抽水蓄能电站地下厂房监测设计浅析.pdf

http:/20233 大坝与安全0 引 言抽水蓄能中长期发展规划（20212035年）提出，到“十四五”时期末，抽水蓄能投产总规模较“十三五”时期翻一倍，达到6 200万kW以上。抽水蓄能电站建设进入快速期，装机规模多在百万千瓦以上，丰宁抽蓄电站甚至达到360万kW，创造世界之最。大型抽蓄电站多选择地下厂房形式，布置于山体内，厂房规模大、系统复杂。而针对抽蓄电站厂房系统的监测设计工作，目前尚无专门的设计规范可以遵循，多参照已建抽蓄电站的安全监测设计经验。基于此，在研究分析相关设计规范及手册1的基础上，结合丰宁抽蓄、文登抽蓄、敦化抽蓄、清原抽蓄、芝瑞抽蓄和易县抽蓄等多个电站的工程实践，总结提出了抽蓄电站地下厂房系统的监测设计方法。1 地下厂房系统监测设计目的、依据及原则1.1 地下厂房系统及其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、排风竖井和开关站等建筑物。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、自稳能力和支护后的综合特性。围岩存在节理裂隙、地应力和地下水，开挖扰动后，围岩应力场重分布，地下水系也发生变化，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。抽水蓄能电站地下厂房监测设计浅析崔海波1,2，乐金朝1，王文龙1（1.郑州大学黄河实验室，河南 郑州，450001；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024）摘要：目前，抽水蓄能电站地下厂房监测设计无专门的设计规范，笔者结合相关设计规范及手册，总结十余座抽水蓄能电站地下厂房监测设计工程实践，提出厂房系统安全监测设计的目的和原则，以及围岩、支护结构、岩壁吊车梁等部位的监测设计方法，为抽水蓄能电站地下厂房安全监测设计提供参考。关键词：抽水蓄能电站；地下厂房；监测设计Title:Analysis on monitoring design of underground powerhouse of pumped storage power station/by CUI Haibo,YUE Jinchao and WANG Wenlong/Yellow River Laboratory,Zhengzhou UniversityAbstract:At present,there is no specific monitoring design specification for underground powerhouseof pumped storage power station.In combination with relevant design specifications and manuals,thispaper summarizes the engineering practice of monitoring design of underground powerhouses of morethan ten pumped storage power stations,and puts forward the purpose and principle of safety monitoringdesign of powerhouse system,as well as the monitoring design methods of surrounding rock,supportstructure,rock-bolted crane beam and other parts,which provides a reference for the safety monitoringdesign of underground powerhouse of pumped storage power station.Key words:pumped storage power station;underground powerhouse;monitoring design中图分类号：TV731文献标志码：B文章编号：1671-1092（2023）03-0041-05崔海波，等：抽水蓄能电站地下厂房监测设计浅析41Dam and Safety 20233http:/1.2 监测目的厂房系统监测目的主要包括：（1）掌握厂房系统的运行状况，评价工程性态，提供工程安全评估所需的数据资料，及时掌握和提供工程物理量的变化信息和厂房系统及地质体的工作状态。（2）验证厂房系统工程设计，了解设计的合理性，为优化洞室支护结构形式、调整支护参数及改进施工工艺和设计方案提供依据。通过对比分析工程原型实测数据与理论计算、试验预计的工程特性指标，掌握工程设计的合理性并进行设计优化，同时提供反分析和敏感性分析所需的重要依据。（3）改进分析技术，使各种设计参数的选择更趋于经济、合理。（4）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，保证及时采取相应的工程安全措施。1.3 监测设计依据目前没有专门的地下厂房监测设计规范，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，但上述规范核心内容并不是厂房监测设计，仅仅简单提及相关内容，作了宽泛、原则性的规定。实际上，目前厂房监测设计主要根据已建工程实践经验，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。监测设计原则包括：（1）统筹考虑施工期、初蓄期和运行期的厂房系统监测设计，建立全阶段数据传递关系，确保监测资料连续性和完整性。（2）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，通过代表性监测及辅助监测设施，系统全面、及时地监控工程的工作状况。（3）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、设计计算和模型试验结果等确定。（4）对于监测仪器的布置，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、校核和验证，使监测仪器的布置达到可在整体上监控工程实际运行状况的目的。（5）对于监测仪器的选择，密切结合工程具体条件，根据建筑物结构设计与分析计算结果，首先应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，尽可能减少仪器测量的种类，以便永久监测和自动化监测系统的实施和管理。（6）除部分必须由人工测量的监测项目外，对于其他监测项目，监测仪器设备的选型和布置均需有利于监测自动化系统的建立。2 监测设计以某抽蓄电站地下厂房为例，并以主厂房和主变洞为代表，对监测设计进行较详细的阐述，母线洞、交通洞和通风洞等辅助洞室的监测设计思路和方法大致相同。该电站地下厂房布置在水道系统尾部山体内，山脊走向整体为NW向，山体较雄厚，两侧地形较完整，无横向深切沟谷发育。地面高程为1 190.01 290.0 m，厂房顶拱开挖高程1 069.5 m，底板开挖高程1 015.0 m。主机间内安装4台竖轴单级混流可逆式水泵水轮机组，机组安装高程1 028.0 m。地下厂房区出露的地层岩性主要为侏罗系流纹岩、熔岩角砾岩和花岗闪长斑岩岩脉。厂房区发育有14条断层，断层发育规模一般较小，出露宽度一般为0.050.10 m，断层破碎带由碎裂岩和断层泥组成；发育有J2裂隙密集带，出露宽度1.52.0 m。地下厂房埋深较大，洞室围岩为弱微风化岩体。地下厂房区地下水主要为基岩裂隙水，主要由大气降水补给，赋存于断层和裂隙密集带等构造部位。地下水位埋深70100 m，高出地下厂房顶拱约75125 m，岩体主要以弱微透水为主。电站装机规模为120万kW（30万kW4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 m24.5 m54.5 m（长宽高），主变洞平行布置在主厂房下游侧，总By CUI Haibo:Monitoring design of underground powerhouse of pumped storage power station42http:/20233 大坝与安全开挖尺寸为151.4 m21.0 m22.0 m（长宽高）。环绕主厂房、主变洞设有上、中、下三层排水廊道，地下厂房洞室典型横断面见图1。该抽蓄电站的装机规模和厂房洞室布置形式较为常见，有一定代表性，以此为例进一步阐述厂房系统监测设计。图1 地下厂房洞室典型横断面Fig.1 Typical section of underground powerhouse地下厂房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、应力应变和温度监测等。地下厂房及主变室规模较大，围岩条件较好，但受f3、f4、f5、f7、f12、f19等多条断层切割，对围岩整体稳定不利。因此，除考虑在断层切割影响围岩稳定的位置，以及代表性关键部位设置主监测断面外，另在主监测断面间穿插设置辅助监测断面，以整体监测洞室围岩的安全与稳定。地下厂房设置主监测横断面3组，辅助监测横断面3个，厂房中心线和主变室中心线各设置监测纵断面1个。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，以及围岩与支护结构、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，在高边墙、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、多点位移计和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；深圳抽蓄电站也采用了滑动测微计，鉴于滑动测微计安装精度要求高、工序繁多，建议慎重选用。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；如不具备条件，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，一般以4个以上测点为宜，其中最深测点距洞壁一倍以上洞跨，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，多点位移计典型布置见图2。图2 多点位移计监测典型布置Fig.2 Typical layout of multipoint displacement meters内空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（埋设的内空收敛测点）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，既可监测围岩内空收敛变形情况，又可利用其监测结果对多点位移计进行校核与修正，收敛测点典型布置见图3。也存在个别工程施工过程中取消厂房及主变室内空收敛监测，而补充增加多点位移计和锚杆应力计进行变形监测的情况。例如荒沟抽水蓄能电站，因其厂房及主变室为大跨度、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，因此取消了收敛变形监测4。2.1.2 渗流监测地下水监测也是重要的监测项目。由于山体地下水、引水系统渗漏水和库区渗水等原因，地下厂房围岩会产生渗水。为快速有效排出围岩渗水，上层排水廊道上层排水廊道上层排水廊道中层排水廊道下层排水廊道中层排水廊道母线洞主厂房主变洞上层排水廊道上层排水廊道上层排水廊道中层排水廊道下层排水廊道母线洞图例多点位移计中层排水廊道主厂房主变洞崔海波，等：抽水蓄能电站地下厂房监测设计浅析43Dam and Safety 20233http:/图3 收敛测点典型布置Fig.3 Typical layout of convergence measurement points通常环绕主副厂房、主变室等主要洞室设置三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、测压管和量水堰组合的方式。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，结合多点位移计和锚杆应力计的布置，渗压计常布置于主厂房顶拱、上下游边墙吊车梁、上游边墙中下部和主变室顶拱、下游边墙。渗压计典型布置见图4，1个典型横断面布置6支渗压计，布置方式较精简高效，丰宁抽蓄、文登抽蓄等电站均采用该布置方式5。但不同设计单位有各自的设计理念和习惯，布置方式也不一样。桓仁抽蓄电站在主厂房下游边墙和主变室上游边墙未设置渗压计，1 个横断面布置 9 支渗压计6；天荒坪抽蓄电站则采取主厂房和主变室皆对称布置渗压计的形式，1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结果确定。图4 渗压计典型布置Fig.4 Typical layout of osmometers2.1.3 温度监测围岩温度采用电测温度计监测。电测温度计设置在典型断面，具体为：在厂房上游边墙中上部钻孔内沿孔深安装埋设4支电测温度计，在主变室下游边墙中上部钻孔内沿孔深安装埋设3支电测温度计。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选择，并通过三维有限元计算进行验证。初期常以喷锚支护为主，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采用锚杆应力计和锚索测力计，当洞室顶拱有必要设置钢筋混凝土衬砌结构时，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，布置原则与多点位移计相同。根据监测锚杆长度选择锚杆应力计的布置数量，一般4 m以下锚杆布置1支锚杆应力计，48 m锚杆布置2支锚杆应力计，8 m以上锚杆布置34支锚杆应力计。锚杆应力计典型布置见图5。图5 锚杆应力计典型布置Fig.5 Typical layout of anchor stress gauges锚索测力计用于监测岩体或支柱与地下厂房中支架及大型预应力钢筋混凝土结构之间的锚索荷载，即监测锚索锚固力及锁定后可能发生的荷载损失率。锚索测力计布置于有支护锚索的洞室，宜布置在围岩内部变形和支护锚杆应力监测点附近。经对十余个电站进行初步统计，布置数量一般为锚索总量的5%10%，在关键部位或锚索数量较少的情况下，监测点布置比例可适当放大。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、梁体结构的应力应上层排水廊道上层排水廊道上层排水廊道中层排水廊道下层排水廊道母线洞图例收敛测点棱镜装置中层排水廊道主厂房主变洞上层排水廊道上层排水廊道上层排水廊道中层排水廊道下层排水廊道中层排水廊道母线洞主厂房主变洞图例渗压计收敛测点棱镜装置上层排水廊道上层排水廊道上层排水廊道中层排水廊道下层排水廊道母线洞图例锚杆应力计中层排水廊道主厂房主变洞By CUI Haibo:Monitoring design of underground powerhouse of pumped storage power station44http:/20233 大坝与安全变、壁座的压应力和梁体变形等。岩壁吊车梁典型监测布置见图6。图6 岩壁吊车梁典型布置Fig.6 Typical layout of rock-bolted crane beam（1）锚杆应力计监测锚杆受力情况。岩壁吊车梁3排锚杆均需进行应力监测，根据受拉锚杆长度，每根沿深度方向设置34支锚杆应力计。其中最上排锚杆的1支锚杆应力计常布置于梁体内，了解锚杆在梁体内的受力情况；而对于下倾受压锚杆，每根常沿深度方向在锚入岩石部分设置2支锚杆应力计。上述为常规布置方式，不同的锚固形式可能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的过渡区增加了一排水平向锚杆，监测布置时对水平向锚杆也布置了1支锚杆应力计7。（2）压应力计监测壁座受压应力情况。根据梁体结构应力计算结果布置在受力最敏感部位，通常在壁座表面布置23支压应力计。（3）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。（4）钢筋计、应变计组和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、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确定，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。3 结 语笔者对抽蓄电站厂房监测设计工作进行了系统性思考，借鉴十余座抽蓄电站厂房监测设计工程实践，总结提出了厂房系统监测设计方法，对监测项目的选择进行理论分析，为类似工程安全监测设计提供参考。此外，关于厂房监测设计，有以下几点建议和想法：（1）在开展厂房监测设计工作时，各设计院在监测部位和典型断面选择上基本一致，但在仪器种类、数量和位置选择上有一定差异，主要原因在于设计理念或习惯不同，应对已建电站和在建电站加以总结，制定专门的厂房监测设计规范，以指导和规范厂房监测设计工作。（2）监测仪器选择和布置应做到少而精，突出重点，相互验证，不应求全、求多、求新。（3）应加强施工期监测数据采集和资料分析，切实发挥优化设计和指导施工的作用。参考文献：1 张秀丽,杨泽艳.水工设计手册（第二版）第11卷：水工安全监测M.北京:中国水利水电出版社,2013.2 王盛,王怀良.浅谈惠州抽水蓄能电站地下建筑物安全监测设计J.水利规划与设计,2004(4):25-29.3 张彬,高平.深圳抽水蓄能电站安全监测设计和施工中若干问题的探讨J.红水河,2019,38(6):5-8.4 彭立斌,任建钦,徐岩.荒沟抽水蓄能电站招标阶段安全监测设计优化J.水利科技与经济,2012,18(10):98-99,110.5 支旭,吕风英,刘占海.丰宁抽水蓄能电站（一期）地下厂房开挖期阶段性安全监测分析J.陕西水利,2019(12):169-172,176.6 张殳,朱海龙.辽宁省桓仁抽水蓄能电站安全监测设计J.东北水利水电,2011,29(3):11-14.7 杨弘,夏锋,聂辉,等.溧阳抽水蓄能电站地下厂房岩壁吊车梁监测设计与施工期监测资料分析J.大坝与安全,2014(5):35-44.收稿日期：2020-05-19；修回日期：2022-06-06作者简介：崔海波（1986），男，黑龙江讷河人，博士，高级工程师，主要从事交通工程、水工结构等方面的科研、设计及管理工作。作者邮箱：梁体砂浆锚杆砂浆锚杆岩壁立面壁座砂浆锚杆图例测缝计锚杆应力计压应力计钢筋计四向应变计无应力计崔海波，等：抽水蓄能电站地下厂房监测设计浅析45