廖鴻江 劉海波 張竣朝

（1.中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都 611130；2.國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都 610041）

本文將雙江口水電站左岸尾調(diào)室、主變室、主廠房等三大洞室的局部變形位置作為研究的對象，在采集圍巖變形信息時，使用的主要設(shè)備為自動化監(jiān)測設(shè)備，使用自動監(jiān)測實時分析和預警系統(tǒng)實現(xiàn)對其信息的高效分析，獲得完善的圍巖變形分級預警評價結(jié)論，使該區(qū)域圍巖變形情況得到及時防控。

1 工程概況

雙江口水電站位置在四川省阿壩藏族羌族自治州馬爾康市和金川縣境內(nèi)，是四川大渡河流域水電梯級開發(fā)上游控制性水庫工程，包括大壩、泄洪建筑物、引水發(fā)電系統(tǒng)等。

水電站的裝機容量達2 000 MW，多年平均發(fā)電量為77.07 億kWh。三大洞室群的最大開挖尺寸分別為主副廠房長219.48 m、高65.89 m、跨度28.3 m；主變室158.26 m、高25.39 m、跨度19.49 m；尾水調(diào)壓室13.79 m、高74.5 m、跨度20 m。

2 雙江口地下洞室群自動監(jiān)測實時分析與預警系統(tǒng)架構(gòu)

地下洞室群的工程因素和地質(zhì)環(huán)境給工程的施工安全造成嚴重的影響，地質(zhì)環(huán)境包含的內(nèi)容有地應(yīng)力、巖體性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)等。工程因素包括的內(nèi)容有鄰近洞室的影響、挖掘施工的程序與方法、洞室斷面的大小與形狀等。通常情況下，在巖體結(jié)構(gòu)松散、易碎、變形嚴重和地應(yīng)力較大的地質(zhì)環(huán)境施工時，施工的風險系數(shù)較大。當斷面較大時，地下洞室的設(shè)計較為復雜，爆破施工使用的炸藥劑量增大，導致安全性降低。

雙江口地下洞室群自動監(jiān)測實時分析與預警系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集層、分析層與預警層等三個層面和圍巖變形自動采集系統(tǒng)、實時分析系統(tǒng)和自動預警系統(tǒng)等三個系統(tǒng)。

3 圍巖變形自動化采集系統(tǒng)

3.1 多點位移計監(jiān)測

雙江口水電站地下洞室群多點位移計型號為VWM型振弦式，位移計的主要成分有PVC護管、信號傳輸電纜、護罩、護管、護管連接座、不銹鋼測桿、錨頭、安裝基座以及位移傳感器等。被測結(jié)構(gòu)物發(fā)生位移變形時，多點位移計的錨頭將測桿帶動起來，測桿在拉動位移計拉桿后，出現(xiàn)位移變形。位移計拉桿的位移變形向振弦傳遞振應(yīng)力，使振弦的振動頻率發(fā)生改變。

3.2 安裝多點位移計

（1）安裝主廠房多點位移計。

地下廠房中埋設(shè)四點式位移計29套，經(jīng)過上層排水廊道朝安裝間與主副廠房埋設(shè)位移計14套。

經(jīng)過中層排水廊道朝主副廠房埋設(shè)的位移計有7套，所有的多點位移計監(jiān)測的數(shù)值均為相對位移值。

①2018年2月，安裝首套監(jiān)測儀器M46CF-02，獲得基準值，開展土建項目施工，除M43CF-01的1#測點沒有讀數(shù)以外，其他監(jiān)測點的情況全部正常。

②2018年11月，邊墻擴挖爆破對主廠房0+030.02斷面造成嚴重影響，影響深度達到8 m以上，錨桿應(yīng)力計Rr2CF-01和多點位移計M42CF-01的測量值均出現(xiàn)不同程度的增長。擴挖施工結(jié)束以后，監(jiān)測值基本趨于穩(wěn)定。

③2018年12月末，開展0+123.6～0+150.66位置處的側(cè)拱肩擴挖施工作業(yè)，下游拱腳淺層圍巖和0+135.00斷面拱頂圍巖均存在一定程度的變形情況，多點位移計M46CF-01和多點位移計M46CF-03孔口位移值增大到0.45 cm和0.16 cm。

④采取系統(tǒng)錨桿支護措施以后，下游拱腳淺層圍巖和拱頂圍巖的變形得到有效緩解。2019年1月初，開展0+097.00～0+116.00位置處的側(cè)拱肩擴挖施工作業(yè)，0+135.00斷面頂拱位置淺層圍巖應(yīng)力發(fā)生明顯變化，出現(xiàn)一定程度的松弛變形，多點位移計M46CF-01孔口位移值增加到0.8 cm。

⑤從2019年5月開始，在上游拱肩擴挖的影響下，監(jiān)測值增加到0.38 cm，如今拱肩擴挖施工已經(jīng)基本結(jié)束，多點位移計M46CF-01和多點位移計M46CF-02受爆破的影響越來越小，儀器監(jiān)測值逐漸趨于穩(wěn)定的狀態(tài)。

⑥現(xiàn)階段，地下廠房多點位移計的累計位移值保持范圍為-0.07～1.5 cm，各個監(jiān)測點月變化量保持在-0.07～0.2 cm。在兩側(cè)拱肩擴挖施工時，位移值增長非常明顯，采取錨桿支護措施以后，多點位移計的監(jiān)測值越來越平穩(wěn)，從整體的角度分析，該部位多點位移計的累計位移量變化不大。

（2）安裝主變室多點位移計。

主變室埋設(shè)的四點式位移計共18套，經(jīng)過上層排水廊道朝主變室預埋的四點式位移計共8套，斷面拱頂預埋的四點式位移計共4套，下游邊墻位置預埋的四點式位移計共5套，下游拱腰位置預埋的四點式位移計共1套。斷面拱頂位置預埋的4套四點式位移計的基準值于2018年7月～2019年10月之間獲得。

主變室多點位移計的累計位移處于-0.07～0.5 cm，月變化量的位移值處于-0.03～0.02 cm。2019年6月末，下游側(cè)爆破給位移計的取值造成嚴重的干擾，使上游拱腳位置預埋的多點位移計M41ZB-02的1#測點位移值出現(xiàn)增長，增長到0.04 cm。下游拱腳位置預埋的多點位移計M41ZB-03的1#、2#測點位移值也出現(xiàn)增長，增長值分別為0.28 cm和0.17 cm。采取持續(xù)加密觀測處理以后，位移觀測值和多點位移計月變化量的變化都較小，近期觀測值逐漸趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。

（3）安裝尾調(diào)室多點位移計。

尾水調(diào)壓室內(nèi)埋設(shè)的四點式位移計共22套。其中，需要經(jīng)過上層排水廊道朝尾水調(diào)壓室預埋的四點式位移計分別為M44WT-04、M43WT-04、M42WT-04和M41WT-04。

尾水調(diào)壓室內(nèi)的多點位移計的累計位移值處于-0.002～0.7 cm范圍，月變化量的位移值處于-0.02～0.08 cm范圍。該位置的多點位移計月變化量不大，位置觀測值趨于平穩(wěn)。

3.3 多點位移計的信息采集與傳輸

設(shè)備結(jié)束數(shù)據(jù)信息采集以后，借助LAN、通信網(wǎng)絡(luò)或遠程RS485將數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)巾椖坎康碾娔X終端中或傳輸?shù)饺魏蔚穆?lián)網(wǎng)終端設(shè)備中，使用數(shù)據(jù)分析軟件在線分析所有數(shù)據(jù)信息。

采集系統(tǒng)可以對觀測數(shù)據(jù)頻率進行及時調(diào)整，使重要時段的信息得到及時監(jiān)測，提升工程整體的可靠性和安全性。將采集軟件安裝到筆記本電腦上以后，實現(xiàn)對GBMS傳輸?shù)目梢暬冃吻€和變形測量數(shù)據(jù)信息的實時處理，為今后各項工作的開展奠定堅實的基礎(chǔ)。

4 圍巖變形實時分析系統(tǒng)

4.1 實時分析原理

測量沿著鉆孔不同深度的位移值時，使用的主要監(jiān)測設(shè)備為多點位移計。通常情況下，將孔底設(shè)置成為不動點，測量值指各個鉆孔位置順著鉆孔方向測量得到絕對位移值。使用多點位移計在獲取監(jiān)測值時，可以對位移坡率、相對位移值和絕對位移值進行準確計算。

在計算絕對位移值的過程中，以絕對位移為依據(jù)開展評定工作，在計算相對位移值的過程中，以相對位移為依據(jù)開展評定工作。獲取位移坡率后，能夠準確掌握挖掘巖體造成的影響[1]。

（1）如果地下洞室四周的位移值隨著距離洞壁長度的不斷增加，位移值越來越小，表明支護措施發(fā)揮積極的作用，圍巖平穩(wěn)，外部環(huán)境安全可靠。

（2）如果深處圍巖依然存在很大的位移值，表明巖土體沒有達到穩(wěn)定的狀態(tài)，需要采取深部處理措施，提升支護的穩(wěn)定性，加長處理支護錨索或者是支護錨桿。

4.2 自動預警系統(tǒng)

在對地下工程中人工或自動化的監(jiān)測數(shù)據(jù)實施智能預警分析時，采取的主要措施為永久監(jiān)測分析預警系統(tǒng)。對預警狀態(tài)實時查詢，在三維模型中相對應(yīng)的儀器上方標注清楚，使用戶及時、準確的查找到目前地下工程的實際狀態(tài)。在查詢歷史預警信息的過程中，以歷史數(shù)據(jù)信息報表和數(shù)據(jù)過程線為基礎(chǔ)，與環(huán)境量緊密結(jié)合，找到監(jiān)測數(shù)據(jù)的潛在發(fā)展規(guī)律，使建筑物運行狀態(tài)的預測信息更準確。

地下洞室群施工期動態(tài)安全預警系統(tǒng)的開發(fā)目標遵循“實時監(jiān)測、及時反饋、多級預警、快速決策、多應(yīng)急備選方案”的原則，融合數(shù)值模擬技術(shù)、安全監(jiān)測技術(shù)、智能算法、計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實時監(jiān)控技術(shù)在一起，實現(xiàn)具有先進水平的地下洞室群施工期的動態(tài)安全預警功能，及時確定潛在警情，制定正確的應(yīng)對方案，為現(xiàn)場工程師指導工程施工或搶險決策提供科學依據(jù)及系統(tǒng)支持。

本系統(tǒng)引入邊坡計算中強度折減的思想，結(jié)合撒文奇等開發(fā)的實時數(shù)值仿真功能，建立圍巖變形動態(tài)預警指標計算方法，實現(xiàn)地下洞室群施工期的動態(tài)安全預警。發(fā)生警情時系統(tǒng)會根據(jù)安全監(jiān)測、動態(tài)預警指標、專家意見等各種信息綜合評判工程安全性，通過物聯(lián)網(wǎng)平臺向指定人員傳送最佳的應(yīng)對方案，盡可能減小經(jīng)濟損失。

5 結(jié)語

綜上所述，雙江口地下洞室群自動監(jiān)測實時分析與預警系統(tǒng)以分級預警指標體系為基礎(chǔ)，將分級預警功能充分展現(xiàn)。各個監(jiān)測儀的分布情況和三大洞室圍巖的變形狀態(tài)借助三維模型展示，各個斷面的錨索測力、錨桿應(yīng)力和圍巖變形通過二維折線圖直觀的展示出來，準確統(tǒng)計三大洞室不同區(qū)域的監(jiān)測數(shù)據(jù)、最大變形值和變形范圍等信息。在對大跨度地下洞室圍巖表面收斂變形進行在線實時監(jiān)測和全斷面準確監(jiān)測時，使用的主要儀器設(shè)備為柔性測斜儀，實現(xiàn)對圍巖表面變形發(fā)展趨勢的科學預測和捕捉，為洞室群信息化施工和動態(tài)化支護設(shè)計提供可靠的依據(jù)。該系統(tǒng)采集的變形數(shù)據(jù)已達上萬條，成功預警安全風險事故十余起，使施工企業(yè)的財產(chǎn)損失和人員傷亡事故率得到有效控制，為今后土建項目安全施工措施調(diào)整夯實基礎(chǔ)。