双江口地下洞室群自动监测实时分析与预警系统应用研究

廖鸿江 刘海波 张竣朝

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 611130；2.国能大渡河流域水电开发有限公司，四川成都 610041）

本文将双江口水电站左岸尾调室、主变室、主厂房等三大洞室的局部变形位置作为研究的对象，在采集围岩变形信息时，使用的主要设备为自动化监测设备，使用自动监测实时分析和预警系统实现对其信息的高效分析，获得完善的围岩变形分级预警评价结论，使该区域围岩变形情况得到及时防控。

1 工程概况

双江口水电站位置在四川省阿坝藏族羌族自治州马尔康市和金川县境内，是四川大渡河流域水电梯级开发上游控制性水库工程，包括大坝、泄洪建筑物、引水发电系统等。

水电站的装机容量达2 000 MW，多年平均发电量为77.07 亿kWh。三大洞室群的最大开挖尺寸分别为主副厂房长219.48 m、高65.89 m、跨度28.3 m；主变室158.26 m、高25.39 m、跨度19.49 m；尾水调压室13.79 m、高74.5 m、跨度20 m。

2 双江口地下洞室群自动监测实时分析与预警系统架构

地下洞室群的工程因素和地质环境给工程的施工安全造成严重的影响，地质环境包含的内容有地应力、岩体性质和岩体结构等。工程因素包括的内容有邻近洞室的影响、挖掘施工的程序与方法、洞室断面的大小与形状等。通常情况下，在岩体结构松散、易碎、变形严重和地应力较大的地质环境施工时，施工的风险系数较大。当断面较大时，地下洞室的设计较为复杂，爆破施工使用的炸药剂量增大，导致安全性降低。

双江口地下洞室群自动监测实时分析与预警系统包括数据的采集层、分析层与预警层等三个层面和围岩变形自动采集系统、实时分析系统和自动预警系统等三个系统。

3 围岩变形自动化采集系统

3.1 多点位移计监测

双江口水电站地下洞室群多点位移计型号为VWM型振弦式，位移计的主要成分有PVC护管、信号传输电缆、护罩、护管、护管连接座、不锈钢测杆、锚头、安装基座以及位移传感器等。被测结构物发生位移变形时，多点位移计的锚头将测杆带动起来，测杆在拉动位移计拉杆后，出现位移变形。位移计拉杆的位移变形向振弦传递振应力，使振弦的振动频率发生改变。

3.2 安装多点位移计

（1）安装主厂房多点位移计。

地下厂房中埋设四点式位移计29套，经过上层排水廊道朝安装间与主副厂房埋设位移计14套。

经过中层排水廊道朝主副厂房埋设的位移计有7套，所有的多点位移计监测的数值均为相对位移值。

①2018年2月，安装首套监测仪器M46CF-02，获得基准值，开展土建项目施工，除M43CF-01的1#测点没有读数以外，其他监测点的情况全部正常。

②2018年11月，边墙扩挖爆破对主厂房0+030.02断面造成严重影响，影响深度达到8 m以上，锚杆应力计Rr2CF-01和多点位移计M42CF-01的测量值均出现不同程度的增长。扩挖施工结束以后，监测值基本趋于稳定。

③2018年12月末，开展0+123.6～0+150.66位置处的侧拱肩扩挖施工作业，下游拱脚浅层围岩和0+135.00断面拱顶围岩均存在一定程度的变形情况，多点位移计M46CF-01和多点位移计M46CF-03孔口位移值增大到0.45 cm和0.16 cm。

④采取系统锚杆支护措施以后，下游拱脚浅层围岩和拱顶围岩的变形得到有效缓解。2019年1月初，开展0+097.00～0+116.00位置处的侧拱肩扩挖施工作业，0+135.00断面顶拱位置浅层围岩应力发生明显变化，出现一定程度的松弛变形，多点位移计M46CF-01孔口位移值增加到0.8 cm。

⑤从2019年5月开始，在上游拱肩扩挖的影响下，监测值增加到0.38 cm，如今拱肩扩挖施工已经基本结束，多点位移计M46CF-01和多点位移计M46CF-02受爆破的影响越来越小，仪器监测值逐渐趋于稳定的状态。

⑥现阶段，地下厂房多点位移计的累计位移值保持范围为-0.07～1.5 cm，各个监测点月变化量保持在-0.07～0.2 cm。在两侧拱肩扩挖施工时，位移值增长非常明显，采取锚杆支护措施以后，多点位移计的监测值越来越平稳，从整体的角度分析，该部位多点位移计的累计位移量变化不大。

（2）安装主变室多点位移计。

主变室埋设的四点式位移计共18套，经过上层排水廊道朝主变室预埋的四点式位移计共8套，断面拱顶预埋的四点式位移计共4套，下游边墙位置预埋的四点式位移计共5套，下游拱腰位置预埋的四点式位移计共1套。断面拱顶位置预埋的4套四点式位移计的基准值于2018年7月～2019年10月之间获得。

主变室多点位移计的累计位移处于-0.07～0.5 cm，月变化量的位移值处于-0.03～0.02 cm。2019年6月末，下游侧爆破给位移计的取值造成严重的干扰，使上游拱脚位置预埋的多点位移计M41ZB-02的1#测点位移值出现增长，增长到0.04 cm。下游拱脚位置预埋的多点位移计M41ZB-03的1#、2#测点位移值也出现增长，增长值分别为0.28 cm和0.17 cm。采取持续加密观测处理以后，位移观测值和多点位移计月变化量的变化都较小，近期观测值逐渐趋于平稳的状态。

（3）安装尾调室多点位移计。

尾水调压室内埋设的四点式位移计共22套。其中，需要经过上层排水廊道朝尾水调压室预埋的四点式位移计分别为M44WT-04、M43WT-04、M42WT-04和M41WT-04。

尾水调压室内的多点位移计的累计位移值处于-0.002～0.7 cm范围，月变化量的位移值处于-0.02～0.08 cm范围。该位置的多点位移计月变化量不大，位置观测值趋于平稳。

3.3 多点位移计的信息采集与传输

设备结束数据信息采集以后，借助LAN、通信网络或远程RS485将数据全部传输到项目部的电脑终端中或传输到任何的联网终端设备中，使用数据分析软件在线分析所有数据信息。

采集系统可以对观测数据频率进行及时调整，使重要时段的信息得到及时监测，提升工程整体的可靠性和安全性。将采集软件安装到笔记本电脑上以后，实现对GBMS传输的可视化变形曲线和变形测量数据信息的实时处理，为今后各项工作的开展奠定坚实的基础。

4 围岩变形实时分析系统

4.1 实时分析原理

测量沿着钻孔不同深度的位移值时，使用的主要监测设备为多点位移计。通常情况下，将孔底设置成为不动点，测量值指各个钻孔位置顺着钻孔方向测量得到绝对位移值。使用多点位移计在获取监测值时，可以对位移坡率、相对位移值和绝对位移值进行准确计算。

在计算绝对位移值的过程中，以绝对位移为依据开展评定工作，在计算相对位移值的过程中，以相对位移为依据开展评定工作。获取位移坡率后，能够准确掌握挖掘岩体造成的影响[1]。

（1）如果地下洞室四周的位移值随着距离洞壁长度的不断增加，位移值越来越小，表明支护措施发挥积极的作用，围岩平稳，外部环境安全可靠。

（2）如果深处围岩依然存在很大的位移值，表明岩土体没有达到稳定的状态，需要采取深部处理措施，提升支护的稳定性，加长处理支护锚索或者是支护锚杆。

4.2 自动预警系统

在对地下工程中人工或自动化的监测数据实施智能预警分析时，采取的主要措施为永久监测分析预警系统。对预警状态实时查询，在三维模型中相对应的仪器上方标注清楚，使用户及时、准确的查找到目前地下工程的实际状态。在查询历史预警信息的过程中，以历史数据信息报表和数据过程线为基础，与环境量紧密结合，找到监测数据的潜在发展规律，使建筑物运行状态的预测信息更准确。

地下洞室群施工期动态安全预警系统的开发目标遵循“实时监测、及时反馈、多级预警、快速决策、多应急备选方案”的原则，融合数值模拟技术、安全监测技术、智能算法、计算机网络技术、实时监控技术在一起，实现具有先进水平的地下洞室群施工期的动态安全预警功能，及时确定潜在警情，制定正确的应对方案，为现场工程师指导工程施工或抢险决策提供科学依据及系统支持。

本系统引入边坡计算中强度折减的思想，结合撒文奇等开发的实时数值仿真功能，建立围岩变形动态预警指标计算方法，实现地下洞室群施工期的动态安全预警。发生警情时系统会根据安全监测、动态预警指标、专家意见等各种信息综合评判工程安全性，通过物联网平台向指定人员传送最佳的应对方案，尽可能减小经济损失。

5 结语

综上所述，双江口地下洞室群自动监测实时分析与预警系统以分级预警指标体系为基础，将分级预警功能充分展现。各个监测仪的分布情况和三大洞室围岩的变形状态借助三维模型展示，各个断面的锚索测力、锚杆应力和围岩变形通过二维折线图直观的展示出来，准确统计三大洞室不同区域的监测数据、最大变形值和变形范围等信息。在对大跨度地下洞室围岩表面收敛变形进行在线实时监测和全断面准确监测时，使用的主要仪器设备为柔性测斜仪，实现对围岩表面变形发展趋势的科学预测和捕捉，为洞室群信息化施工和动态化支护设计提供可靠的依据。该系统采集的变形数据已达上万条，成功预警安全风险事故十余起，使施工企业的财产损失和人员伤亡事故率得到有效控制，为今后土建项目安全施工措施调整夯实基础。