抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)與分析

戚海峰

（新疆巴州新華水電開發(fā)有限公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000）

抽水蓄能電站是一種相對(duì)比較特殊的發(fā)電站，其在具體工作的過程之中，利用電力負(fù)荷低谷時(shí)期的富余電力將水抽至上水庫(kù)，當(dāng)進(jìn)入到電力負(fù)荷高峰時(shí)期時(shí)，再把上水庫(kù)之中的水下放至下水庫(kù)，以此充分利用水力資源。對(duì)于抽水蓄能電站，其通常為地下廠房，所以地下洞室圍巖穩(wěn)定性也是水電站工程設(shè)計(jì)方面的一項(xiàng)重要技術(shù)，與工程安全性、經(jīng)濟(jì)性等存在直接關(guān)聯(lián)?，F(xiàn)階段，針對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析評(píng)價(jià)的方式包括多種，基于圍巖穩(wěn)定分析數(shù)字模型，可以把圍巖穩(wěn)定性分析方式細(xì)化為三種類型，即解析法、數(shù)值分析法、不確定性法，其中數(shù)值分析法的應(yīng)用范圍最廣、應(yīng)用效果最佳，并且還可以與計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行配合，切實(shí)提升分析結(jié)果的精準(zhǔn)性。本文在研究分析的過程之中，首先對(duì)影響抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性的因素進(jìn)行了闡述，然后指出了抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的具體內(nèi)容，最后又針對(duì)抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性分析內(nèi)容進(jìn)行了介紹。

1 影響抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性的因素

（1）地質(zhì)構(gòu)造。從嚴(yán)格意義上來講，巖體實(shí)質(zhì)上屬于一種較為特殊地質(zhì)介質(zhì)，巖體在形成以及后期發(fā)展時(shí)，一般會(huì)經(jīng)歷多次構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，并且每一次的運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度各不相同，對(duì)于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而言，由于多方面因素的影響，通常會(huì)早地層中形成一系列不同形態(tài)的形跡，例如裂隙、斷層等。同時(shí)，巖體之中還包含諸多結(jié)構(gòu)面，如接觸面、間斷面等，而這些結(jié)果面的力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)通常僅為巖石的幾十分之一，相對(duì)比較小，所以在提升圍巖穩(wěn)定性的過程之中，應(yīng)當(dāng)高度注重巖體結(jié)構(gòu)以及裂隙分布狀況。如果地下廠房洞室穿過斷層破碎帶、蝕變帶等，那么圍巖穩(wěn)定性的控制難度將會(huì)大大提升，進(jìn)而對(duì)整個(gè)地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性造成不良影響。

（2）巖體物理性質(zhì)以及力學(xué)性質(zhì)。巖體物理性質(zhì)通常包含多方面內(nèi)容，流入結(jié)構(gòu)特性、礦物組成等，比如火成巖強(qiáng)度非常高，變形量相對(duì)較??；對(duì)于沉積巖而言，其主要是兩方面有關(guān)，即層厚、膠結(jié)物力學(xué)性質(zhì)，還有一些薄層沉積巖將會(huì)由此產(chǎn)生聚類變形等。地下洞室的失穩(wěn)通常是當(dāng)開展挖掘工作的過程之中，巖體應(yīng)力分布情況發(fā)生突變，造成圍巖應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于巖體強(qiáng)度，又或者巖體產(chǎn)生十分嚴(yán)重的變形情況，進(jìn)而造成地下洞室圍巖產(chǎn)生失穩(wěn)狀況，所以巖體力學(xué)性質(zhì)對(duì)其造成的影響相對(duì)比較大。

（3）地下水。地下水的活動(dòng)同樣會(huì)對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成一定的影響，在地下水的作用之下，洞室周圍將會(huì)形成力學(xué)變化或者化學(xué)反應(yīng)等，進(jìn)而造成圍巖穩(wěn)定性降低，該方面具體體現(xiàn)在四點(diǎn)：第一，在洞室周圍逐漸構(gòu)成形態(tài)各異的水力梯度，如此一來，圍巖巖體將會(huì)承受一個(gè)外部的附加推力；第二，當(dāng)受到靜水壓力的嚴(yán)重影響時(shí)，巖體之中所存在的有效壓力也會(huì)隨之而產(chǎn)生十分明顯的變化，即逐漸減小，導(dǎo)致巖體抗剪強(qiáng)度明顯降低；第三，地下水活動(dòng)的影響之下，巖體、節(jié)理裂隙強(qiáng)度參數(shù)將會(huì)因此而降低；第四，在地下水活動(dòng)的影響之下，圍巖侵蝕以及泥化作用加劇，圍巖強(qiáng)度將會(huì)因此而受到一定的不良影響。

通過以上研究分析以及論述可以得知，對(duì)圍巖穩(wěn)定性造成不良影響的因素包含多方面，但是影響最大、最為常見的影響因素主要為以上三種，地質(zhì)構(gòu)造、巖體力學(xué)以及物理性質(zhì)實(shí)質(zhì)上是巖體強(qiáng)度的三大影響因素。當(dāng)對(duì)洞室進(jìn)行開挖的過程之中，圍巖應(yīng)力分布情況、位移特征等，還會(huì)受到地應(yīng)力的嚴(yán)重影響。由于具體施工過程之中會(huì)受到多方面因素的嚴(yán)重影響，一些很微小的影響因素也有可能轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕蛩?，所以在具體分析的過程之中，必須要針對(duì)具體問題展開具體分析，以便提前制定相應(yīng)的防范措施。

2 抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)分析

2.1 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的基本原理

近幾年，抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)已經(jīng)漸漸形成一套較為完善、合理的方法，其結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、巖土力學(xué)理論等，可以切實(shí)提升監(jiān)測(cè)效果，所以應(yīng)用范圍十分廣泛。如果根據(jù)監(jiān)測(cè)階段進(jìn)行細(xì)化，那么穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)包括多個(gè)環(huán)節(jié)，例如前期監(jiān)測(cè)、施工開挖監(jiān)測(cè)等。對(duì)于前期監(jiān)測(cè)來講，其主要是指在監(jiān)測(cè)過程之中，運(yùn)用原位模型試驗(yàn)洞，以監(jiān)測(cè)分析結(jié)果為重要基礎(chǔ)，從多個(gè)維度、多個(gè)層面剖析地應(yīng)力場(chǎng)、巖體彈性模量等，從而由此對(duì)支護(hù)設(shè)計(jì)進(jìn)行完善以及優(yōu)化，切實(shí)提高施工開挖質(zhì)量。對(duì)于施工開挖期監(jiān)測(cè)來講，主要是指在開展施工工作的過程之中，通過科學(xué)化的方式對(duì)位移以應(yīng)力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化布置，從而為后期支護(hù)參數(shù)優(yōu)化、開挖工作提供重要參考。

2.2 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的目的

穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)是抽水蓄能電站地下廠房洞室開挖過程中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，其主要目的是為了對(duì)圍巖穩(wěn)定性以及支護(hù)是受力情況進(jìn)行研究分析，準(zhǔn)確掌握各類信息數(shù)據(jù)，進(jìn)而對(duì)整個(gè)工程的安全性、經(jīng)濟(jì)性等多方面進(jìn)行分析。詳細(xì)來講，其目的可以歸結(jié)為下列三個(gè)方面，具體為：

（1）為信息化建設(shè)地下工程、監(jiān)控設(shè)計(jì)等多方面工作提供重要參考依據(jù)，通常情況下需要對(duì)工程所在地巖體的產(chǎn)狀、物理力學(xué)性質(zhì)等多方面因素進(jìn)行查看，但是由于多方面因素的影響，地下工程中底層巖體變化情況存在重大差異，如果單純的利用露頭調(diào)查、鉆孔勘察等方式，并不能反應(yīng)真實(shí)效果。同時(shí)，現(xiàn)階段工程勘查過程中，對(duì)巖體力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行剖析的一個(gè)重要方式便是室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，但是巖塊力學(xué)指標(biāo)、巖體力學(xué)指標(biāo)之間存在顯著化差異，所以應(yīng)當(dāng)根據(jù)工程實(shí)際情況，對(duì)巖體力學(xué)形態(tài)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試以及分析，或者利用圍巖以及支護(hù)的變位、應(yīng)力測(cè)量等來反推巖體力學(xué)參數(shù)。

（2）為工程施工過程提供重要的數(shù)據(jù)參考以及支持，并對(duì)一些突發(fā)險(xiǎn)情進(jìn)行預(yù)警。如果地址條件相對(duì)比較復(fù)雜，比如塑性流變巖體等，在具體施工的過程之中不可以運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)作為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，所以在具體施工過程之中必須要進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與分析，以此保障施工安全性。

（3）用于完善理論研究，并對(duì)理論進(jìn)行校核，并為工程類比提供重要依據(jù)，在過去很長(zhǎng)一段時(shí)間之內(nèi)，地下工程設(shè)計(jì)均是基于傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，在理論分析方式逐步完善的條件下，越來越多的人開始高度關(guān)注此方面的研究分析結(jié)論，因此在地下工程理論物理模型等諸多方面的參數(shù)提供了非常嚴(yán)格化的要求，對(duì)于理論研究結(jié)論而言，應(yīng)當(dāng)通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析以及檢驗(yàn)。

2.3 穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的內(nèi)容

抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)的內(nèi)容包括多個(gè)方面，具體為：

（1）穩(wěn)定性監(jiān)測(cè)包含圍巖構(gòu)造狀況、支護(hù)變形等。

（2）巖體力學(xué)參數(shù)測(cè)試，主要是包含彈性墨兩國(guó)、抗壓強(qiáng)度、內(nèi)摩擦角等。

（3）壓力測(cè)試，其主要包含兩方面內(nèi)容，其一是支護(hù)上的圍巖壓力、其二是滲水壓力。

（4）溫度測(cè)試，主要包含巖體問對(duì)、氣溫等。

（5）物理探測(cè)，主要包含視電阻率測(cè)試、彈性波聲波測(cè)試等。

3 抽水蓄能電站地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性分析

抽水蓄能電站地下廠房洞室包含多項(xiàng)內(nèi)容，如廠房、主變壓器室、尾水調(diào)壓室等，在空間構(gòu)造方面存在縱橫交錯(cuò)、規(guī)模各異的特征。當(dāng)開挖之后，圍巖應(yīng)力狀態(tài)相對(duì)比較繁瑣、復(fù)雜，并且洞室內(nèi)部相互影響，由此產(chǎn)生相對(duì)比較明顯的偏壓。在一些巖體堅(jiān)硬、完整，并且初始地應(yīng)力相對(duì)較高的區(qū)域，如果洞室間距相對(duì)比較小，那么開挖之后將會(huì)隨著應(yīng)力重分布，洞室?guī)r性變形將會(huì)更加顯著。一般情況下，外部多種影響均會(huì)對(duì)地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性產(chǎn)生嚴(yán)重性影響，如洞室間巖柱厚度、圍巖類別、地址環(huán)境等，基于多方面因素的考量，針對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析的過程之中，可以從以下三個(gè)方面進(jìn)行分析以及評(píng)價(jià)：

（1）將圍巖巖體結(jié)構(gòu)作為重要參考基礎(chǔ)，對(duì)圍巖巖性、圍巖強(qiáng)度、圍巖抗變形性等進(jìn)行深入化、全面化的分析，得出具體分析數(shù)據(jù)，判斷圍巖的完整性、透水性以及含水性等。同時(shí)，利用定量分析的方式對(duì)圍巖總體質(zhì)量、整體穩(wěn)定性等因素進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

（2）對(duì)于那些規(guī)模較為龐大的地下洞室或者一些相相對(duì)比較重要的地下洞室，還需要對(duì)結(jié)構(gòu)面進(jìn)行判定以及分析，特別是軟弱結(jié)構(gòu)面的空間組合關(guān)系，更是要作為研究分析過程中的重點(diǎn)。同時(shí)，還要圍繞邊墻、頂拱等開展穩(wěn)定型運(yùn)算，從多個(gè)維度對(duì)洞室圍巖局部穩(wěn)定型展開深入化探析。

（3）對(duì)圍巖失穩(wěn)的機(jī)制進(jìn)行深入化探析，結(jié)合不同圍巖的類型，選用不同的分析研究方法。重點(diǎn)圍繞軟弱圍巖的長(zhǎng)期強(qiáng)度、流變特性進(jìn)行探析，同時(shí)還要對(duì)內(nèi)外水壓力、裂隙巖體的水敏效應(yīng)等進(jìn)行剖析，制定科學(xué)化、合理化的防范措施等。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在抽水蓄能電站工程日益增多的時(shí)代環(huán)境之下，抽水蓄能電站地下洞室工程得到了社會(huì)各界人士的高度關(guān)注，所以地下洞室開挖穩(wěn)定性成為施工過程中必須要進(jìn)行思考以及分析的重要問題。通常情況下，當(dāng)對(duì)第一層進(jìn)行開挖時(shí)，廠房頂拱將會(huì)產(chǎn)生下沉位移問題，并在后續(xù)施工過程中愈發(fā)嚴(yán)重，當(dāng)開挖至第六、七層時(shí)，將逐步趨于收斂，所以為了避免廠房頂拱失穩(wěn)，那么必須要高度注重頂拱層的開挖支護(hù)工作，做好各方面監(jiān)測(cè)。在未來一段時(shí)間之內(nèi)，圍繞地下廠房洞室圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行分析的過程之中，應(yīng)當(dāng)通過科學(xué)化的方式對(duì)研巧區(qū)進(jìn)行分析，綜合考慮研巧區(qū)的節(jié)理縫隙分布、力學(xué)特性等，進(jìn)而針對(duì)地下洞室圍巖穩(wěn)定性提出了科學(xué)化、合理化的措施。