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深部围岩变形特征与温度监测分析

时间:2023-06-18 理论教育 版权反馈
【摘要】:根据多点位移计监测成果,该洞段深部围岩变形有如下特点:1)围岩松弛变形主要发生在开挖阶段,围岩孔口累计位移最大值为43.16mm,松弛深度达到13m,落底开挖后变形达到收敛稳定的时间约90d。温度计监测成果表明:充水前,围岩温度为17~19℃,基本保持稳定。

深部围岩变形特征与温度监测分析

4.1 围岩变形

围岩变形主要以施工期收敛变形监测及深部变形监测为主。主要布置收敛测点及多点变位计。

(1)收敛变形。1#引水隧洞1+540~1+800段为T1绿泥石片岩,以Ⅳ类围岩为主,每隔2~5m布设一个监测断面,共布设92个监测断面(光学法55个,收敛计法37个),安装460个收敛测点,围岩收敛监测断面采用五点六线式,测线布置见图1,通过光学棱镜法或收敛计法施测。从2008年6月开始观测,随混凝土衬砌各监测断面陆续停止观测,至2011年11月结束观测。

根据收敛变形监测成果,该洞段收敛变形有如下特点:

1)二次扩挖前,围岩收敛变形最大测值为383.28mm,出现在1+760断面DE测线;其他部位收敛测值相对较小,大多在100mm以内。二次扩挖后,1+760断面收敛变形仍有所发展,到落底开挖后,DE测线收敛量达到91.22mm,见图2。

图1 收敛监测断面测线布置图

图2 1+760m监测断面收敛测线位移过程线

2)围岩收敛变形较大部位为边墙下部(DE测线),持续时间长;其次是左右拱肩之间(BC测线);顶拱的下沉量相对较小,收敛时间较快。上台阶开挖以后的隧洞底面为平面,对底板围岩提供的变形约束较小,边墙底部的表面支护(拱架和喷层)缺乏与锚杆的有效联系,相对于顶拱和边墙而言,基本上可以认为缺乏支护,这些部位的围岩表面变形缺乏足够约束,这是底部变形量大、持续时间长的根本原因。

3)各断面围岩表面在开挖初期向洞内变形较大,变形持续时间长,局部部位隧洞“缩径”现象明显,围岩已侵占隧洞有效断面。3个月后变形速率逐渐减小,说明系统支护的实施有效地限制了围岩的变形,维持了洞室的稳定。二次扩挖支护后大部分洞段围岩变形变化速率很小,基本趋于稳定,部分断面仍存在持续变形现象,尚未完全收敛。

(2)深部围岩变形。在1#引水隧洞1+540、1+715、1+760、1+788断面共安装埋设21套四点式多点位移计,自2008年11月起测。根据多点位移计监测成果,该洞段深部围岩变形有如下特点:

1)围岩松弛变形主要发生在开挖阶段,围岩孔口累计位移最大值为43.16mm,松弛深度达到13m,落底开挖后变形达到收敛稳定的时间约90d。围岩松弛变形达到收敛稳定后,进行钢筋混凝土衬砌、回填和固结灌浆。灌浆施工对Ⅳ类绿泥石片岩的扰动较大,引起的孔口累计位移增量最大达9.93 mm。固结灌浆结束后,围岩状态基本稳定,见图3。

图3 M1-1+760-3测点实测位移过程线

2)截至2014年7月,实测孔口累计位移为2.12~41.79mm,最大位移发生在1+667断面左拱腰处。2012年10月6日1#引水隧洞充水运行以来,孔口位移变化量为-1.37~0.46mm,平均变化量为-0.34mm,各部位孔口累计位移变化很小,围岩状态基本稳定。

4.2 锚杆应力

根据绿泥石片岩洞段开挖后变形情况,为了提高围岩的自承载能力,对绿泥石片岩洞段实施了超前锚杆、初喷混凝土、钢拱架、系统锚杆(带垫板砂浆锚杆)、复喷混凝土和挂网等支护措施,部分位置实施了锚索、锚筋桩等支护措施。相应的安装了锚杆应力计、压应力计、锚索测力计、锚筋桩应力计等监测仪器。

在1+540、1+665、1+715、1+760、1+788断面拱顶、左右拱腰及左右拱肩共安装埋设25组三点式锚杆应力计,测点深度分别为2 m、4 m、7m;在1+715、1+760断面左右拱腰共安装埋设4组三点式锚筋桩应力计,测点深度分别为2m、4m、6m,自2010年7月起测。根据锚杆(锚筋桩)应力计监测成果,该洞段系统锚杆受力状态有如下特点:

(1)施工期间,锚杆(锚筋桩)应力最大测值为257.42 MPa,发生在1+665断面左拱腰埋深4 m处。应力增加主要发生在落底开挖和固结灌浆期间,灌浆结束后应力逐渐趋于稳定,相应的深部围岩变形也趋于稳定。表明锚杆(锚筋桩)对约束围岩变形、保证围岩稳定性起到显著作用。

(2)充水运行以来,锚杆应力最大增量为81.84 MPa,发生在1+665断面左拱腰埋深2m处,见图4;其次为78.57 MPa,发生在该断面左拱肩埋深7m处;其他断面锚杆应力变化量为-38.85~35.28 MPa。截至2014年7月,实测锚杆应力为-124.34~298.46 MPa,目前各部位锚杆应力变化较小,系统锚杆应力状态基本稳定。

图4 R1-1+665-2测点实测应力过程线

4.3 锚索荷载

在1+680、1+710、1+760、1+790断面共布置10台锚索测力计,自2011年4月起测。锚索测力计监测成果表明:

(1)锚索荷载变化主要发生在隧洞开挖初期,与锁定荷载(1000 k N)相比,1+760断面有3台监测锚索荷载处于衰减状态,荷载损失率为6.89%~13.22%;其他7台监测锚索荷载在锁定后应力有所增加,荷载增长率为0.21%~25.84%。

(2)衬砌、灌浆施工影响较小,实测最大变化量为-63.70 k N。

(3)充水运行以来,监测锚索荷载最大变化量为113.11k N,平均变化量为20.28k N,充水运行对锚索荷载影响较小。截至2014年7月,锚索荷载测值为645.01~1015.60 k N,略高于设计荷载,测值变化较小,锚索受力状态基本稳定。

4.4 围岩温度

绿泥石片岩洞段未布置温度计,取1+102断面来进行分析。在1+102断面共布置3支温度计,测点深度分别为2m、5m、16m,自2008年7月起测。温度计监测成果表明:

(1)充水前,围岩温度为17~19℃,基本保持稳定。

(2)充水运行以来,埋设于衬砌内0.4 m处的应变计温度测值基本可反映出隧洞水温的变化情况,即实测最低水温为4.7℃,发生在2013年1月23日,最高水温为17.8℃,发生在2013年6月26日。

(3)充水运行初期,围岩温度比水温高,受水温影响,围岩温度整体逐渐降低。3个月后,距孔口2m、5m、16m处围岩温度分别为11.3~15.9℃、13.7~16.0℃、15.4~16.3℃,变幅分别为4.6℃、2.3℃、0.9℃。围岩温度随着洞内水温的变化而变化,滞后于水温1个月左右,浅层围岩温度变幅大于深层,变化规律正常。围岩深度大于16m后,围岩温度受水温变化影响较小,基本保持稳定,见图5。(www.xing528.com)

图5 T1-1+102-1~3测点实测温度过程线

4.5 钢筋应力

在1+540、1+625、1+665、1+667.5、1+704.5、1+760各设置1个监测断面,在衬砌内共安装埋设54支钢筋计,自2011年5月起测。钢筋计监测成果表明:

(1)截至2014年7月,环向钢筋以受压为主,最大压应力为116.68 MPa,发生在1+704.5断面拱顶;轴向钢筋以受拉为主,最大拉应力发生为128.86 MPa,发生在1+704.5断面左拱腰。

(2)充水运行以来,钢筋应力变化量为-44.29~43.11 MPa,平均变化量为-2.87 MPa。钢筋应力受到水温影响,水温降低则钢筋应力增大,水温升高则钢筋应力减小,变化规律正常。钢筋应力变幅较小,无明显增大趋势,混凝土衬砌内钢筋应力状态基本稳定。

4.6 混凝土应变

在1+540、1+625、1+665、1+666.75、1+704.5、1+760m各设置1个监测断面,在衬砌内共安装埋设38支应变计、7支无应力计,自2011年6月起测。应变计监测成果表明:

(1)在衬砌混凝土浇筑初期,各部位混凝土基本呈受压状态,90 d龄期后应变值基本稳定,实测应变值普遍为-300~-150με。

(2)在回填、固结灌浆施工过程中,混凝土应变变化较小。

(3)充水运行以来,混凝土应变变化量为-69.78~35.36με,平均变化量为-8.81με,无明显周期变化。截至2014年7月,混凝土应变为-533.40~188.98με,测值变化较小,混凝土衬砌结构状态基本稳定。

4.7 接缝开合度

在1+540、1+625、1+665、1+666.75、1+704.5、1+760断面共安装埋设26支测缝计,自2011年6月起测。测缝计监测成果表明:

(1)在回填、固结灌浆实施之前,实测最大接缝开合度为1.47mm。

(2)在灌浆施工过程中,1+704.5 m断面左拱腰开合度增加1.84mm,其他部位无影响。

(3)充水运行以来,接缝开合度变化量为-0.53~0.59mm,平均变化量为0.02mm。截至2014年7月,最大接缝开合度为1.95mm,测值变化较小,衬砌混凝土与围岩的接缝开合度状态基本稳定。

4.8 接缝压应力

在1+695、1+715、1+760断面共安装埋设9支压应力计,自2010年7月起测,2012年9月停测。压应力计监测成果表明:灌浆前实测应力值均在1 MPa以内,灌浆后应力值基本无变化。接触面上的压应力很小,混凝土衬砌没有受到围岩变形产生的压应力,混凝土衬砌与围岩的状态均比较稳定。

4.9 衬砌外水压力

在1+625、1+665、1+666.75、1+704.5、1+760断面共安装埋设26支渗压计来监测衬砌外水压力,自2011年5月起测。渗压计监测成果表明:

(1)充水运行以来,各监测断面的外水压力与隧洞内水外渗明显相关。隧洞内水压力升高,外水压力测值增大;内水压力降低,外水压力测值减小,变化规律正常。

(2)围岩浅部4m范围内,外水压力实测最大值为321.06 k Pa,出现在1+665断面右拱腰距孔口4m处。围岩浅部的外水压力较小,基本稳定。

(3)围岩深部外水压力实测最大值为701.80k Pa,出现在1+760断面左拱腰距孔口8m处(P1-1+760-2测点),见图6。受到山体地下水位影响,该部位围岩外水压力从2012年12月出现增大,2013年2月后随着山体地下水位的变化而变化。2013年5—9月降雨期间,山体地下水位升高,该部位围岩外水压力随之增大,变化规律正常,近期基本稳定。其他断面围岩深部外水压力基本在250 k Pa以内,变化较小,基本稳定。

图6 P1-1+760-1~6测点实测渗透压力过程线

4.10 充水运行初期监测成果汇总

2012年9 月30日—10月3日进行了1#引水系统试充水,10月7—16日进行了充水试验,10月17—31日进行了1#机组有水调试,10月31—11月4日进行了排水试验,2012年11月5—12日进行放空检查;2012年11月13—18日进行二次充水;2012年12月22日13:00—23:00,进行1#机组甩负荷试验;2012年12月28日8:00—12:00,进行2#机组甩负荷试验,2012年12月31日开始投产发电。1#引水系统运行过程中,调压室竖井水位随发电机组运行情况而变化,见图7。

图7 1#调压室竖井实测水位过程线

充水运行以来,1#引水隧洞绿泥石片岩洞段的围岩变形、锚杆应力、锚索荷载、钢筋混凝土衬砌应力应变、接缝开合度及衬砌外水压力等近两年的监测成果汇总于表1。由监测成果可知,自2012年10月7日充水运行以来,绿泥石片岩洞段的围岩状态基本稳定,支护结构的应力应变状态基本稳定,衬砌外水压力变化基本正常。说明在充水发电运行初期,绿泥石片岩洞段工程安全状态基本正常。

表1 充水运行以来2012年10月6日—2013年7月31日监测成果汇总表

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