基于监测数据的顶山输水隧洞工程运行性态分析

王庆勇 段颖骥 魏 波

(1.新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000；2.北京市海淀区西北旺镇水务管理站，北京 100094)

我国幅员辽阔，但水资源相对短缺，且分配不均，水灾水患频发，治水任务繁重、治水难度大。我国已修建了9.8万多座水库大坝、32万km的5级以上堤防工程，已建成的水工隧洞约10000km，在建和规划的水工隧洞约3000km[1-2]。“十三五”时期，为加快健全我国水资源配置和城乡供水体系，兴建了众多引调水工程，如安徽的引江济淮、云南的滇中引水、青海的引大济湟、内蒙古的引绰济辽、陕西的引汉济渭等。“十四五”期间，坚持“节水优先、空间均衡、系统治理、两手发力”的治水思路，继续完善水利基础设施建设，将修建更多的引调水工程。受地形、调水高差以及城市用地限制，新建引调水工程或多或少都有地下输水隧洞的型式。输水隧洞的建设面临着地质条件复杂、高地应力等难题[3]，但建设单位和运行管理单位大多关注建设期和通水前后的安全状况，且在通水前后一段时期，该发生的变形和应力调整均已达到平衡状态，正常运行后，一般会随着通水工况的改变而发生一定的变化，如果地质条件不存在较大缺陷，不会产生异常变化，因此有关引调水隧洞运行期安全监测分析的相关文献较少[4-7]。

本文对顶山长距离引水隧洞多年来的运行情况进行介绍，该隧洞穿过大型断裂带，运行多年来，变形、受力仍未收敛，通过对其监测数据进行分析评价，可为新建工程监测布置和已建工程的资料分析提供借鉴。

1 概 述

1.1 工程概况

顶山引水隧洞位于新疆北部，隧洞全长15.351km，由进口明渠段、洞身段、出口消力池段、出口明渠段及进出口进洞道路组成，为Ⅱ等工程，该隧洞建筑物为2级，设计洪水标准为30年一遇，校核洪水标准为100年一遇。隧洞为无压明流隧洞，隧洞桩号0+000进口高程603.301m，桩号14+890出口高程589.058m，隧洞纵坡1/1050，马蹄形断面尺寸为5.2m×5.2m，设计流量47.5 m3/s。

隧洞所处地段地势平坦，隧洞通过地层为第三系始—渐新统砂岩、泥质砂岩和泥岩、砂质泥岩，夹少量含砾砂岩及砂砾岩，岩层一般呈巨厚层和厚层状、少数为透镜体状分布，弱胶结或及超固结状态，岩层产状290°NE∠2°～3°，岩层走向与洞轴线夹角66°。隧洞段穿过乌玛依断裂(4+431和4+911断面附近)，该断裂为区域性断裂构造，破碎带宽5～10m，影响带宽100m，产状275°～295°SW∠70°～80°，洞轴线与断裂呈大角度相交，横向通过隧洞。洞身一般埋深为45～60m，最大埋深81m。岩性极弱，隧洞洞身段的围岩均属Ⅳ、Ⅴ级围岩，易风化，遇水极易崩解，成洞条件差。

1.2 安全监测布置

本工程共布置10个主要监测断面，埋设安全监测传感器145支，在围岩、格栅拱架、衬砌混凝土支护结构内埋设有多点位移计、锚杆应力计、钢筋计、应变计和无应力计等监测仪器，用以监测工程的变形、应力等变化规律，监测仪器布置情况见图1～图4。

图1 安全监测断面布置

图2 多点位移计位移计安装布置(单位：mm)

图3 一次支护典型监测断面仪器布置(单位：mm)

图4 衬砌混凝土内监测仪器布置

2 监测资料分析

2.1 围岩变形

目前围岩变形量在-0.77～33.25mm之间，主要受通水运行工况变化影响而产生一定变化，其中11+410断面7ME1～7ME5测点位移量从2009年开始持续呈缓慢增大的趋势，有可能是外部地面产生了抬升或者洞室内部下沉，建议在不通水时段进行洞内巡视检查看是否有裂缝，并对地面孔口高程进行复测看是否有隆起。过程线见图5～图6。

图5 11+410断面7ME1-1位移过程线

图6 11+410断面7ME1- 4位移过程线

重点监测断面围岩最大变形量达33.25mm(11+410断面7ME1测点孔口位移)，围岩变形分布见图7，以地表为相对不动点，越靠近孔口变形越大，符合洞室围岩变形一般规律。从特征值分布(见图8)来看，近10年来，每年年变幅保持在4～8mm左右。

图7 11+410断面7ME1位移分布

图8 11+410断面多点位移计7ME1-1特征值分布

2.2 围岩锚杆应力

当前围岩锚杆应力均表现为压力，量值在-62.08～-4.98MPa之间，典型测点过程线见图9，目前应力水平较为稳定，无趋势性变化。

图9 3+409断面围岩顶拱锚杆应力过程线

2.3 格栅拱架钢筋应力

格栅拱架钢筋应力在-221.05～139.60MPa之间，其中断裂带附近的4+428断面钢筋应力量值较大，从典型测点过程线(见图10～图11)可以看出，最大压应力发生在断裂带附近桩号4+428处的3RF1-2测点，最大拉应力发生在桩号3+360处的2RF2测点，目前格栅拱架钢筋应力随着运行工况及温度变化产生一定波动，基本处于稳定状态。

图10 4+428断面3RF1-2钢筋应力过程线

图11 3+360断面2RF2钢筋应力过程线

2.4 混凝土衬砌

2.4.1 混凝土钢筋应力

混凝土衬砌内钢筋应力主要与通水运行影响有关，当前测值在-36.80～65.46MPa之间，从过程线(见图12～图13)来看，断裂带附近的4+431断面和14+805断面部分钢筋应力有趋势性增大的情况，但总体量级不大。

图12 断裂带附近3R1-3测点钢筋应力过程线

图13 14+805断面9R1测点钢筋应力过程线

2.4.2 混凝土应力应变

衬砌混凝土应力应变受通水工况影响较大，断裂带附近的4+431断面应力应变在(292.19～978.04)×10-6之间，其余测点在(-353.88～172.20)×10-6之间。由图14和图15可以看出，断裂带附近的混凝土应力应变近8年来呈拉应变大幅增加的趋势，而附近钢筋应力增加量值不大，混凝土可能已经开裂，需在不通水时段进行洞内巡视检查看是否有裂缝。

图14 断裂带附近4+431断面应力应变过程线

图15 断裂带附近4+431断面应力应变过程线

从应变特征值分布(见图16～图17)可以看出，断裂带附近的4+431断面各测点最大值、最小值、年均值均表现为持续增加趋势，其中以3S1-3测点拉应变最大。

图16 断裂带附近3S1-1测点应力应变特征值分布

图17 断裂带附近3S1-3测点应力应变特征值分布

3 结 论

本隧洞工程布置了一套相对完整的监测系统，监测设施可靠性及完备性基本可满足建筑物安全评价需求。通过运行近20年的监测数据来看，各监测量主要受通水运行工况变化影响而产生一定变化，目前围岩变形、钢筋应力、混凝土应变仍在逐年增加，现对工程运行性态总结如下：

a.桩号11+000处的围岩变形呈逐年增加的趋势，有可能是外部地面产生了抬升或者洞室内部下沉，建议在不通水时段进行洞内巡视检查看是否有裂缝，并对地面孔口高程进行复测看是否有隆起。

b.围岩应力量级不大，且已基本趋于稳定。

c.格栅拱架钢筋应力量级较大，最大拉应力为139.60MPa，最大压应力达到-221.05MPa，目前均已趋于稳定。

d.断裂带附近的混凝土应力应变近8年来呈拉应变大幅增加的趋势，而附近钢筋应力增加量值不大，该部位混凝土可能已经开裂，建议在不通水时段进行洞内巡视检查看是否有裂缝。