水電地下工程安全監測設計要點

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測設計要點

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測設計主要是通過對地下工程的地質條件、施工期圍巖穩定性分析并根據臨時和永久建筑物的級別、作用、荷載、重要性等情況，依據安全監測設計的基本原則和標準，設計并確定安全監測的項目內容、選擇儀器的型號和數量、布置監測斷面及測點，繪制監測設計施工圖，提供監測設計方案資料，及時開展地下工程安全監測施工。

水電地下工程；安全監測設計；監測項目；監測儀器；監測斷面布置

1 概 述

地下工程修建在地應力場、由巖石和各種結構面組合的天然巖體中，依靠圍巖本身的力學特性及自穩能力和支護的共同作用保持其穩定。由于其大多處于深埋、節理裂隙發育、地應力高和地下水豐富等復雜地質條件下，施工工況復雜，力學參數難以確定，故需要在工程相關部位埋設監測儀器進行安全監測以獲取建筑物性狀變化的實際信息，并將其及時反饋到設計和施工中，以起到校核設計、指導施工的作用，及時準確地監測、預報地下工程施工期和運行期的安全。筆者針對水電地下工程安全監測設計的基本程序進行了闡述。

2 水電地下工程安全監測設計包括的主要內容

2.1 監測設計原則

水電地下工程安全監測設計主要是在圍巖條件和工況預測的基礎上，以監測施工期圍巖穩定性和支護結構的工作狀態為目的進行設計，其安全監測設計的原則主要有以下幾點：

(1)根據預測模型要求，確定監測項目，布置監測斷面和測點。監測儀器的布置應注意時空關系，以確保其能控制工程的關鍵部位。

(2)為實時監測圍巖及支護結構性狀的變化，對具備預埋條件的部位應盡量利用其附近的鉆孔預埋監測儀器；對于不具備預埋條件的部位亦應緊跟掌子面及時埋設。

(3)安全監測設計應與工程設計保持統一同步、分階段進行設計。在設計中，應在隨機測點、測孔、儀器的數量上留有余地，以便在工程施工過程中針對可能出現的特殊情況、新問題進行補充修改，彌補不足。

(4)應統籌兼顧、合理安排施工期與運行期的監測設計，確定哪些項目僅用于施工期，哪些項目可以在施工期和運行期同時兼用。

(5)設計方案中，要在采用儀器監測為主的同時，輔以人工巡視的監測方法，以彌補儀器不能完全覆蓋的不足。

(6)采用自動化監測時，應考慮保留人工觀測措施，以確保任何情況下均能夠進行實時、連續監測。

2.2 主要監測內容

地下工程在施工前期、施工期、運行期的主要監測內容包括以下幾部分。

(1)前期監測。

前期監測主要是利用勘探平洞和原位模型試洞進行。在勘探平洞開挖時，可進行位移、應力監測及聲波等測試，或試驗研究巖體的力學參數，建立計算模型。利用原位模型試洞可進行系統的位移、應力、圍巖松動范圍的監測及聲波測試，反演巖體力學參數，建立計算模型，為地下洞室穩定性研究、支護提供依據。

(2)施工期監測。

對圍巖和支護進行位移、應力、應變、裂縫開合、地下水、爆破影響和環境等項內容的監測，并將監測結果及時反饋，以保證施工安全和修改設計、指導施工。

(3)運行期監測。

對圍巖及支護、襯砌體與結構物進行現場監測，以起到監測工程安全性、檢驗設計正確性的目的，為開展地下工程技術研究積累資料。

2.3 監測設計所需的資料

應針對工程規模、不同設計階段以及關鍵問題等收集以下安全監測設計所需的資料。

2.3.1 地質資料

地下工程安全監測設計所需要的地質資料包括：(1)含縱、橫剖面圖、鉆孔柱狀圖及平洞展示圖的地質報告；(2)結構面的統計資料，節理裂隙玫瑰圖；(3)圍巖分類，軟弱結構面性狀；(4)地震烈度；(5)地下水分布；(6)洞室穩定性評價。

2.3.2 試驗資料

主要包括巖體及圍巖力學試驗參數，軟弱結構面力學參數以及模型試驗研究報告。

2.3.3 建筑物設計資料

建筑物設計資料主要包括：(1) 地下洞室布置圖(包括各種平面、縱剖面、橫剖面等)；(2) 地下洞室圍巖穩定分析計算與評價，支護結構設計，開挖方法及施工程序等；(3)各種數值計算資料(包括地應力場分析、滲流場有限元、邊界元等計算成果)。

2.3.4 水文氣象及其他資料

降雨量、水位、氣溫等與監測設計有關的其他資料。

2.4 監測項目與監測儀器

在地下工程安全監測設計中，應根據監測分類和監測目的的需要確定監測項目、監測內容以及所需的監測儀器。具體內容見表1。

2.4.1 監測項目的選擇

監測項目的選擇應以工程條件確定之后所進行的工程性狀預測為基礎，同時考慮下述原則。

(1)根據監測目的分別選定重點項目，一般應以能監控影響安全的主要因素為目的選定。

(2)根據工程階段分別選定。施工期，在充分利用永久性觀測項目的基礎上，補選一些能為施工安全監控快速獲取資料的項目。運行階段，應根據工程可能的運行性狀選擇監測項目，對于問題明確的，可有針對性地選擇項目。

(3)根據工程的規模、等級(重要性)、經費的承受能力等因素綜合確定。在滿足需要的前提下，項目力求精簡。

(4)根據覆蓋層的厚度、巖性及斷裂構造、巖體變形、破壞機制、支護方式選取監測項目。

2.4.2 監測儀器的選擇

儀器選型應根據以下原則進行。

(1)根據所確定的監測項目選擇相應的儀器，儀器數量宜少而精；

(2)監測儀器的精度和量程應滿足具體工程要求，該要求應根據巖性、計算值或模型試驗值的最大和最小值確定儀器的精度和量程；

(3)儀器應準確可靠，堅固耐用，能夠在潮濕甚至涌水、爆破震動和粉塵等惡劣環境下工作；

(4)儀器應輕便，布置簡單，埋設安裝快捷，操作讀數方便，占用掌子面時間短，對施工干擾少。

2.5 監測斷面的布置

根據工程地質條件和監測項目內容布置監測斷面，布置要點如下：

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

(2)監測斷面的布置應合理并注意時空關系。采取表面與深部結合、重點與一般結合、局部與整體結合，一定要使測網、斷面、測點形成一個系統，能控制整個工程的各關鍵部位。

(3)在斷面的選擇上，應注意洞室埋深、巖體結構特性、圍巖性態、結構物尺寸及形狀、可能的變形及應力以及施工方法、工序等。

(4)監測斷面可分為主斷面和輔助斷面，主斷面可埋設多種儀器，進行多項監測；在主斷面附近設輔助斷面，輔助斷面埋設的儀器少，僅用于監測個別特征參數，其目的是保證重點，簡化工作面，降低費用。

(5)觀測斷面上測點的布置應根據圍巖性態變化的分布規律、結構物的尺寸與形狀以及預測的變形和應力等物理量分布特征進行布置。測點數量應在考慮均勻分布、結構特性和地質代表性的基礎上根據其變化梯度進行確定。對于梯度大的部位，點距要?。惶荻刃〉牟课?，點距要大。

3 地下工程安全監測設計之監測項目和監測儀器選型實例

(1)瀑布溝水電站地下工程。

主要監測項目設計：引水系統進水口山體邊坡觀測，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 監測項目一覽表

表2 瀑布溝水電站地下工程監測項目與監測儀器一覽表

(2)白鶴灘水電站左岸地下工程。

施工期主要監測項目設計：進水口邊坡、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、排風連接平洞1#施工支洞、尾水管1#/2#施工支洞等。監測項目分必測項目和選測項目，必測項目包括：現場巡視檢查，表面裂縫監測，洞室收斂監測；選測項目包括：圍巖內部變形監測，圍巖壓力、接觸應力、錨桿應力監測等(表3)。

4 監測設計方案的優化

工程安全監測設計應提交的資料：工程安全監測設計的內容項目、設計工作大綱、儀器選型、監測斷面布置及其設計說明、施工組織設計圖、技術要求、概預算、監測合同文件等。

在施工過程中，按照規范中觀測周期的要求進行觀測并及時整理監測資料，發現數據錯誤時應及時改正或補測，對原始數據要去偽存真、計算、分析并繪制觀測量與時間、深度曲線，及時將監測得到的信息進行反饋，根據反饋內容及時修正設計、指導施工，以確保地下洞室圍巖的穩定和安全。所反饋的內容應包括以下幾個方面：

表3 金沙江白鶴灘水電站左岸地下工程施工期監測項目與監測儀器一覽表

(1)要求對圍巖失穩時發出警報。

(2)根據監測資料，修正原設計并調整支護及整個施工方案。

(3)利用監測信息，反饋力學參數、模型，進一步優化設計。

(4)對圍巖穩定性和支護做出正確的定量評價，驗證理論計算及模型試驗結果。

4 結 語

水電工程設計自采用新的可靠度設計理論與方法以來，安全監測已成為提供設計依據、優化設計和可靠度評價不可缺少的手段，亦是工程設計、施工質量控制的重要手段。地下工程的失穩破壞是從漸變到突變的發展過程，單憑人們的直覺是難以發現的，因此，必須依靠合理布置的精密監測儀器進行周密的監測。要做到這一點，就要作出符合實際情況的監測設計，確定監測項目，選擇儀器型號，合理布置儀器，精心埋設儀器，按規范觀測、采集數據，及時計算并分析整理觀測資料，建立高效完善的計算機動態信息分析管理系統，使監測自動化，對監測部位可能出現的危險情況作出準確、快速、及時的預報?；谝陨蠋c，筆者結合具體的工程實例，闡述了水電地下工程安全監測設計的基本內容，以期引起各方重視。

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

[2] 魏 平，等. 混凝土工程安全監測， 水利水電施工技術全書. 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計、監測設計與招投標施工組織設計等工作.