劉寶昕
(中國(guó)電建集團(tuán)北京勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,北京100024)
地下廠房系統(tǒng)一般包括主廠房、副廠房、安裝間、主變洞、母線洞、交通洞、通風(fēng)洞、排水廊道、排風(fēng)豎井、開(kāi)關(guān)站等建筑物。多個(gè)洞室匯集在一起,巖石挖空率高,主要洞室跨度大,邊墻高,且上、下重疊,互相貫通,結(jié)構(gòu)極為復(fù)雜,地下廠房系統(tǒng)穩(wěn)定性取決于圍巖本身的物理力學(xué)特性及自穩(wěn)能力和支護(hù)后的綜合特性。
由于圍巖存在節(jié)理裂隙、地應(yīng)力和地下水,經(jīng)開(kāi)挖擾動(dòng)后,圍巖應(yīng)力場(chǎng)重分布、地下水系發(fā)生變化,圍巖的自穩(wěn)能力降低,因此需通過(guò)安全監(jiān)測(cè)獲取地下廠房性狀變化的實(shí)際信息。
廠房系統(tǒng)監(jiān)測(cè)目的主要包括以下幾個(gè)方面:一是掌握廠房系統(tǒng)的運(yùn)行狀況,為各種工況下的廠房系統(tǒng)工程性態(tài)評(píng)價(jià),以及在施工期、初蓄期和運(yùn)行期,對(duì)工程安全的連續(xù)評(píng)估提供所需的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)資料,及時(shí)掌握和提供工程物理量定量的變化信息和廠房系統(tǒng)及地質(zhì)體的工作狀態(tài)。二是驗(yàn)證廠房系統(tǒng)設(shè)計(jì),了解設(shè)計(jì)的合理程度,為優(yōu)化洞室支護(hù)結(jié)構(gòu)型式、調(diào)整支護(hù)參數(shù)及改進(jìn)施工工藝和設(shè)計(jì)方案提供依據(jù)。在施工期隨施工過(guò)程所取得的監(jiān)測(cè)資料,有助于工程設(shè)計(jì)的驗(yàn)證與調(diào)整,通過(guò)工程原型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與理論計(jì)算及試驗(yàn)預(yù)計(jì)的工程特性指標(biāo)的對(duì)比分析,便于掌握工程設(shè)計(jì)的合理程度及進(jìn)行設(shè)計(jì)修改,同時(shí)提供反分析、敏感性分析所需的重要依據(jù)。三是改進(jìn)分析技術(shù),使各種設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇更趨于經(jīng)濟(jì)、合理。四是指導(dǎo)施工及改進(jìn)施工技術(shù),對(duì)可能危及工程安全的初期或發(fā)展過(guò)程中的險(xiǎn)情及未來(lái)性態(tài),作出預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào),從而保證及時(shí)采取相應(yīng)的工程安全措施。
準(zhǔn)確地說(shuō),目前沒(méi)有專門的廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范。地下廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)依據(jù)是相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范,包括《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》《水電站地下廠房設(shè)計(jì)規(guī)范》《地下廠房巖壁吊車梁設(shè)計(jì)規(guī)范》《抽水蓄能電站設(shè)計(jì)規(guī)范》《水利水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范》等,但上述規(guī)范核心并不在廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),僅僅對(duì)相關(guān)內(nèi)容簡(jiǎn)單提及,作了寬泛的、定性的、原則性的描述。實(shí)際上,目前廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)主要是根據(jù)已建工程經(jīng)驗(yàn),結(jié)合工程地質(zhì)情況,以及廠房系統(tǒng)圍巖穩(wěn)定分析、滲流場(chǎng)計(jì)算分析等計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇和監(jiān)測(cè)儀器布置。
廠房安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)斷面選擇和儀器布置宜少而精,達(dá)到監(jiān)測(cè)目的即可。監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則主要包括以下幾個(gè)方面:
一是應(yīng)統(tǒng)籌考慮施工期、初蓄期和運(yùn)行期廠房系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),建立全階段數(shù)據(jù)傳遞關(guān)系,確保監(jiān)測(cè)資料連續(xù)性和完整性。
二是緊密結(jié)合工程的特點(diǎn)和關(guān)鍵性技術(shù)問(wèn)題,有針對(duì)性地選擇監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和工程部位,并與施工程序密切結(jié)合進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),通過(guò)代表性監(jiān)測(cè)及輔助監(jiān)測(cè)設(shè)施,能夠系統(tǒng)全面、及時(shí)地監(jiān)控工程的工作狀況。
三是監(jiān)測(cè)斷面(包括廠房縱監(jiān)測(cè)斷面、橫監(jiān)測(cè)斷面、主監(jiān)測(cè)斷面以及輔助監(jiān)測(cè)斷面)和監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇應(yīng)重點(diǎn)突出、兼顧全面,能夠相互補(bǔ)充、校驗(yàn),并結(jié)合相關(guān)規(guī)范規(guī)定,參照已建工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),根據(jù)工程建筑物級(jí)別、重要性、設(shè)計(jì)計(jì)算、模型試驗(yàn)成果等方面的要求確定。
四是監(jiān)測(cè)儀器的布置,根據(jù)工程特點(diǎn),選擇代表性斷面或部位進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè),相關(guān)項(xiàng)目統(tǒng)籌安排,配合設(shè)置,對(duì)于地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)薄弱環(huán)節(jié),采用多種手段和方式,以便相互補(bǔ)充,互相校核和驗(yàn)證,使監(jiān)測(cè)儀器的布置達(dá)到在整體上監(jiān)控工程實(shí)際運(yùn)行狀況的目的。
五是儀器設(shè)施的選擇,密切結(jié)合工程的具體條件,根據(jù)建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析計(jì)算成果,首先是滿足工程安全監(jiān)測(cè)目的的要求,在實(shí)用、可靠、耐久、經(jīng)濟(jì)的前提下,盡可能減少設(shè)置儀器測(cè)量方式的種類,以利于永久監(jiān)測(cè)和自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)施和管理。
六是除部分必須由人工測(cè)量實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目外,對(duì)于其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,其監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的選型和布置,均要有利于監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建立。
地下廠房系統(tǒng)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位包括廠房圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)、巖壁吊車梁、洞室交叉口及敏感區(qū),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變、溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)等。
選擇某抽蓄電站地下廠房為例,裝機(jī)規(guī)模為120 萬(wàn)kW(30 萬(wàn)kW×4 臺(tái)),地下廠房由主機(jī)間、安裝場(chǎng)和主廠房組成,呈“一”字形布置。總開(kāi)挖尺寸為163.5 m×24.5 m×54.5 m(長(zhǎng)×寬×高,下同),主變洞平行布置在主廠房下游側(cè),總開(kāi)挖尺寸為151.4 m×21.0 m×22.0 m。環(huán)繞主廠房、主變洞設(shè)有上、中、下三層排水廊道。該抽蓄電站的裝機(jī)規(guī)模、廠房洞室布置形式較為常見(jiàn),有一定代表性,以此為例進(jìn)一步闡釋廠房系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。
2.1.1 變形監(jiān)測(cè)
圍巖變形監(jiān)測(cè)包括圍巖收斂變形、圍巖內(nèi)部變形、圍巖松弛區(qū)范圍和深度等,以及圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)和巖壁吊車梁等結(jié)構(gòu)間的縫隙開(kāi)合度等。根據(jù)地下洞室規(guī)模、支護(hù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及地質(zhì)條件,選擇高邊墻、貫穿高邊墻的洞室及其洞口段、相鄰洞室間的薄體巖壁、圍巖結(jié)構(gòu)面不利組合部位、巖壁吊車梁巖臺(tái)區(qū)等部位布置儀器??衫迷缙陂_(kāi)挖的附屬洞室,提前布置主體洞室的監(jiān)測(cè)儀器,監(jiān)測(cè)主洞室圍巖開(kāi)挖爆破過(guò)程中巖體變化全過(guò)程。
地下廠房變形通常采用內(nèi)空收斂測(cè)點(diǎn)、多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)組合方式進(jìn)行監(jiān)測(cè),較少的抽蓄電站也會(huì)采用其他監(jiān)測(cè)儀器。例如惠州抽水蓄能電站,利用廠房頂部探洞及尾調(diào)通風(fēng)洞向廠房布置滑動(dòng)測(cè)微計(jì)和鉆孔測(cè)斜儀,分別監(jiān)測(cè)洞室頂拱圍巖巖體軸向變形和邊墻穩(wěn)定情況[2]。但根據(jù)深圳抽蓄電站安裝滑動(dòng)測(cè)微計(jì)經(jīng)驗(yàn),滑動(dòng)測(cè)微計(jì)安裝精度要求高,工序繁多,采用宜慎重[3]。
多點(diǎn)位移計(jì)用于觀測(cè)巖體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)間沿鉆孔軸向的相對(duì)位移,是最為常用的洞室變形監(jiān)測(cè)儀器。根據(jù)典型斷面的選擇,布置于拱頂、拱座、邊墻巖壁吊車梁附近,以及母線洞等挖空率較高部位的上方巖體。如具備條件,多點(diǎn)位移計(jì)宜采用預(yù)埋的方式,在主洞室開(kāi)挖前埋設(shè),確不具備條件,可隨廠房洞室開(kāi)挖進(jìn)行埋設(shè)。多點(diǎn)位移計(jì)測(cè)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)根據(jù)圍巖變形梯度、巖體結(jié)構(gòu)和斷層部位等確定,一般4個(gè)以上測(cè)點(diǎn)為宜,其中,最深測(cè)點(diǎn)距洞壁大于一倍以上洞跨,或超出計(jì)算的開(kāi)挖卸荷影響范圍,可視為不動(dòng)點(diǎn),其他測(cè)點(diǎn)向洞壁方向由疏到密布置,具體點(diǎn)位根據(jù)鉆孔地質(zhì)描述進(jìn)行調(diào)整。
內(nèi)控收斂監(jiān)測(cè)是利用收斂計(jì)或全站儀等測(cè)量洞室圍巖表面兩點(diǎn)(埋設(shè)的內(nèi)控收斂測(cè)點(diǎn))連線方向的相對(duì)位移,即收斂值,監(jiān)測(cè)拱頂下沉、邊墻間距離變化等變形情況,主要觀測(cè)洞室圍巖支護(hù)前的初期變形。收斂測(cè)點(diǎn)裝置根據(jù)典型斷面的選擇,布置在多點(diǎn)位移計(jì)附近,既監(jiān)測(cè)圍巖內(nèi)空收斂變形情況,又可利用其監(jiān)測(cè)成果對(duì)多點(diǎn)位移計(jì)變形進(jìn)行校核與修正。也存在個(gè)別工程取消廠房及主變室的凈空收斂監(jiān)測(cè),而補(bǔ)充增加多點(diǎn)位移計(jì)和錨桿應(yīng)力計(jì)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。例如荒溝抽水蓄能電站,因廠房及主變室大跨度、高邊墻結(jié)構(gòu),收斂監(jiān)測(cè)難度大,施工期測(cè)樁已損壞且保護(hù)困難,而取消了收斂變形監(jiān)測(cè)[4]。
2.1.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)
圍巖應(yīng)力的監(jiān)測(cè)主要是觀測(cè)圍巖初始應(yīng)力變化和二次應(yīng)力的形成與變化過(guò)程,用測(cè)得的應(yīng)力信息反饋分析初始應(yīng)力場(chǎng)。主要通過(guò)埋入圍巖內(nèi)部的應(yīng)力計(jì)或應(yīng)變計(jì)觀測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器一般布置在地質(zhì)條件較為復(fù)雜、圍巖應(yīng)力相對(duì)集中的部位,沿徑向和切向布置,埋設(shè)時(shí)多采用鉆孔方式。選擇在廠房圍巖布置應(yīng)力計(jì),以分析應(yīng)力場(chǎng)的抽蓄電站,通過(guò)錨桿應(yīng)力計(jì)來(lái)進(jìn)行圍巖應(yīng)力場(chǎng)分析。
2.1.3 滲流監(jiān)測(cè)
地下水監(jiān)測(cè)也是重要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。由于山體地下水、引水系統(tǒng)滲漏水、庫(kù)區(qū)滲水等原因,地下廠房圍巖會(huì)產(chǎn)生滲水。為快速有效排除圍巖滲水,通常環(huán)繞主副廠房、主變室等主要洞室,設(shè)置有3層排水廊道和排水孔組成的空間立體排水網(wǎng),必要時(shí),采用防滲帷幕、廠外排水系統(tǒng)和廠內(nèi)排水系統(tǒng)相結(jié)合的防滲排水方案,或?qū)iT研究處理。為了監(jiān)測(cè)防滲排水效果,需要對(duì)洞室圍巖滲透壓力和滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè),通常采用滲壓計(jì)、測(cè)壓管、量水堰組合的方式予以實(shí)現(xiàn)。通常鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)圍巖滲透壓力;利用排水廊道布設(shè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)帷幕防滲及排水廊道的排水效果;在排水廊道和集水井內(nèi)布設(shè)量水堰監(jiān)測(cè)廠房系統(tǒng)滲流量。
根據(jù)典型斷面的選擇,結(jié)合多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)的布置,滲壓計(jì)常布置于主廠房頂拱、上下游邊墻吊車梁、上游邊墻中下部,主變室頂拱、下游邊墻。一個(gè)典型橫斷面布置6支滲壓計(jì),布置方式較為精簡(jiǎn)高效,豐寧抽蓄、文登抽蓄等采用此種布置方式[5]。但不同的設(shè)計(jì)單位有著各自的設(shè)計(jì)理念和習(xí)慣,布置方式也不一?;溉食樾钤谥鲝S房下游邊墻和主變室上游邊墻未設(shè)置滲壓計(jì),一個(gè)橫斷面布置9支滲壓計(jì)[6];天荒坪抽蓄則采取主廠房和主變室皆對(duì)稱布置滲壓計(jì)形式,一個(gè)橫斷面布置多達(dá)15支滲壓計(jì)。
測(cè)壓管通過(guò)排水廊道平行廠房邊墻向下鉆孔埋設(shè),埋設(shè)深度結(jié)合廠房滲流計(jì)算確定,目前,采用此種方式監(jiān)測(cè)滲流的抽蓄工程不多,取而代之的是在主廠房上游邊墻和主變洞下游邊墻多布置滲壓計(jì)。因?yàn)橄啾容^,鉆孔埋設(shè)滲壓計(jì)的方式施工簡(jiǎn)單、方便,且能達(dá)到相同目的。
地下廠房支護(hù)型式和參數(shù)通常參照規(guī)范、工程地質(zhì)條件和類似工程的建設(shè)經(jīng)驗(yàn)來(lái)選擇,并通過(guò)三維有限元計(jì)算進(jìn)行驗(yàn)證。支護(hù)結(jié)構(gòu)型式常以錨噴支護(hù)為主,對(duì)小斷層和裂隙面采用預(yù)應(yīng)力錨桿進(jìn)行縫合加固,大斷層和節(jié)理密集帶采用預(yù)應(yīng)力錨索加固。因此,支護(hù)結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)主要是錨桿應(yīng)力和錨索測(cè)力計(jì);當(dāng)洞室頂拱設(shè)置鋼筋混凝土襯砌結(jié)構(gòu)且必要時(shí),進(jìn)行鋼筋應(yīng)力和混凝土應(yīng)變監(jiān)測(cè)。
錨桿應(yīng)力計(jì)用于測(cè)量圍巖支護(hù)錨桿的軸向應(yīng)力,錨桿應(yīng)力計(jì)的布置原則與多點(diǎn)位移計(jì)布置原則相同,根據(jù)監(jiān)測(cè)錨桿長(zhǎng)度選擇應(yīng)力計(jì)的布置數(shù)量,一般4 m 以下錨桿布置1 支錨桿應(yīng)力計(jì);4~8 m 錨桿布置2 支錨桿應(yīng)力計(jì);8 m 以上錨桿布置3~4 支錨桿應(yīng)力計(jì)。
錨索測(cè)力計(jì)用于監(jiān)測(cè)錨索對(duì)巖體或支柱與地下廠房中的支架以及大型預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的荷載,簡(jiǎn)言之,監(jiān)測(cè)錨索錨固力及鎖定后可能的荷載損失率。布置于有支護(hù)錨索的洞室,宜布置于圍巖內(nèi)部變形和支護(hù)錨桿應(yīng)力監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近,布置數(shù)量一般為工作錨索的5%~10%,在關(guān)鍵部位或錨索數(shù)量較少的情況下,監(jiān)測(cè)比例可適當(dāng)放大。
巖壁吊車梁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是,將吊車輪壓荷載,經(jīng)懸吊錨桿和梁底巖臺(tái)傳遞給洞壁圍巖,監(jiān)測(cè)典型斷面布置于廠房安裝間與交通洞交叉段、廠房圍巖受斷層切割處等部位,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇包括懸吊錨桿應(yīng)力、梁體與圍巖的接縫開(kāi)合變形、梁體結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變、壁座的壓應(yīng)力、梁體變形等。巖壁吊車梁典型監(jiān)測(cè)布置,見(jiàn)圖1。
圖1 巖壁吊車梁典型監(jiān)測(cè)布置圖
錨桿應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)錨桿受力情況。巖壁吊車梁通常設(shè)置2 排上傾的受拉錨桿,1 排下傾的受壓錨桿,3 排錨桿都需進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測(cè)。根據(jù)受拉錨桿長(zhǎng)度沿深度方向每根設(shè)置3~4 支錨桿應(yīng)力計(jì),其中最上排錨桿中1 支錨桿應(yīng)力計(jì)常布置于梁體內(nèi),了解錨桿在梁體內(nèi)受力情況;而下傾受壓錨桿,常沿深度方向在錨入巖石部分每根設(shè)置2 支錨桿應(yīng)力計(jì)。圖示為常規(guī)布置方式,不同的錨固形式也采用不同的監(jiān)測(cè)布置方式。如溧陽(yáng)抽蓄電站,由于廠房地質(zhì)條件較差,在巖壁吊車梁受拉錨桿和受壓錨桿間過(guò)渡區(qū),增加了一排水平向錨桿,監(jiān)測(cè)布置時(shí)在水平向錨桿也布置了1 支錨桿應(yīng)力計(jì)[7]。
壓應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)壁座受壓應(yīng)力情況。根據(jù)梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力計(jì)算成果布置在受力最敏感部位,通常在壁座表面布置2~3 支壓應(yīng)力計(jì)。
單向測(cè)縫計(jì)監(jiān)測(cè)梁體與巖壁之間的接縫開(kāi)合度。根據(jù)巖壁吊車梁規(guī)模,常在梁體與巖壁立面接合部位的上部和下部分別設(shè)置1 支測(cè)縫計(jì),在梁體與壁座中上部垂直巖壁設(shè)置1 支測(cè)縫計(jì)。
鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)組及無(wú)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)梁體結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變情況。鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)梁體鋼筋應(yīng)力,應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)梁體混凝土應(yīng)力應(yīng)變。鋼筋計(jì)常布置于梁頂軌道附近的縱向筋和環(huán)向筋,以及梁體巖壁側(cè)縱向筋和環(huán)向筋上;應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)根據(jù)吊車梁規(guī)模而定,一般不設(shè)置,如設(shè)置,常布置在梁體中部和牛腿區(qū)域,如溧陽(yáng)抽蓄電站,在吊車梁中部布置了四向應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)。
文中對(duì)抽蓄電站廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作進(jìn)行系統(tǒng)性思考,借鑒10 余座抽蓄電站廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工程實(shí)踐,總結(jié)提出了廠房系統(tǒng)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方法,對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇的原因進(jìn)行理論分析,為類似工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)提供參考。此外,關(guān)于廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì),有以下幾點(diǎn)建議或想法:
1)在開(kāi)展廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作時(shí),各設(shè)計(jì)院在監(jiān)測(cè)部位和典型斷面選擇上基本一致,但在儀器的種類及數(shù)量和位置的選擇上有一定的差異性,主要原因在于各自的設(shè)計(jì)理念或習(xí)慣不同,應(yīng)對(duì)已建電站和在建電站加以總結(jié),制定專門的廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)規(guī)范,以指導(dǎo)和規(guī)范廠房監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作。
2)監(jiān)測(cè)儀器選擇和布置應(yīng)做到少而精,突出重點(diǎn),相互驗(yàn)證,不應(yīng)求全、求多、求新。
3)應(yīng)加強(qiáng)施工期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集和資料分析,切實(shí)發(fā)揮優(yōu)化設(shè)計(jì)和指導(dǎo)施工的作用。