土襯砌是穩(wěn)定的，測點(diǎn)變化趨勢符合規(guī)律。

4.3.2錨桿(錨索)荷載

在洞室開挖過程中，通常用錨桿、錨索進(jìn)行圍巖支護(hù)。地下洞室典型斷面錨桿、錨索布置見圖5。為研究地下洞室群巖體和工程結(jié)構(gòu)的應(yīng)力變化，分析錨桿應(yīng)力變化和錨索荷載變化就成為關(guān)鍵。通過安裝錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測力計(jì)進(jìn)行監(jiān)測成為解決關(guān)鍵問題的途徑。地下洞室群典型監(jiān)測部位實(shí)測錨桿應(yīng)力變化過程線和錨索荷載變化過程線見圖6～圖8。

圖5　典型斷面錨桿、錨索布置

圖6　錨桿應(yīng)力計(jì)AS5-26應(yīng)力-溫度關(guān)系曲線

圖7　錨索測力計(jì)荷載-時(shí)間曲線

圖8　錨索測力計(jì)荷載-時(shí)間曲線

圖6顯示，錨桿應(yīng)力與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，隨著開挖結(jié)束，錨桿荷載基本趨于穩(wěn)定；從圖7可以看出，錨索卸載后，圍巖基本處于穩(wěn)定狀態(tài)，錨索測值較小是由鋼絞繩自身變形及錨頭夾具不緊造成的；圖8顯示錨索卸載后測值增加，其原因是圍巖有向洞內(nèi)方向變形趨勢，但隨著開挖支護(hù)結(jié)束，圍巖變形基本趨于穩(wěn)定，該情況出現(xiàn)的斷面主要集中在地下主廠房。

5　結(jié)　論

通過向家壩水電站地下洞室群變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變實(shí)測資料分析，地下洞室群各監(jiān)測項(xiàng)目變化基本在設(shè)計(jì)預(yù)測范圍之內(nèi)。變形方面，各測點(diǎn)變形隨深度不同出現(xiàn)不同變化，在最深處測點(diǎn)變形基本為0，可視為相對不動點(diǎn)，距巖壁0.5～2.5m處圍巖受開挖影響變形稍大，但也在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)，應(yīng)作為設(shè)計(jì)研究重點(diǎn)；滲流方面，當(dāng)江水位較低時(shí)，洞室內(nèi)測點(diǎn)滲壓值較小或處于無滲壓狀態(tài)，外水壓力也不大；應(yīng)力應(yīng)變方面，通過應(yīng)變計(jì)組實(shí)測數(shù)據(jù)分析，應(yīng)變與溫度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，錨桿應(yīng)力變化與溫亦呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，錨索在卸荷之后荷載增大的原因是圍巖向洞內(nèi)方向變化，該情況以主變洞較為集中。錨索卸荷后荷載未增大表明巖石力學(xué)性能較好，荷載減小主要由錨索夾頭不緊或鋼絞繩自身變形引起。開挖結(jié)束后，荷載值都基本趨于穩(wěn)定態(tài)勢。

向家壩水電站地下洞室?guī)r性結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尤其是地下主廠房開挖跨度在國內(nèi)外已建、在建和擬建水電站中最大，地下洞室群的安全開挖表明我國水電工程設(shè)計(jì)、建設(shè)技術(shù)已進(jìn)入國際領(lǐng)先行列。向家壩水電站地下洞室群的安全監(jiān)測將為我國在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下進(jìn)行地下洞室群設(shè)計(jì)、施工提供有益的借鑒和參考。

[1]顧沖時(shí)，吳中如.大壩與壩基安全監(jiān)控理論和方法及其應(yīng)用[M].南京：河海大學(xué)出版社，2006.

[2]趙志仁.大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)[M].鄭州：黃河水利出版社，2003：90-93.

[3]禹芝文.向家壩地下廠房圍巖穩(wěn)定性分析和支護(hù)設(shè)計(jì)研究[D].南京：河海大學(xué)，2005.

[4]吳世勇，高鵬.二灘拱壩安全監(jiān)測資料分析[J].水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(4)：108-113.

[5]孫開暢，孫志禹.向家壩水電站地下廠房洞室群圍巖穩(wěn)定分析[J].長江科學(xué)院院報(bào)，2006，23(5)：29-32.

[6]中水科技中南院向家壩安全監(jiān)測聯(lián)合體.金沙江向家壩水電站右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)2009年度安全監(jiān)測報(bào)告[R].水富：中水科技中南院向家壩安全監(jiān)測聯(lián)合體，2009.