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来源：职称驿站所属分类：电力论文 发布时间：2013-02-17浏览：26次
摘 要：鲁地拉水电站地下厂房布设的安全监测系统，以围岩位移和锚杆应力为重点，通过施工期大量的监测数据，及时反映了围岩施工期的工作性态，掌握洞室在采用新奥法开挖施工过程中的围岩基本性状及处理决策提供了重要依据，确保了工程的安全可靠，提高施工技术。
关键词：地下厂房,围岩位移,锚杆应力,锚索拉力,安全监测
1工程概况
鲁地拉水电站位于云南省大理州宾川县与丽江地区永胜县交界的金沙江干流上，是金沙江中游河段规划一库八级水电开发方案中的第七个梯级电站，上接龙开口水电站，下邻观音岩水电站。总布置为碾压混凝土重力坝、河床坝身泄水、右岸地下厂房方案，枢纽由左右岸挡水坝、泄水建筑物(河床溢流表孔、底孔)、右岸引水发电系统组成。坝顶高程1228.00m，最大坝高140m，坝顶长622m(含进水口坝段)。
地下厂房内布置6台机组，开挖尺寸为267×29.8×77.2m，最大跨度为29.8m，岩壁梁跨度27.6m;主变洞(长×宽×高)为203.4×19.8×24m;尾水调压室为阻抗式，采用“两机一室一洞”的布置型式，尾水调压室尺寸184×24×75m;尾调后接三条尾水洞，断面采用圆洞型，直径20.7m，洞内设计流速3.83m/s，尾水洞长度分别为419.82、502.50、567.60m。地下厂房、主变洞、尾调三大洞室平行布置，轴线方向均为NE25°，水平埋深190～460m，垂直埋深达140～356m。围岩岩性以J2s—S1青灰色～深灰色变质砂岩夹J2s—S2灰黑色泥质粉砂岩为主，其间穿插有少量正长岩脉，岩脉与围岩接触较好，多呈熔结接触，少量呈裂隙接触。局部为厚约0.5～1m的条带状云煌岩。围岩致密坚硬、岩体结构主要以互层状和中厚层状结构为主，具抗压强度高、弹性模量大、吸水率低等特点，为大重度、高强度岩石，岩石条件优良。对地下厂房主厂房围岩类型划分的结果为：地下厂房顶拱以Ⅲ1～Ⅲ2类围岩为主，占95%，Ⅳ类围岩占5%;上游边墙Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ类围岩分别占27%、33%、34%和6%;下游边墙Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2、Ⅳ类围岩分别占22%、29%、32%和17%;成洞条件较好。
2监测布置
地下厂房系统洞室密集交错，开挖垮度大，挖空率高，开挖过程中应力集中和应力释放显著，围岩容易产生变位和变形，为确保地下洞室施工和运行期间围岩稳定,主厂房、主变室及尾水调压室均设置了必要的观测断面，埋设了多种仪器监测围岩的内部变形，有多点位移计、锚杆应力斗、预应力锚索计等，此外根据洞室开挖揭示的地质情况布置了随机观测点。地下厂房洞室群共布置5个观测断面;其中4个为主观测断面，主要沿1#、3#、4#、6#机组中心线布置，横穿厂房、主变开关室、尾水调压井，另外一个观测断面布于主厂房安装间位置。主要针对围岩稳定与变形及其分布、围岩施工期收敛变形观测、支护效果及其应力分布、支护荷载、渗水渗压等进行观测。洞室断面主要分为两大类，A-A为观测围岩内部和表面位移，有多点位移计观测、收敛成像仪观测、净空人工收敛观测。B-B类其主要布置围岩内部应力应变观测，其主要埋设仪器有两点式锚杆、三点式锚杆、锚索测力计等。
厂房共安装4点式钻孔多点位移计67套，顶拱安装深度(距孔口，下同)分别为：2m、7m、15m、22m，编号分别为1、2、3、4。上下游边墙安装深度分别为：5m、10m、20m、30m。主变室共安装4点式钻孔多点位移计27套，安装深度分别为：2m、7m、15m、22m;编号分别为1、2、3、4。安装直径为32 mm的锚杆应力计381只，直径与施工支护锚杆相同。其中，厂房系统锚杆应力计设置为每套2点的有38只，每套3点的有174只，每套4点的有80只。顶拱及拱角锚杆应力计为2测点分别为1.5m、5.0m深;上下游边墙为3测点分别为1.0m、3.0m、6.0m深;主变室共安装锚杆应力66只。顶拱锚杆应力计设置为每套2测点的分别为1.5m、5.0m深;上下游边墙为3测点分别为1.0m、3.0m、6.0m深; 多点位移计与锚杆应力计典型断面布置图见图1。支护荷载监测根据地下洞室群的预应力锚索布置，选取部分典型锚索测力计监测系统支护情况，锚索测力计布置与多点位移计相对应。
3监测成果分析
3.1顶拱观测成果分析
3.1.1顶拱围岩位移观测成果分析
地下厂房围岩监测垂直洞室轴线共布设五个观测断面(Ⅰ～Ⅴ)主变室共设四个监测断面(Ⅰ～Ⅳ)，其中Ⅱ、Ⅲ监测断面岩质为云煌岩断面。
厂房顶部各个监测断面布置多点位移计3套，其中顶拱1套，上游拱角和下游拱角各1套对称布置。主变室各个监测顶拱布置多点位移计1套。厂房和主变室顶拱围岩变形分布统计见表1，厂房顶拱Ⅳ断面多点位移计过程线图见图2。
厂房各断面顶拱围岩位移在厂房1~8层开挖过程中都有回弹的现象。厂房I断面M402-1-CFA1位移计，位移最大达到1.99mm，之后随着厂房的开挖位移开始回弹，回弹到1.71mm.，随着厂房的开挖，最后测值为1.9m。II断面M402-4-CFA2位移计最大位移达到1.31mm，随着厂房的继续开挖位移开始回弹，回弹到0.98mm，之后随着不断的开挖，位移趋于稳定，最后测值为1.07mm。IV断面M402-3-CFA4位移计测值最大位移达到1.49 mm，然后开始回弹，最大回弹到1.12 mm。之后随着厂房不断的开挖，位移趋于稳定，最后测值为1.17mm。V断面M405-2-CFA5位移计测值最大位移达到1.43mm，随着厂房的下挖开始回弹，最后的测值为1.05 mm。
从以上各多点位移计的变化看，厂房顶拱各断面变形在厂房开挖到三层的时候围岩位移达到最大值，随着4到8层的开挖后出现回弹后又呈现缓慢增加的现象。这主要跟厂房分层开挖密切相关，开挖初期顶拱出现临空，围岩应岩力释放重新分布造成围岩位移迅速增加，随着继续下挖，产生高边墙，高边墙产生挤压力造成顶拱出现小幅回弹，随着继续下挖应力再度重新分配，顶拱围岩位移以较小的变形速率呈现增加的态势。随着停止挖，围岩应力达到均衡，围岩位移趋于稳定。
主变室洞室的开挖过程中，顶拱围岩位移回弹不明显，只有I断面多点位移计M401-2-ZBA1在位移达到最大值1.09mm之后，产生小幅回弹。
主厂房下游拱角(下游偏32°)围岩位移变形要大于上游拱角(上游偏32°)部位围岩位移。主变室围岩位移从I断面(厂右0+036.00)到IV断面(厂右0+164.50)呈现递增的态势。
3.1.2顶拱锚杆应力观测成果分析
厂房顶部拱各个监测断面布置锚杆应力计3套，其中顶拱1套，上游拱角各1套对称布置。主变室各个监测顶拱布置锚杆应力计1套。顶拱锚杆采用的是两测点的锚杆，测点在距孔口1.5m、5m。
厂房和主变室锚杆应力计1.5m(平均97.236MPa)的位置测点的应力要远大于5m (平均62.245MPa)测点的应力。主厂房下游拱座部位锚杆应力值要大于上游拱侧(偏拱顶32°)部位锚杆应力。
3.1.3综合分析
厂房顶拱在分层开挖过程中围岩变形有回弹现象;主变室顶拱回弹现象不明显。厂房和主变室围岩松动范围在2m以内位置;围岩位移大的部位锚杆应力也较大;主厂房下游拱角部位(下游偏32°)围岩位移变形要大于上游拱角(上游偏32°)部位围岩位移。目前厂房和主变室开挖已经结束，该部位顶拱围岩位移逐渐趋于收敛，变形速率较小。顶拱其它各仪器测值走势平稳，厂房、主变室顶拱围岩呈稳定态势。
3.2边墙顶拱观测成果分析
3.2.1边墙顶拱围岩位移观测成果分析
厂房和主变室边墙围岩变形分布表，见下表2
从上表可以看出,厂房下游边墙中部最大,其次为下游边墙中下部,再次为下游边墙拱座处,另外上游边墙底部位也较大;主变室上游边墙下部最大,其次为上游边墙拱座。主变室沿其纵轴线分布相对较均匀。位于厂房中部II~IV监测断面变形要大于监测断面I、Ⅴ变形。主变室上游墙拱座部位围岩平均变形量为40.45mm要远大于下游墙拱座部位平均变形量18.71mm。主变室上游边墙围岩平均位移最大达到67.57mm，这与厂房下游边墙中下部相同高程位移(67.39 mm)相当。
两大洞室在分层开挖过程中，围岩位移曲线大部分呈台阶状，即由于受相临层开挖的影响，围岩变形突然增大，以后又逐渐趋于平稳(厂房、主变室的下游边墙尤为明显)，这类曲线是分层开挖围岩位移变化的主要特点。在开挖过程中，空间效应引起的最大位移主要发生在各支洞与厂房和主变室的交口处，如：下游边墙EL1162.10的M405-CFA2测点在2009年1月～4月第三层岩锚梁拉槽开挖和4#母线洞开挖期间测值变位增量为8.1mm，在2009年5月～7月厂房第四层开挖期间变位增量为3.02mm;下游边墙EL1152.50的M407-CFA5测点最大变位为9.16mm;在2009年5月～7月厂房第四层开挖期间变位增量为8.56mm;此两套仪器测值主要受厂房第三层开挖、四号母线洞开挖、厂房第四层开挖及开挖后岩体应力释放所致。而不是围岩蠕变造成的，所以不会对此部位的围岩产生破坏性作用，但由于变形量较大及局部围岩可能出现松动，开挖过程中支护应及时跟上后位移平稳下来。目前此两套仪器本套仪器测值已趋于稳定变形速率分别是0.027 mm/d和0.009mm/d。厂房位移曲线见图3~图4。
从位移过程曲线看，主厂房各监测部位围岩变形随分层开挖下呈跳跃式增长，大部分曲线明显呈台阶状，空间效应明显。目前两大洞室的支护衬砌均已完成，引起围岩位移变化的主要因素是时空效应，大部分多点位移计变化较为平稳。最大变形主要发生在厂房下游边墙中部。主厂房下游墙中部EL1152.5部位位于母线洞上方，由于母线洞开挖致使下游墙岩体应力进一步释放，主变室上游边墙也是主厂房下游边墙，中间厚度有44m。因此下游墙中部位移变形最大。
3.2.2边墙顶拱锚杆应力观测成果分析
主厂房下游墙中部、中下部锚杆应力值均较大;下游墙中下部锚杆应力值远大于上游墙中部锚杆应力值，是锚杆应力值最大的部位。主变室下游拱座部位锚杆应力要略大于上游拱座部位锚杆应力。上游边墙下部锚杆应力要大于下游边墙下部锚杆应力。从两大洞室的结构上看，厂房下游边墙与主变室上游边墙是应力集中的两大区域，也是锚杆应力最大部位，主要是受母线洞、尾水洞开挖影响，引起表面围岩应力释放，导致锚杆应力较大。拱座处受力比较复杂也是应力较为集中的区域，所以测值也较大;主变室沿其纵轴线分布个别锚杆应力突出。
锚杆主要表现台阶式应力增长，这与多点位移计的变化形式相一致。如：下游墙岩锚梁的(R302- YMLB3)EL1153.40观测锚杆应力最大值为154.64Mpa(埋设深度5.5米);在2009年4月～6月厂房第四层、临近母线洞开挖期间变化量为130.53 Mpa，由于支护比较滞后在开挖过后锚杆应力有明显增加。厂房EL1163.60该断面下游锚杆应力主要表现在EL1163.60(R302-CFB5) ;2#测点(埋设深度：3米) 自2008年12月20～2009年2月三层开挖期间该支锚杆应力变化量为234.05 Mpa;在2009年5月10日四层开挖再次发生突变，其变化量为170.10Mpa(测值至：450.52 Mpa)超设计量程150.52 Mpa;目前厂房该断面EL1163.60以上锚杆应力普遍趋于稳定;厂房锚杆应力曲线见图5~图6。
从应力过程曲线看，锚杆安装完成后，随分层开挖锚杆应力发生跳跃式增长，应力过程线呈台阶状，相邻层开挖完成后，应力增长逐渐趋缓，表明岩体应力增长受开挖影响较为明显。主厂房超量程锚杆应力计共8只，经分析认为，在分层开挖爆破期间，临近掌子面部位埋设的仪器岩体受到扰动，引起围岩应力在短时间内迅速调整，测值发生突变。及时使用新奥法施工，可以减轻支护的承载，增强岩层的稳定性;从测值上看锚杆都发挥了其固结组合和承拱悬吊作用，但大部分锚杆应力小于150MPa，说明锚杆受力不是太大，系统锚杆支护参数是合理的。
3.2. 3边墙锚索观测结果分析
为增强厂房边墙的稳定性，防止不良地质(断层和节理裂隙)对高边墙的影响，增设了锚索进行加固。
大部分锚索荷载应力变化有着相同的规律性，锚索荷载的变化大致分几个阶段，锚索锁定初期锚索荷载有所损失，在部位及临近部位开挖爆破过程中其荷载有所增加。锚索测力计观测荷载增加主要是受爆破的影响，爆破使岩体应力发生变化，对岩体造成扰动，即说明岩体内部有向外移动的现象。见图7
从观测成果来看，厂房锚索荷载大多呈增加现象，主要发生在3-3、4-4监测断面。锚索荷载增加或损失源于爆破开挖及岩体应力自生调整的结果。锚固效果基于监测数据的变化量，厂房监测锚索数据变化在正常范围之内，说明厂房锚固群锚固效果满足设计要求。
主变室锚索锁定初期锚索荷载有所损失，在部位及临近部位开挖其荷载有所增加。厂房锚索观测结果与临近多点位移计相吻合。
3.2.4综合分析
从观测成果来看，多点位移计的位移和锚杆应力的应力，都呈台阶状。这与两大洞室开挖采用新奥法密切相关。新奥法采用喷锚支护为主要手段，可以最大限度地紧跟开挖作业面施工，因此可以利用开挖施工面的时空效应，以限制支护前的变形发展，阻止围岩进入松动的状态，加之喷射混凝土的早强和全面粘结性因而保证了支护的及时性和有效性。
锚杆应力大的部位围岩位移也较大，其锚索荷载也较大;锚杆具有固结组合和承拱悬吊支护的特点;从锚杆应力和位移分布看出围岩松动范围在2m以范围内。锚索锁定初期锚索荷载有所损失，在该部位及临近部位开挖爆破过程中其荷载有所增加，支护后呈稳定状态。多点位移计、锚杆应力计在加强支护后测值均趋于收敛，洞室开挖结束后基本趋于稳定 。总体而言，两大洞室处于稳定的态势。
4.观测成果与分层开挖的关系
在开挖过程中，边墙的锚杆应力随着开挖的深度不断加大，锚杆应力在没有开挖期间有少量回弹，开挖结束后锚杆应力缓慢增加，说明开挖以对锚杆应力的影响较大;主变室的锚杆应力较小，都在70MPa以下, 说明锚杆受力较小，系统锚杆支护参数是合理的。
一般在相临层的开挖引起的围岩变形和锚杆应力变化量最大，但在特殊部位隔层开挖也会引起比相邻层大的变形量。
从大部分多点位移计和锚杆应力计变化的整个过程看，拱顶上仪器，随开挖一直在调整变形和应力大小，从监测结果看大部分边墙上监测仪器一般开挖过后不久即趋于稳定。由空间效应产生的位移及应力相对较大，由蠕变所产生的时间效应并不明显，故可认为开挖后产生的位移基本上是瞬时弹性变形。
此外，分步开挖及以后的锚喷支护，影响应力(位移)曲线的状态，使之呈明显的台阶状曲线。这是大型洞室(地下厂房)分层开挖造成的围岩位移、应力分布的显著特点。
5.术语
鲁地拉地下厂房系统洞室密集 、结构复杂，为了确保工程安全顺利施工 、优化设计 ， 对其实施全面 、系统的安全监测是完全必要的 ，通过四年多的艰辛工作 ，厂房系统埋设了大量 的监测仪器 ，取得了许多宝贵资料，为确保工程安全 、评估施工 、检验设计提供了科学依据 ， 对工程建设起到了极其重要的作用 。
(1)采用新奥法进行开挖施工，开挖后，围岩位移迅速增大，空间效应表现明显，经过支护和围岩本身的应力调整后，在没有明显的地质缺陷的条件下，围岩位移和应力一般在支护后变化逐渐趋缓。围岩位移和锚杆应力曲线呈台阶式分布，是地下洞室分层开挖显著特点，爆破开挖主要是影响相邻的1-2层，影响范围与本身的地质条件、爆破方式和洞室结构有关。
(2)从围岩位移变化、锚杆应力和锚索荷载变化上看，厂房最大围岩位移和最大锚杆应力及锚索荷载均发生厂房下游边墙中部。该部位有母线洞和尾水洞在其下方是应力相对集中的区域。
(3)爆破后喷锚支护及时进行，对限制围岩的松动范围有很大的限制作用，使锚杆最大限度的发挥其锚固悬吊作用。
(4)观测成果之间的相关性较好。围岩位移较大的部位，其锚杆应力值也相应较大，相应部位的锚索测力计荷载测值也较大。
参考文献：
[1]中华人民共和国国家标准，锚杆喷设混凝土支护技术规范(GB50086-2001)，2001年中国计划出版社。
[2]《岩土工程安全监测手册》第二版，2008年中国水利水电出版社出版
《鲁地拉水电站地下厂房系统监测成果分析》
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文章名称： 鲁地拉水电站地下厂房系统监测成果分析
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