水电地下工程安全监测设计要点

刘 媛

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水电地下工程安全监测设计要点

刘 媛

(中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610081)

水电地下工程安全监测设计主要是通过对地下工程的地质条件、施工期围岩稳定性分析并根据临时和永久建筑物的级别、作用、荷载、重要性等情况，依据安全监测设计的基本原则和标准，设计并确定安全监测的项目内容、选择仪器的型号和数量、布置监测断面及测点，绘制监测设计施工图，提供监测设计方案资料，及时开展地下工程安全监测施工。

水电地下工程；安全监测设计；监测项目；监测仪器；监测断面布置

1 概 述

地下工程修建在地应力场、由岩石和各种结构面组合的天然岩体中，依靠围岩本身的力学特性及自稳能力和支护的共同作用保持其稳定。由于其大多处于深埋、节理裂隙发育、地应力高和地下水丰富等复杂地质条件下，施工工况复杂，力学参数难以确定，故需要在工程相关部位埋设监测仪器进行安全监测以获取建筑物性状变化的实际信息，并将其及时反馈到设计和施工中，以起到校核设计、指导施工的作用，及时准确地监测、预报地下工程施工期和运行期的安全。笔者针对水电地下工程安全监测设计的基本程序进行了阐述。

2 水电地下工程安全监测设计包括的主要内容

2.1 监测设计原则

水电地下工程安全监测设计主要是在围岩条件和工况预测的基础上，以监测施工期围岩稳定性和支护结构的工作状态为目的进行设计，其安全监测设计的原则主要有以下几点：

(1)根据预测模型要求，确定监测项目，布置监测断面和测点。监测仪器的布置应注意时空关系，以确保其能控制工程的关键部位。

(2)为实时监测围岩及支护结构性状的变化，对具备预埋条件的部位应尽量利用其附近的钻孔预埋监测仪器；对于不具备预埋条件的部位亦应紧跟掌子面及时埋设。

(3)安全监测设计应与工程设计保持统一同步、分阶段进行设计。在设计中，应在随机测点、测孔、仪器的数量上留有余地，以便在工程施工过程中针对可能出现的特殊情况、新问题进行补充修改，弥补不足。

(4)应统筹兼顾、合理安排施工期与运行期的监测设计，确定哪些项目仅用于施工期，哪些项目可以在施工期和运行期同时兼用。

(5)设计方案中，要在采用仪器监测为主的同时，辅以人工巡视的监测方法，以弥补仪器不能完全覆盖的不足。

(6)采用自动化监测时，应考虑保留人工观测措施，以确保任何情况下均能够进行实时、连续监测。

2.2 主要监测内容

地下工程在施工前期、施工期、运行期的主要监测内容包括以下几部分。

(1)前期监测。

前期监测主要是利用勘探平洞和原位模型试洞进行。在勘探平洞开挖时，可进行位移、应力监测及声波等测试，或试验研究岩体的力学参数，建立计算模型。利用原位模型试洞可进行系统的位移、应力、围岩松动范围的监测及声波测试，反演岩体力学参数，建立计算模型，为地下洞室稳定性研究、支护提供依据。

(2)施工期监测。

对围岩和支护进行位移、应力、应变、裂缝开合、地下水、爆破影响和环境等项内容的监测，并将监测结果及时反馈，以保证施工安全和修改设计、指导施工。

(3)运行期监测。

对围岩及支护、衬砌体与结构物进行现场监测，以起到监测工程安全性、检验设计正确性的目的，为开展地下工程技术研究积累资料。

2.3 监测设计所需的资料

应针对工程规模、不同设计阶段以及关键问题等收集以下安全监测设计所需的资料。

2.3.1 地质资料

地下工程安全监测设计所需要的地质资料包括：(1)含纵、横剖面图、钻孔柱状图及平洞展示图的地质报告；(2)结构面的统计资料，节理裂隙玫瑰图；(3)围岩分类，软弱结构面性状；(4)地震烈度；(5)地下水分布；(6)洞室稳定性评价。

2.3.2 试验资料

主要包括岩体及围岩力学试验参数，软弱结构面力学参数以及模型试验研究报告。

2.3.3 建筑物设计资料

建筑物设计资料主要包括：(1) 地下洞室布置图(包括各种平面、纵剖面、横剖面等)；(2) 地下洞室围岩稳定分析计算与评价，支护结构设计，开挖方法及施工程序等；(3)各种数值计算资料(包括地应力场分析、渗流场有限元、边界元等计算成果)。

2.3.4 水文气象及其他资料

降雨量、水位、气温等与监测设计有关的其他资料。

2.4 监测项目与监测仪器

在地下工程安全监测设计中，应根据监测分类和监测目的的需要确定监测项目、监测内容以及所需的监测仪器。具体内容见表1。

2.4.1 监测项目的选择

监测项目的选择应以工程条件确定之后所进行的工程性状预测为基础，同时考虑下述原则。

(1)根据监测目的分别选定重点项目，一般应以能监控影响安全的主要因素为目的选定。

(2)根据工程阶段分别选定。施工期，在充分利用永久性观测项目的基础上，补选一些能为施工安全监控快速获取资料的项目。运行阶段，应根据工程可能的运行性状选择监测项目，对于问题明确的，可有针对性地选择项目。

(3)根据工程的规模、等级(重要性)、经费的承受能力等因素综合确定。在满足需要的前提下，项目力求精简。

(4)根据覆盖层的厚度、岩性及断裂构造、岩体变形、破坏机制、支护方式选取监测项目。

2.4.2 监测仪器的选择

仪器选型应根据以下原则进行。

(1)根据所确定的监测项目选择相应的仪器，仪器数量宜少而精；

(2)监测仪器的精度和量程应满足具体工程要求，该要求应根据岩性、计算值或模型试验值的最大和最小值确定仪器的精度和量程；

(3)仪器应准确可靠，坚固耐用，能够在潮湿甚至涌水、爆破震动和粉尘等恶劣环境下工作；

(4)仪器应轻便，布置简单，埋设安装快捷，操作读数方便，占用掌子面时间短，对施工干扰少。

2.5 监测断面的布置

根据工程地质条件和监测项目内容布置监测断面，布置要点如下：

(1)监测断面的布置应按工程需要、地质条件以及施工条件选择具有代表性的断面，通常按洞室的稳定性可分为系统布置与随机布置；按工程部位可分为对称型、非对称型以及局部型布置。

(2)监测断面的布置应合理并注意时空关系。采取表面与深部结合、重点与一般结合、局部与整体结合，一定要使测网、断面、测点形成一个系统，能控制整个工程的各关键部位。

(3)在断面的选择上，应注意洞室埋深、岩体结构特性、围岩性态、结构物尺寸及形状、可能的变形及应力以及施工方法、工序等。

(4)监测断面可分为主断面和辅助断面，主断面可埋设多种仪器，进行多项监测；在主断面附近设辅助断面，辅助断面埋设的仪器少，仅用于监测个别特征参数，其目的是保证重点，简化工作面，降低费用。

(5)观测断面上测点的布置应根据围岩性态变化的分布规律、结构物的尺寸与形状以及预测的变形和应力等物理量分布特征进行布置。测点数量应在考虑均匀分布、结构特性和地质代表性的基础上根据其变化梯度进行确定。对于梯度大的部位，点距要小；梯度小的部位，点距要大。

3 地下工程安全监测设计之监测项目和监测仪器选型实例

(1)瀑布沟水电站地下工程。

主要监测项目设计：引水系统进水口山体边坡观测，引水隧洞观测，主副厂房以及安装间、主变室、尾水闸门室观测，尾水隧洞观测，尾水洞出口边坡观测(表2)。

表1 监测项目一览表

表2 瀑布沟水电站地下工程监测项目与监测仪器一览表

(2)白鹤滩水电站左岸地下工程。

施工期主要监测项目设计：进水口边坡、压力管道、主/副厂房、母线洞、引水上平段支洞、引水下平段1#/2#施工支洞、排风连接平洞1#施工支洞、尾水管1#/2#施工支洞等。监测项目分必测项目和选测项目，必测项目包括：现场巡视检查，表面裂缝监测，洞室收敛监测；选测项目包括：围岩内部变形监测，围岩压力、接触应力、锚杆应力监测等(表3)。

4 监测设计方案的优化

工程安全监测设计应提交的资料：工程安全监测设计的内容项目、设计工作大纲、仪器选型、监测断面布置及其设计说明、施工组织设计图、技术要求、概预算、监测合同文件等。

在施工过程中，按照规范中观测周期的要求进行观测并及时整理监测资料，发现数据错误时应及时改正或补测，对原始数据要去伪存真、计算、分析并绘制观测量与时间、深度曲线，及时将监测得到的信息进行反馈，根据反馈内容及时修正设计、指导施工，以确保地下洞室围岩的稳定和安全。所反馈的内容应包括以下几个方面：

表3 金沙江白鹤滩水电站左岸地下工程施工期监测项目与监测仪器一览表

(1)要求对围岩失稳时发出警报。

(2)根据监测资料，修正原设计并调整支护及整个施工方案。

(3)利用监测信息，反馈力学参数、模型，进一步优化设计。

(4)对围岩稳定性和支护做出正确的定量评价，验证理论计算及模型试验结果。

4 结 语

水电工程设计自采用新的可靠度设计理论与方法以来，安全监测已成为提供设计依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段，亦是工程设计、施工质量控制的重要手段。地下工程的失稳破坏是从渐变到突变的发展过程，单凭人们的直觉是难以发现的，因此，必须依靠合理布置的精密监测仪器进行周密的监测。要做到这一点，就要作出符合实际情况的监测设计，确定监测项目，选择仪器型号，合理布置仪器，精心埋设仪器，按规范观测、采集数据，及时计算并分析整理观测资料，建立高效完善的计算机动态信息分析管理系统，使监测自动化，对监测部位可能出现的危险情况作出准确、快速、及时的预报。基于以上几点，笔者结合具体的工程实例，阐述了水电地下工程安全监测设计的基本内容，以期引起各方重视。

[1] 二滩水电开发有限责任公司.岩土工程安全监测手册[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

[2] 魏 平，等. 混凝土工程安全监测， 水利水电施工技术全书. 混凝土工程(第十一册)[M]. 北京：中国水利水电出版社，2015.

(责任编辑：李燕辉)

2016-10-10

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1001-2184(2017)01-0100-05

刘 媛(1982-)，女，四川遂宁人，副处长，工程师，硕士，从事水利水电工程设计、监测设计与招投标施工组织设计等工作.