猴子巖地下廠房圍巖變形監(jiān)測成果分析

胡 升 偉

(中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 況

猴子巖水電站采用首部式地下廠房，布置在大渡河右岸壩軸線上游一側(cè)的山體中，廠房縱軸線方位為N61°W。依次設(shè)有主廠房、主變室、尾水調(diào)壓室，三大洞室呈“一字型”平行布置，中間為主變室，兩邊分別為主廠房和尾水調(diào)壓室，每兩臺機(jī)組由一條尾水連接洞連接主廠房、主變室及尾調(diào)室。兩相鄰洞室間隔的巖柱厚度相同，取為45m(吊車梁以上)[1]。

地下廠房、主變室、尾調(diào)室附近的巖體完整性總體較完整，一般微風(fēng)化，無卸荷。右岸高地應(yīng)力區(qū)位于水平埋深250 m以后的地層，洞址區(qū)最大主應(yīng)力方向接近區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力最大主應(yīng)力方向，這是區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力場與地形自重應(yīng)力場疊加的結(jié)果，洞址區(qū)地應(yīng)力隨地層的水平埋深增大而增加，局部應(yīng)力集中，屬于高地應(yīng)力量級區(qū)域。地下廠房無區(qū)域斷裂通過，僅主機(jī)間上游一條寬1.0 m～1.5 m的斷層F1-1發(fā)育，以及次級小斷層、擠壓破碎帶和節(jié)理裂隙等結(jié)構(gòu)面，廠房部位巖體完整性總體為較完整～完整，圍巖以Ⅲ1類為主[2]。

本文根據(jù)猴子巖水電站地下廠房現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，考慮圍巖開挖高程進(jìn)度及溫度變化和時(shí)效對圍巖變形的影響，采用回歸分析方法探究各分量對圍巖變形的影響程度，借助位移等值線圖全面地了解圍巖變形的發(fā)展情況。

2 變形統(tǒng)計(jì)模型

通過大量地下洞室圍巖變形規(guī)律的研究以及巖石力學(xué)圍巖變形理論，巖石的蠕變曲線分為四部分：瞬時(shí)彈性應(yīng)變、應(yīng)變不斷增加而應(yīng)變速率不斷減慢的過渡蠕變、以恒定速度增長的常蠕變、加速增長直至破壞的加速蠕變，實(shí)際工程通常用流變模型來模擬巖石蠕變的過程。

根據(jù)粘彈性地層變形的本構(gòu)關(guān)系和工程實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在地下廠房圍巖變形中開挖高程、溫度、時(shí)效、地質(zhì)構(gòu)造條件、開挖方式、外部荷載及支護(hù)方式等對其會造成一定的影響，其中尤以開挖高程、溫度和時(shí)效的影響最為顯著。開挖高程的變化會引起應(yīng)力重分布，對初始地應(yīng)力場造成一定影響，從而引起巖體的變位。溫度變化會對巖體產(chǎn)生收縮或膨脹，其受限制后產(chǎn)生的溫度應(yīng)力對巖體變位造成影響。巖體蠕變變位主要受時(shí)效的影響，而開挖導(dǎo)致的卸荷裂隙開展，圍巖應(yīng)力重分布，徐變、壓縮回彈等現(xiàn)象隨時(shí)間推移對圍巖變形增長造成的影響不可逆轉(zhuǎn)，可統(tǒng)一歸結(jié)為時(shí)效位移[3]。

2.1 開挖高程進(jìn)度分量

開挖進(jìn)度實(shí)際上反映了監(jiān)測點(diǎn)至開挖部位的距離，距離越近，開挖的影響越大。巖體最初受初始應(yīng)力場的影響，該應(yīng)力與上覆巖層的重力有關(guān)，開挖會造成上覆巖層的缺失，即臨空面的應(yīng)力為零，在孔壁處三向應(yīng)力狀態(tài)變?yōu)殡p向應(yīng)力狀態(tài)。將這種開挖效應(yīng)的模擬考慮為施加在圍巖開挖邊界上的釋放荷載[4]。開挖高程進(jìn)度分量主要是由開挖造成應(yīng)力釋放而引起的圍巖邊墻變形，一般認(rèn)為地下廠房洞室內(nèi)任一點(diǎn)的位移可能與開挖面與儀器測點(diǎn)的高程差及其二、三次方或四次方成比例。因此，圍巖變形的開挖高程進(jìn)度分量δH可由下式表達(dá)：

δH=a0+a1(H1-H0)+a2(H1-H0)2+a3(H1-H0)3+a4(H1-H0)4

(1)

式中：H0監(jiān)測儀器安裝高程，m；H1圍巖開挖高程，單位：m。

2.2 溫度分量

引起圍巖位移的溫度因素，主要是溫度變化引起的溫度應(yīng)力及巖體熱脹冷縮變形受到周圍巖體的約束作用而發(fā)生向孔口處位移。由彈性力學(xué)分析可知，圍巖在變溫場作用下任一點(diǎn)的變位與各點(diǎn)的溫度變化值呈線性關(guān)系。在計(jì)算過程中，洞室邊界巖體溫度的變化，是由于氣溫的季節(jié)性變化引起，故可采用一天之中溫度實(shí)測值的均值表示溫度位移分量。圍巖變形的溫度分量δT可由下式表達(dá)：

δT=(b0+b1T)

(2)

式中：T觀測日當(dāng)天平均氣溫，℃。

2.3 時(shí)效分量

地下廠房圍巖的徐變、支護(hù)接觸面或裂縫的變化及巖體節(jié)理裂隙的壓縮等因素，都會導(dǎo)致圍巖的非彈性變形，這種變形隨時(shí)間增長而變化，過程不可逆，也稱時(shí)效位移。正常運(yùn)行狀態(tài)下的地下廠房圍巖時(shí)效位移在初期變化較快，后期變化較慢，最終趨向穩(wěn)定[5]。根據(jù)時(shí)效位移的變化規(guī)律并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)(考察實(shí)測位移過程線)，圍巖變形的時(shí)效分量δt可由下式表達(dá)：

δt=c0+c1t+c2ln(t)+c3t/(t+100)

(3)

式中：t計(jì)算年份1月1日算起至觀測日的累計(jì)天數(shù)，d。

2.4 圍巖變形統(tǒng)計(jì)模型

地下廠房圍巖變形采用多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測，一般假定監(jiān)測儀器最深點(diǎn)為不動點(diǎn)，其余各點(diǎn)相對不動點(diǎn)沿孔口方向的位移即為圍巖的變形量。以圍巖的變形量為效應(yīng)量δ，以開挖高程進(jìn)度分量δH、溫度分量δT和時(shí)效分量δt為自變量，其余可考慮為常量，則地下廠房圍巖變形統(tǒng)計(jì)模型可由下式表達(dá)：

δ=δH+δT+δt

(4)

式中：δH開挖高程進(jìn)度引起的彈性位移分量；δT溫度變化引起的彈性位移分量；δt非彈性位移分量，即時(shí)效位移分量。

圍巖變形統(tǒng)計(jì)模型最終表達(dá)為：

(5)

式中：C常數(shù)；H0監(jiān)測儀器安裝高程，m；H1圍巖開挖高程，單位：m；T觀測日當(dāng)天平均氣溫，℃；t計(jì)算年份1月1日算起至觀測日的累計(jì)天數(shù)，d。

3 回歸分析

表實(shí)測位移量、溫度和開挖面高程與對應(yīng)時(shí)間表

y=-956.818+2.245(H0-H1)+1.216T0-182.385ln(t)+2504.051t/(t+100)

(6)

逐步回歸后復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.994，回歸效果很好，且殘差基本在0值附近波動，表明所選統(tǒng)計(jì)模型符合圍巖變形實(shí)際情況。

圖實(shí)測位移與回歸值比較過程線圖

采用回歸方程式(6)來考察各分量對效應(yīng)量的影響大小，式(6)中開挖高程進(jìn)度分量、溫度分量和時(shí)效分量分別為：2.245(H0-H1)、1.216T0和-182.385ln(t)+2504.051t/(t+100)，將每次觀測取得的開挖面與測點(diǎn)高程差代入開挖高程進(jìn)度分量，溫度實(shí)測值代入溫度分量，開挖天數(shù)代入時(shí)效分量，選擇各分量最大值和最小值的差值作為效應(yīng)量的影響值。

各分量最大值和最小值的差值ΔH、ΔT、Δt對效應(yīng)量影響權(quán)重采用下式計(jì)算：

ρi=(Δi)/(ΔH+ΔT+Δt)

(7)

式中：i代表開挖高程進(jìn)度分量、溫度分量和時(shí)效分量；ΔH計(jì)算的開挖高程進(jìn)度分量最大值和最小值的差值；ΔT計(jì)算的溫度分量最大值和最小值的差值；Δt計(jì)算的時(shí)效分量最大值和最小值的差值。

4 位移等值線

根據(jù)地下廠房現(xiàn)場實(shí)測監(jiān)測數(shù)據(jù)，選取2#機(jī)組3-3監(jiān)測剖面多點(diǎn)位移計(jì)2016年3月19日監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制上、下游邊墻和頂拱的圍巖變形等值線詳見圖2。

由圖2可知，地下廠房深層圍巖變形量基本在10 mm以下，淺層圍巖變形量大多在30 mm以上，尤其是兩側(cè)邊墻中上部。地下廠房開挖后，靠近監(jiān)測儀器孔口位置的圍巖受到的周圍巖體約束作用減小，出現(xiàn)應(yīng)力釋放而產(chǎn)生向儀器孔口方向的變形；而深層圍巖受到的約束作用較大，不易發(fā)生變形，且越向巖體深處，約束越大，變形越小。因此，在進(jìn)行地下廠房圍巖變形監(jiān)測時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測儀器的孔口變形。另外，圍巖變形在時(shí)間和空間上與圍巖應(yīng)力變化存在很好的關(guān)聯(lián)性，也需關(guān)注其附近部位的支護(hù)荷載變化情況，如錨桿應(yīng)力計(jì)和錨索測力計(jì)的監(jiān)測成果，這樣有助于更加全面地了解圍巖變形規(guī)律。

5 結(jié) 語

(1)通過描述圍巖變形與開挖高程進(jìn)度、溫度和時(shí)效的關(guān)系，采用逐步回歸的方法，計(jì)算所得復(fù)相關(guān)系數(shù)R=0.994，回歸效果很好，且殘差基本在0值附近波動，表明所選統(tǒng)計(jì)模型符合圍巖變形的實(shí)際情況。各回歸分量對圍巖變形的影響程度為：影響最大的是開挖高程進(jìn)度分量，其次是時(shí)效分量，影響最弱的是溫度分量。

圖2 2#機(jī)組3-3監(jiān)測剖面位移等值線圖

(2)位移等值線表明監(jiān)測儀器孔口位置圍巖變形較大，監(jiān)測時(shí)應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其變形情況，圍巖變形在時(shí)間和空間上與圍巖應(yīng)力變化存在很好的關(guān)聯(lián)性，也需關(guān)注其附近部位的支護(hù)荷載變化情況，有助于更加全面地了解圍巖變形規(guī)律。