抽水蓄能电站地下厂房监测设计分析

2021-02-26刘宝昕

东北水利水电 2021年2期

刘宝昕

（中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京100024）

1 地下厂房系统

1.1 特点

地下厂房系统一般包括主厂房、副厂房、安装间、主变洞、母线洞、交通洞、通风洞、排水廊道、排风竖井、开关站等建筑物。多个洞室汇集在一起，岩石挖空率高，主要洞室跨度大，边墙高，且上、下重叠，互相贯通，结构极为复杂，地下厂房系统稳定性取决于围岩本身的物理力学特性及自稳能力和支护后的综合特性。

由于围岩存在节理裂隙、地应力和地下水，经开挖扰动后，围岩应力场重分布、地下水系发生变化，围岩的自稳能力降低，因此需通过安全监测获取地下厂房性状变化的实际信息。

1.2 监测目的

厂房系统监测目的主要包括以下几个方面：一是掌握厂房系统的运行状况，为各种工况下的厂房系统工程性态评价，以及在施工期、初蓄期和运行期，对工程安全的连续评估提供所需的监测数据资料，及时掌握和提供工程物理量定量的变化信息和厂房系统及地质体的工作状态。二是验证厂房系统设计，了解设计的合理程度，为优化洞室支护结构型式、调整支护参数及改进施工工艺和设计方案提供依据。在施工期随施工过程所取得的监测资料，有助于工程设计的验证与调整，通过工程原型实测数据与理论计算及试验预计的工程特性指标的对比分析，便于掌握工程设计的合理程度及进行设计修改，同时提供反分析、敏感性分析所需的重要依据。三是改进分析技术，使各种设计参数的选择更趋于经济、合理。四是指导施工及改进施工技术，对可能危及工程安全的初期或发展过程中的险情及未来性态，作出预测、预报，从而保证及时采取相应的工程安全措施。

1.3 监测设计依据

准确地说，目前没有专门的厂房监测设计规范。地下厂房监测设计依据是相关的设计规范，包括《水电站厂房设计规范》《水电站地下厂房设计规范》《地下厂房岩壁吊车梁设计规范》《抽水蓄能电站设计规范》《水利水电工程安全监测设计规范》等，但上述规范核心并不在厂房监测设计，仅仅对相关内容简单提及，作了宽泛的、定性的、原则性的描述。实际上，目前厂房监测设计主要是根据已建工程经验，结合工程地质情况，以及厂房系统围岩稳定分析、渗流场计算分析等计算结果，进行监测项目选择和监测仪器布置。

1.4 监测设计原则

厂房安全监测设计断面选择和仪器布置宜少而精，达到监测目的即可。监测设计原则主要包括以下几个方面：

一是应统筹考虑施工期、初蓄期和运行期厂房系统的监测设计，建立全阶段数据传递关系，确保监测资料连续性和完整性。

二是紧密结合工程的特点和关键性技术问题，有针对性地选择监测项目和工程部位，并与施工程序密切结合进行监测设计，通过代表性监测及辅助监测设施，能够系统全面、及时地监控工程的工作状况。

三是监测断面（包括厂房纵监测断面、横监测断面、主监测断面以及辅助监测断面）和监测项目的选择应重点突出、兼顾全面，能够相互补充、校验，并结合相关规范规定，参照已建工程实践经验，根据工程建筑物级别、重要性、设计计算、模型试验成果等方面的要求确定。

四是监测仪器的布置，根据工程特点，选择代表性断面或部位进行重点监测，相关项目统筹安排，配合设置，对于地质条件和结构薄弱环节，采用多种手段和方式，以便相互补充，互相校核和验证，使监测仪器的布置达到在整体上监控工程实际运行状况的目的。

五是仪器设施的选择，密切结合工程的具体条件，根据建筑物结构设计与分析计算成果，首先是满足工程安全监测目的的要求，在实用、可靠、耐久、经济的前提下，尽可能减少设置仪器测量方式的种类，以利于永久监测和自动化监测系统的实施和管理。

六是除部分必须由人工测量实现监测的项目外，对于其它监测项目，其监测仪器设备的选型和布置，均要有利于监测自动化系统的建立。

2 监测设计方法

地下厂房系统重点监测部位包括厂房围岩、支护结构、岩壁吊车梁、洞室交叉口及敏感区，监测项目包括变形监测、渗流监测、应力应变、温度监测、振动监测等。

选择某抽蓄电站地下厂房为例，装机规模为120 万kW（30 万kW×4 台），地下厂房由主机间、安装场和主厂房组成，呈“一”字形布置。总开挖尺寸为163.5 m×24.5 m×54.5 m（长×宽×高，下同），主变洞平行布置在主厂房下游侧，总开挖尺寸为151.4 m×21.0 m×22.0 m。环绕主厂房、主变洞设有上、中、下三层排水廊道。该抽蓄电站的装机规模、厂房洞室布置形式较为常见，有一定代表性，以此为例进一步阐释厂房系统监测设计。

2.1 围岩监测

2.1.1 变形监测

围岩变形监测包括围岩收敛变形、围岩内部变形、围岩松弛区范围和深度等，以及围岩与支护结构和岩壁吊车梁等结构间的缝隙开合度等。根据地下洞室规模、支护结构特点及地质条件，选择高边墙、贯穿高边墙的洞室及其洞口段、相邻洞室间的薄体岩壁、围岩结构面不利组合部位、岩壁吊车梁岩台区等部位布置仪器。可利用早期开挖的附属洞室，提前布置主体洞室的监测仪器，监测主洞室围岩开挖爆破过程中岩体变化全过程。

地下厂房变形通常采用内空收敛测点、多点位移计、锚杆应力计组合方式进行监测，较少的抽蓄电站也会采用其他监测仪器。例如惠州抽水蓄能电站，利用厂房顶部探洞及尾调通风洞向厂房布置滑动测微计和钻孔测斜仪，分别监测洞室顶拱围岩岩体轴向变形和边墙稳定情况[2]。但根据深圳抽蓄电站安装滑动测微计经验，滑动测微计安装精度要求高，工序繁多，采用宜慎重[3]。

多点位移计用于观测岩体内部测点间沿钻孔轴向的相对位移，是最为常用的洞室变形监测仪器。根据典型断面的选择，布置于拱顶、拱座、边墙岩壁吊车梁附近，以及母线洞等挖空率较高部位的上方岩体。如具备条件，多点位移计宜采用预埋的方式，在主洞室开挖前埋设，确不具备条件，可随厂房洞室开挖进行埋设。多点位移计测点数量应根据围岩变形梯度、岩体结构和断层部位等确定，一般4个以上测点为宜，其中，最深测点距洞壁大于一倍以上洞跨，或超出计算的开挖卸荷影响范围，可视为不动点，其他测点向洞壁方向由疏到密布置，具体点位根据钻孔地质描述进行调整。

内控收敛监测是利用收敛计或全站仪等测量洞室围岩表面两点（埋设的内控收敛测点）连线方向的相对位移，即收敛值，监测拱顶下沉、边墙间距离变化等变形情况，主要观测洞室围岩支护前的初期变形。收敛测点装置根据典型断面的选择，布置在多点位移计附近，既监测围岩内空收敛变形情况，又可利用其监测成果对多点位移计变形进行校核与修正。也存在个别工程取消厂房及主变室的净空收敛监测，而补充增加多点位移计和锚杆应力计进行变形监测。例如荒沟抽水蓄能电站，因厂房及主变室大跨度、高边墙结构，收敛监测难度大，施工期测桩已损坏且保护困难，而取消了收敛变形监测[4]。

2.1.2 应力监测

围岩应力的监测主要是观测围岩初始应力变化和二次应力的形成与变化过程，用测得的应力信息反馈分析初始应力场。主要通过埋入围岩内部的应力计或应变计观测。监测仪器一般布置在地质条件较为复杂、围岩应力相对集中的部位，沿径向和切向布置，埋设时多采用钻孔方式。选择在厂房围岩布置应力计，以分析应力场的抽蓄电站，通过锚杆应力计来进行围岩应力场分析。

2.1.3 渗流监测

地下水监测也是重要监测项目。由于山体地下水、引水系统渗漏水、库区渗水等原因，地下厂房围岩会产生渗水。为快速有效排除围岩渗水，通常环绕主副厂房、主变室等主要洞室，设置有3层排水廊道和排水孔组成的空间立体排水网，必要时，采用防渗帷幕、厂外排水系统和厂内排水系统相结合的防渗排水方案，或专门研究处理。为了监测防渗排水效果，需要对洞室围岩渗透压力和渗流量进行监测，通常采用渗压计、测压管、量水堰组合的方式予以实现。通常钻孔埋设渗压计监测围岩渗透压力；利用排水廊道布设测压管监测帷幕防渗及排水廊道的排水效果；在排水廊道和集水井内布设量水堰监测厂房系统渗流量。

根据典型断面的选择，结合多点位移计、锚杆应力计的布置，渗压计常布置于主厂房顶拱、上下游边墙吊车梁、上游边墙中下部，主变室顶拱、下游边墙。一个典型横断面布置6支渗压计，布置方式较为精简高效，丰宁抽蓄、文登抽蓄等采用此种布置方式[5]。但不同的设计单位有着各自的设计理念和习惯，布置方式也不一。桓仁抽蓄在主厂房下游边墙和主变室上游边墙未设置渗压计，一个横断面布置9支渗压计[6]；天荒坪抽蓄则采取主厂房和主变室皆对称布置渗压计形式，一个横断面布置多达15支渗压计。

测压管通过排水廊道平行厂房边墙向下钻孔埋设，埋设深度结合厂房渗流计算确定，目前，采用此种方式监测渗流的抽蓄工程不多，取而代之的是在主厂房上游边墙和主变洞下游边墙多布置渗压计。因为相比较，钻孔埋设渗压计的方式施工简单、方便，且能达到相同目的。

2.2 支护结构监测

地下厂房支护型式和参数通常参照规范、工程地质条件和类似工程的建设经验来选择，并通过三维有限元计算进行验证。支护结构型式常以锚喷支护为主，对小断层和裂隙面采用预应力锚杆进行缝合加固，大断层和节理密集带采用预应力锚索加固。因此，支护结构的监测主要是锚杆应力和锚索测力计；当洞室顶拱设置钢筋混凝土衬砌结构且必要时，进行钢筋应力和混凝土应变监测。

锚杆应力计用于测量围岩支护锚杆的轴向应力，锚杆应力计的布置原则与多点位移计布置原则相同，根据监测锚杆长度选择应力计的布置数量，一般4 m 以下锚杆布置1 支锚杆应力计；4～8 m 锚杆布置2 支锚杆应力计；8 m 以上锚杆布置3～4 支锚杆应力计。

锚索测力计用于监测锚索对岩体或支柱与地下厂房中的支架以及大型预应力钢筋混凝土结构的荷载，简言之，监测锚索锚固力及锁定后可能的荷载损失率。布置于有支护锚索的洞室，宜布置于围岩内部变形和支护锚杆应力监测点附近，布置数量一般为工作锚索的5%～10%，在关键部位或锚索数量较少的情况下，监测比例可适当放大。

2.3 岩壁吊车梁监测

岩壁吊车梁的结构特点是，将吊车轮压荷载，经悬吊锚杆和梁底岩台传递给洞壁围岩，监测典型断面布置于厂房安装间与交通洞交叉段、厂房围岩受断层切割处等部位，监测项目选择包括悬吊锚杆应力、梁体与围岩的接缝开合变形、梁体结构的应力应变、壁座的压应力、梁体变形等。岩壁吊车梁典型监测布置，见图1。

图1 岩壁吊车梁典型监测布置图

锚杆应力计监测锚杆受力情况。岩壁吊车梁通常设置2 排上倾的受拉锚杆，1 排下倾的受压锚杆，3 排锚杆都需进行应力监测。根据受拉锚杆长度沿深度方向每根设置3～4 支锚杆应力计，其中最上排锚杆中1 支锚杆应力计常布置于梁体内，了解锚杆在梁体内受力情况；而下倾受压锚杆，常沿深度方向在锚入岩石部分每根设置2 支锚杆应力计。图示为常规布置方式，不同的锚固形式也采用不同的监测布置方式。如溧阳抽蓄电站，由于厂房地质条件较差，在岩壁吊车梁受拉锚杆和受压锚杆间过渡区，增加了一排水平向锚杆，监测布置时在水平向锚杆也布置了1 支锚杆应力计[7]。

压应力计监测壁座受压应力情况。根据梁体结构应力计算成果布置在受力最敏感部位，通常在壁座表面布置2～3 支压应力计。

单向测缝计监测梁体与岩壁之间的接缝开合度。根据岩壁吊车梁规模，常在梁体与岩壁立面接合部位的上部和下部分别设置1 支测缝计，在梁体与壁座中上部垂直岩壁设置1 支测缝计。

钢筋计、应变计组及无应力计监测梁体结构应力应变情况。钢筋计监测梁体钢筋应力，应变计组和无应力计监测梁体混凝土应力应变。钢筋计常布置于梁顶轨道附近的纵向筋和环向筋，以及梁体岩壁侧纵向筋和环向筋上；应变计组和无应力计根据吊车梁规模而定，一般不设置，如设置，常布置在梁体中部和牛腿区域，如溧阳抽蓄电站，在吊车梁中部布置了四向应变计组和无应力计。