雙江口地下洞室群自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析與預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用研究

廖鴻江 劉海波 張竣朝

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 611130；2.國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)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(duì)象，在采集圍巖變形信息時(shí)，使用的主要設(shè)備為自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，使用自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析和預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)其信息的高效分析，獲得完善的圍巖變形分級(jí)預(yù)警評(píng)價(jià)結(jié)論，使該區(qū)域圍巖變形情況得到及時(shí)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(jí)開(kāi)發(fā)上游控制性水庫(kù)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(jī)容量達(dá)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(kāi)挖尺寸分別為主副廠房長(zhǎng)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(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析與預(yù)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(yán)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(yán)重和地應(yīng)力較大的地質(zhì)環(huán)境施工時(shí)，施工的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)較大。當(dāng)斷面較大時(shí)，地下洞室的設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，爆破施工使用的炸藥劑量增大，導(dǎo)致安全性降低。

雙江口地下洞室群自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析與預(yù)警系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)的采集層、分析層與預(yù)警層等三個(gè)層面和圍巖變形自動(dòng)采集系統(tǒng)、實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)和自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)等三個(gè)系統(tǒng)。

3 圍巖變形自動(dòng)化采集系統(tǒng)

3.1 多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)

雙江口水電站地下洞室群多點(diǎn)位移計(jì)型號(hào)為VWM型振弦式，位移計(jì)的主要成分有PVC護(hù)管、信號(hào)傳輸電纜、護(hù)罩、護(hù)管、護(hù)管連接座、不銹鋼測(cè)桿、錨頭、安裝基座以及位移傳感器等。被測(cè)結(jié)構(gòu)物發(fā)生位移變形時(shí)，多點(diǎn)位移計(jì)的錨頭將測(cè)桿帶動(dòng)起來(lái)，測(cè)桿在拉動(dòng)位移計(jì)拉桿后，出現(xiàn)位移變形。位移計(jì)拉桿的位移變形向振弦傳遞振應(yīng)力，使振弦的振動(dòng)頻率發(fā)生改變。

3.2 安裝多點(diǎn)位移計(jì)

（1）安裝主廠房多點(diǎn)位移計(jì)。

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

經(jīng)過(guò)中層排水廊道朝主副廠房埋設(shè)的位移計(jì)有7套，所有的多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測(cè)的數(shù)值均為相對(duì)位移值。

①2018年2月，安裝首套監(jiān)測(cè)儀器M46CF-02，獲得基準(zhǔn)值，開(kāi)展土建項(xiàng)目施工，除M43CF-01的1#測(cè)點(diǎn)沒(méi)有讀數(shù)以外，其他監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況全部正常。

②2018年11月，邊墻擴(kuò)挖爆破對(duì)主廠房0+030.02斷面造成嚴(yán)重影響，影響深度達(dá)到8 m以上，錨桿應(yīng)力計(jì)Rr2CF-01和多點(diǎn)位移計(jì)M42CF-01的測(cè)量值均出現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。擴(kuò)挖施工結(jié)束以后，監(jiān)測(cè)值基本趨于穩(wěn)定。

③2018年12月末，開(kāi)展0+123.6～0+150.66位置處的側(cè)拱肩擴(kuò)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(diǎn)位移計(jì)M46CF-01和多點(diǎn)位移計(jì)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(hù)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(kāi)展0+097.00～0+116.00位置處的側(cè)拱肩擴(kuò)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(diǎn)位移計(jì)M46CF-01孔口位移值增加到0.8 cm。

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

⑥現(xiàn)階段，地下廠房多點(diǎn)位移計(jì)的累計(jì)位移值保持范圍為-0.07～1.5 cm，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)月變化量保持在-0.07～0.2 cm。在兩側(cè)拱肩擴(kuò)挖施工時(shí)，位移值增長(zhǎng)非常明顯，采取錨桿支護(hù)措施以后，多點(diǎn)位移計(jì)的監(jiān)測(cè)值越來(lái)越平穩(wěn)，從整體的角度分析，該部位多點(diǎn)位移計(jì)的累計(jì)位移量變化不大。

（2）安裝主變室多點(diǎn)位移計(jì)。

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

主變室多點(diǎn)位移計(jì)的累計(jì)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(jì)的取值造成嚴(yán)重的干擾，使上游拱腳位置預(yù)埋的多點(diǎn)位移計(jì)M41ZB-02的1#測(cè)點(diǎn)位移值出現(xiàn)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)到0.04 cm。下游拱腳位置預(yù)埋的多點(diǎn)位移計(jì)M41ZB-03的1#、2#測(cè)點(diǎn)位移值也出現(xiàn)增長(zhǎng)，增長(zhǎng)值分別為0.28 cm和0.17 cm。采取持續(xù)加密觀測(cè)處理以后，位移觀測(cè)值和多點(diǎn)位移計(jì)月變化量的變化都較小，近期觀測(cè)值逐漸趨于平穩(wěn)的狀態(tài)。

（3）安裝尾調(diào)室多點(diǎn)位移計(jì)。

尾水調(diào)壓室內(nèi)埋設(shè)的四點(diǎn)式位移計(jì)共22套。其中，需要經(jīng)過(guò)上層排水廊道朝尾水調(diào)壓室預(yù)埋的四點(diǎn)式位移計(jì)分別為M44WT-04、M43WT-04、M42WT-04和M41WT-04。

尾水調(diào)壓室內(nèi)的多點(diǎn)位移計(jì)的累計(jì)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(diǎn)位移計(jì)月變化量不大，位置觀測(cè)值趨于平穩(wěn)。

3.3 多點(diǎn)位移計(jì)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(yuǎn)程RS485將數(shù)據(jù)全部傳輸?shù)巾?xiàng)目部的電腦終端中或傳輸?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(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)頻率進(jìn)行及時(shí)調(diào)整，使重要時(shí)段的信息得到及時(shí)監(jiān)測(cè)，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(shí)現(xiàn)對(duì)GBMS傳輸?shù)目梢暬冃吻€和變形測(cè)量數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)處理，為今后各項(xiàng)工作的開(kāi)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 圍巖變形實(shí)時(shí)分析系統(tǒng)

4.1 實(shí)時(shí)分析原理

測(cè)量沿著鉆孔不同深度的位移值時(shí)，使用的主要監(jiān)測(cè)設(shè)備為多點(diǎn)位移計(jì)。通常情況下，將孔底設(shè)置成為不動(dòng)點(diǎn)，測(cè)量值指各個(gè)鉆孔位置順著鉆孔方向測(cè)量得到絕對(duì)位移值。使用多點(diǎn)位移計(jì)在獲取監(jiān)測(cè)值時(shí)，可以對(duì)位移坡率、相對(duì)位移值和絕對(duì)位移值進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。

在計(jì)算絕對(duì)位移值的過(guò)程中，以絕對(duì)位移為依據(jù)開(kāi)展評(píng)定工作，在計(jì)算相對(duì)位移值的過(guò)程中，以相對(duì)位移為依據(jù)開(kāi)展評(píng)定工作。獲取位移坡率后，能夠準(zhǔn)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(zhǎng)度的不斷增加，位移值越來(lái)越小，表明支護(hù)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(méi)有達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)，需要采取深部處理措施，提升支護(hù)的穩(wěn)定性，加長(zhǎng)處理支護(hù)錨索或者是支護(hù)錨桿。

4.2 自動(dòng)預(yù)警系統(tǒng)

在對(duì)地下工程中人工或自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施智能預(yù)警分析時(shí)，采取的主要措施為永久監(jiān)測(cè)分析預(yù)警系統(tǒng)。對(duì)預(yù)警狀態(tài)實(shí)時(shí)查詢，在三維模型中相對(duì)應(yīng)的儀器上方標(biāo)注清楚，使用戶及時(shí)、準(zhǔn)確的查找到目前地下工程的實(shí)際狀態(tài)。在查詢歷史預(yù)警信息的過(guò)程中，以歷史數(shù)據(jù)信息報(bào)表和數(shù)據(jù)過(guò)程線為基礎(chǔ)，與環(huán)境量緊密結(jié)合，找到監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的潛在發(fā)展規(guī)律，使建筑物運(yùn)行狀態(tài)的預(yù)測(cè)信息更準(zhǔn)確。

地下洞室群施工期動(dòng)態(tài)安全預(yù)警系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)目標(biāo)遵循“實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、及時(shí)反饋、多級(jí)預(yù)警、快速?zèng)Q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(cè)技術(shù)、智能算法、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、實(shí)時(shí)監(jiān)控技術(shù)在一起，實(shí)現(xiàn)具有先進(jìn)水平的地下洞室群施工期的動(dòng)態(tài)安全預(yù)警功能，及時(shí)確定潛在警情，制定正確的應(yīng)對(duì)方案，為現(xiàn)場(chǎng)工程師指導(dǎo)工程施工或搶險(xiǎn)決策提供科學(xué)依據(jù)及系統(tǒng)支持。

本系統(tǒng)引入邊坡計(jì)算中強(qiáng)度折減的思想，結(jié)合撒文奇等開(kāi)發(fā)的實(shí)時(shí)數(shù)值仿真功能，建立圍巖變形動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)計(jì)算方法，實(shí)現(xiàn)地下洞室群施工期的動(dòng)態(tài)安全預(yù)警。發(fā)生警情時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)安全監(jiān)測(cè)、動(dòng)態(tài)預(yù)警指標(biāo)、專(zhuān)家意見(jiàn)等各種信息綜合評(píng)判工程安全性，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)向指定人員傳送最佳的應(yīng)對(duì)方案，盡可能減小經(jīng)濟(jì)損失。

5 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，雙江口地下洞室群自動(dòng)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析與預(yù)警系統(tǒng)以分級(jí)預(yù)警指標(biāo)體系為基礎(chǔ)，將分級(jí)預(yù)警功能充分展現(xiàn)。各個(gè)監(jiān)測(cè)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(gè)斷面的錨索測(cè)力、錨桿應(yīng)力和圍巖變形通過(guò)二維折線圖直觀的展示出來(lái)，準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)三大洞室不同區(qū)域的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、最大變形值和變形范圍等信息。在對(duì)大跨度地下洞室圍巖表面收斂變形進(jìn)行在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和全斷面準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)時(shí)，使用的主要儀器設(shè)備為柔性測(cè)斜儀，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍巖表面變形發(fā)展趨勢(shì)的科學(xué)預(yù)測(cè)和捕捉，為洞室群信息化施工和動(dòng)態(tài)化支護(hù)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)。該系統(tǒng)采集的變形數(shù)據(jù)已達(dá)上萬(wàn)條，成功預(yù)警安全風(fēng)險(xiǎn)事故十余起，使施工企業(yè)的財(cái)產(chǎn)損失和人員傷亡事故率得到有效控制，為今后土建項(xiàng)目安全施工措施調(diào)整夯實(shí)基礎(chǔ)。