抽水蓄能電站地下廠房監測設計分析

劉寶昕

（中國電建集團北京勘測設計研究院有限公司，北京100024）

1 地下廠房系統

1.1 特點

地下廠房系統一般包括主廠房、副廠房、安裝間、主變洞、母線洞、交通洞、通風洞、排水廊道、排風豎井、開關站等建筑物。多個洞室匯集在一起，巖石挖空率高，主要洞室跨度大，邊墻高，且上、下重疊，互相貫通，結構極為復雜，地下廠房系統穩定性取決于圍巖本身的物理力學特性及自穩能力和支護后的綜合特性。

由于圍巖存在節理裂隙、地應力和地下水，經開挖擾動后，圍巖應力場重分布、地下水系發生變化，圍巖的自穩能力降低，因此需通過安全監測獲取地下廠房性狀變化的實際信息。

1.2 監測目的

廠房系統監測目的主要包括以下幾個方面：一是掌握廠房系統的運行狀況，為各種工況下的廠房系統工程性態評價，以及在施工期、初蓄期和運行期，對工程安全的連續評估提供所需的監測數據資料，及時掌握和提供工程物理量定量的變化信息和廠房系統及地質體的工作狀態。二是驗證廠房系統設計，了解設計的合理程度，為優化洞室支護結構型式、調整支護參數及改進施工工藝和設計方案提供依據。在施工期隨施工過程所取得的監測資料，有助于工程設計的驗證與調整，通過工程原型實測數據與理論計算及試驗預計的工程特性指標的對比分析，便于掌握工程設計的合理程度及進行設計修改，同時提供反分析、敏感性分析所需的重要依據。三是改進分析技術，使各種設計參數的選擇更趨于經濟、合理。四是指導施工及改進施工技術，對可能危及工程安全的初期或發展過程中的險情及未來性態，作出預測、預報，從而保證及時采取相應的工程安全措施。

1.3 監測設計依據

準確地說，目前沒有專門的廠房監測設計規范。地下廠房監測設計依據是相關的設計規范，包括《水電站廠房設計規范》《水電站地下廠房設計規范》《地下廠房巖壁吊車梁設計規范》《抽水蓄能電站設計規范》《水利水電工程安全監測設計規范》等，但上述規范核心并不在廠房監測設計，僅僅對相關內容簡單提及，作了寬泛的、定性的、原則性的描述。實際上，目前廠房監測設計主要是根據已建工程經驗，結合工程地質情況，以及廠房系統圍巖穩定分析、滲流場計算分析等計算結果，進行監測項目選擇和監測儀器布置。

1.4 監測設計原則

廠房安全監測設計斷面選擇和儀器布置宜少而精，達到監測目的即可。監測設計原則主要包括以下幾個方面：

一是應統籌考慮施工期、初蓄期和運行期廠房系統的監測設計，建立全階段數據傳遞關系，確保監測資料連續性和完整性。

二是緊密結合工程的特點和關鍵性技術問題，有針對性地選擇監測項目和工程部位，并與施工程序密切結合進行監測設計，通過代表性監測及輔助監測設施，能夠系統全面、及時地監控工程的工作狀況。

三是監測斷面（包括廠房縱監測斷面、橫監測斷面、主監測斷面以及輔助監測斷面）和監測項目的選擇應重點突出、兼顧全面，能夠相互補充、校驗，并結合相關規范規定，參照已建工程實踐經驗，根據工程建筑物級別、重要性、設計計算、模型試驗成果等方面的要求確定。

四是監測儀器的布置，根據工程特點，選擇代表性斷面或部位進行重點監測，相關項目統籌安排，配合設置，對于地質條件和結構薄弱環節，采用多種手段和方式，以便相互補充，互相校核和驗證，使監測儀器的布置達到在整體上監控工程實際運行狀況的目的。

五是儀器設施的選擇，密切結合工程的具體條件，根據建筑物結構設計與分析計算成果，首先是滿足工程安全監測目的的要求，在實用、可靠、耐久、經濟的前提下，盡可能減少設置儀器測量方式的種類，以利于永久監測和自動化監測系統的實施和管理。

六是除部分必須由人工測量實現監測的項目外，對于其它監測項目，其監測儀器設備的選型和布置，均要有利于監測自動化系統的建立。

2 監測設計方法

地下廠房系統重點監測部位包括廠房圍巖、支護結構、巖壁吊車梁、洞室交叉口及敏感區，監測項目包括變形監測、滲流監測、應力應變、溫度監測、振動監測等。

選擇某抽蓄電站地下廠房為例，裝機規模為120 萬kW（30 萬kW×4 臺），地下廠房由主機間、安裝場和主廠房組成，呈“一”字形布置?？傞_挖尺寸為163.5 m×24.5 m×54.5 m（長×寬×高，下同），主變洞平行布置在主廠房下游側，總開挖尺寸為151.4 m×21.0 m×22.0 m。環繞主廠房、主變洞設有上、中、下三層排水廊道。該抽蓄電站的裝機規模、廠房洞室布置形式較為常見，有一定代表性，以此為例進一步闡釋廠房系統監測設計。

2.1 圍巖監測

2.1.1 變形監測

圍巖變形監測包括圍巖收斂變形、圍巖內部變形、圍巖松弛區范圍和深度等，以及圍巖與支護結構和巖壁吊車梁等結構間的縫隙開合度等。根據地下洞室規模、支護結構特點及地質條件，選擇高邊墻、貫穿高邊墻的洞室及其洞口段、相鄰洞室間的薄體巖壁、圍巖結構面不利組合部位、巖壁吊車梁巖臺區等部位布置儀器?？衫迷缙陂_挖的附屬洞室，提前布置主體洞室的監測儀器，監測主洞室圍巖開挖爆破過程中巖體變化全過程。

地下廠房變形通常采用內空收斂測點、多點位移計、錨桿應力計組合方式進行監測，較少的抽蓄電站也會采用其他監測儀器。例如惠州抽水蓄能電站，利用廠房頂部探洞及尾調通風洞向廠房布置滑動測微計和鉆孔測斜儀，分別監測洞室頂拱圍巖巖體軸向變形和邊墻穩定情況[2]。但根據深圳抽蓄電站安裝滑動測微計經驗，滑動測微計安裝精度要求高，工序繁多，采用宜慎重[3]。

多點位移計用于觀測巖體內部測點間沿鉆孔軸向的相對位移，是最為常用的洞室變形監測儀器。根據典型斷面的選擇，布置于拱頂、拱座、邊墻巖壁吊車梁附近，以及母線洞等挖空率較高部位的上方巖體。如具備條件，多點位移計宜采用預埋的方式，在主洞室開挖前埋設，確不具備條件，可隨廠房洞室開挖進行埋設。多點位移計測點數量應根據圍巖變形梯度、巖體結構和斷層部位等確定，一般4個以上測點為宜，其中，最深測點距洞壁大于一倍以上洞跨，或超出計算的開挖卸荷影響范圍，可視為不動點，其他測點向洞壁方向由疏到密布置，具體點位根據鉆孔地質描述進行調整。

內控收斂監測是利用收斂計或全站儀等測量洞室圍巖表面兩點（埋設的內控收斂測點）連線方向的相對位移，即收斂值，監測拱頂下沉、邊墻間距離變化等變形情況，主要觀測洞室圍巖支護前的初期變形。收斂測點裝置根據典型斷面的選擇，布置在多點位移計附近，既監測圍巖內空收斂變形情況，又可利用其監測成果對多點位移計變形進行校核與修正。也存在個別工程取消廠房及主變室的凈空收斂監測，而補充增加多點位移計和錨桿應力計進行變形監測。例如荒溝抽水蓄能電站，因廠房及主變室大跨度、高邊墻結構，收斂監測難度大，施工期測樁已損壞且保護困難，而取消了收斂變形監測[4]。

2.1.2 應力監測

圍巖應力的監測主要是觀測圍巖初始應力變化和二次應力的形成與變化過程，用測得的應力信息反饋分析初始應力場。主要通過埋入圍巖內部的應力計或應變計觀測。監測儀器一般布置在地質條件較為復雜、圍巖應力相對集中的部位，沿徑向和切向布置，埋設時多采用鉆孔方式。選擇在廠房圍巖布置應力計，以分析應力場的抽蓄電站，通過錨桿應力計來進行圍巖應力場分析。

2.1.3 滲流監測

地下水監測也是重要監測項目。由于山體地下水、引水系統滲漏水、庫區滲水等原因，地下廠房圍巖會產生滲水。為快速有效排除圍巖滲水，通常環繞主副廠房、主變室等主要洞室，設置有3層排水廊道和排水孔組成的空間立體排水網，必要時，采用防滲帷幕、廠外排水系統和廠內排水系統相結合的防滲排水方案，或專門研究處理。為了監測防滲排水效果，需要對洞室圍巖滲透壓力和滲流量進行監測，通常采用滲壓計、測壓管、量水堰組合的方式予以實現。通常鉆孔埋設滲壓計監測圍巖滲透壓力；利用排水廊道布設測壓管監測帷幕防滲及排水廊道的排水效果；在排水廊道和集水井內布設量水堰監測廠房系統滲流量。

根據典型斷面的選擇，結合多點位移計、錨桿應力計的布置，滲壓計常布置于主廠房頂拱、上下游邊墻吊車梁、上游邊墻中下部，主變室頂拱、下游邊墻。一個典型橫斷面布置6支滲壓計，布置方式較為精簡高效，豐寧抽蓄、文登抽蓄等采用此種布置方式[5]。但不同的設計單位有著各自的設計理念和習慣，布置方式也不一?；溉食樾钤谥鲝S房下游邊墻和主變室上游邊墻未設置滲壓計，一個橫斷面布置9支滲壓計[6]；天荒坪抽蓄則采取主廠房和主變室皆對稱布置滲壓計形式，一個橫斷面布置多達15支滲壓計。

測壓管通過排水廊道平行廠房邊墻向下鉆孔埋設，埋設深度結合廠房滲流計算確定，目前，采用此種方式監測滲流的抽蓄工程不多，取而代之的是在主廠房上游邊墻和主變洞下游邊墻多布置滲壓計。因為相比較，鉆孔埋設滲壓計的方式施工簡單、方便，且能達到相同目的。

2.2 支護結構監測

地下廠房支護型式和參數通常參照規范、工程地質條件和類似工程的建設經驗來選擇，并通過三維有限元計算進行驗證。支護結構型式常以錨噴支護為主，對小斷層和裂隙面采用預應力錨桿進行縫合加固，大斷層和節理密集帶采用預應力錨索加固。因此，支護結構的監測主要是錨桿應力和錨索測力計；當洞室頂拱設置鋼筋混凝土襯砌結構且必要時，進行鋼筋應力和混凝土應變監測。

錨桿應力計用于測量圍巖支護錨桿的軸向應力，錨桿應力計的布置原則與多點位移計布置原則相同，根據監測錨桿長度選擇應力計的布置數量，一般4 m 以下錨桿布置1 支錨桿應力計；4～8 m 錨桿布置2 支錨桿應力計；8 m 以上錨桿布置3～4 支錨桿應力計。

錨索測力計用于監測錨索對巖體或支柱與地下廠房中的支架以及大型預應力鋼筋混凝土結構的荷載，簡言之，監測錨索錨固力及鎖定后可能的荷載損失率。布置于有支護錨索的洞室，宜布置于圍巖內部變形和支護錨桿應力監測點附近，布置數量一般為工作錨索的5%～10%，在關鍵部位或錨索數量較少的情況下，監測比例可適當放大。

2.3 巖壁吊車梁監測

巖壁吊車梁的結構特點是，將吊車輪壓荷載，經懸吊錨桿和梁底巖臺傳遞給洞壁圍巖，監測典型斷面布置于廠房安裝間與交通洞交叉段、廠房圍巖受斷層切割處等部位，監測項目選擇包括懸吊錨桿應力、梁體與圍巖的接縫開合變形、梁體結構的應力應變、壁座的壓應力、梁體變形等。巖壁吊車梁典型監測布置，見圖1。

圖1 巖壁吊車梁典型監測布置圖

錨桿應力計監測錨桿受力情況。巖壁吊車梁通常設置2 排上傾的受拉錨桿，1 排下傾的受壓錨桿，3 排錨桿都需進行應力監測。根據受拉錨桿長度沿深度方向每根設置3～4 支錨桿應力計，其中最上排錨桿中1 支錨桿應力計常布置于梁體內，了解錨桿在梁體內受力情況；而下傾受壓錨桿，常沿深度方向在錨入巖石部分每根設置2 支錨桿應力計。圖示為常規布置方式，不同的錨固形式也采用不同的監測布置方式。如溧陽抽蓄電站，由于廠房地質條件較差，在巖壁吊車梁受拉錨桿和受壓錨桿間過渡區，增加了一排水平向錨桿，監測布置時在水平向錨桿也布置了1 支錨桿應力計[7]。

壓應力計監測壁座受壓應力情況。根據梁體結構應力計算成果布置在受力最敏感部位，通常在壁座表面布置2～3 支壓應力計。

單向測縫計監測梁體與巖壁之間的接縫開合度。根據巖壁吊車梁規模，常在梁體與巖壁立面接合部位的上部和下部分別設置1 支測縫計，在梁體與壁座中上部垂直巖壁設置1 支測縫計。

鋼筋計、應變計組及無應力計監測梁體結構應力應變情況。鋼筋計監測梁體鋼筋應力，應變計組和無應力計監測梁體混凝土應力應變。鋼筋計常布置于梁頂軌道附近的縱向筋和環向筋，以及梁體巖壁側縱向筋和環向筋上；應變計組和無應力計根據吊車梁規模而定，一般不設置，如設置，常布置在梁體中部和牛腿區域，如溧陽抽蓄電站，在吊車梁中部布置了四向應變計組和無應力計。

3 結語

文中對抽蓄電站廠房監測設計工作進行系統性思考，借鑒10 余座抽蓄電站廠房監測設計工程實踐，總結提出了廠房系統監測設計方法，對監測項目選擇的原因進行理論分析，為類似工程安全監測設計提供參考。此外，關于廠房監測設計，有以下幾點建議或想法：

1）在開展廠房監測設計工作時，各設計院在監測部位和典型斷面選擇上基本一致，但在儀器的種類及數量和位置的選擇上有一定的差異性，主要原因在于各自的設計理念或習慣不同，應對已建電站和在建電站加以總結，制定專門的廠房監測設計規范，以指導和規范廠房監測設計工作。

2）監測儀器選擇和布置應做到少而精，突出重點，相互驗證，不應求全、求多、求新。

3）應加強施工期監測數據采集和資料分析，切實發揮優化設計和指導施工的作用。