王慶勇 段穎驥 魏 波

(1.新疆額爾齊斯河流域開(kāi)發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000；2.北京市海淀區(qū)西北旺鎮(zhèn)水務(wù)管理站，北京 100094)

我國(guó)幅員遼闊，但水資源相對(duì)短缺，且分配不均，水災(zāi)水患頻發(fā)，治水任務(wù)繁重、治水難度大。我國(guó)已修建了9.8萬(wàn)多座水庫(kù)大壩、32萬(wàn)km的5級(jí)以上堤防工程，已建成的水工隧洞約10000km，在建和規(guī)劃的水工隧洞約3000km[1-2]?！笆濉睍r(shí)期，為加快健全我國(guó)水資源配置和城鄉(xiāng)供水體系，興建了眾多引調(diào)水工程，如安徽的引江濟(jì)淮、云南的滇中引水、青海的引大濟(jì)湟、內(nèi)蒙古的引綽濟(jì)遼、陜西的引漢濟(jì)渭等?！笆奈濉逼陂g，堅(jiān)持“節(jié)水優(yōu)先、空間均衡、系統(tǒng)治理、兩手發(fā)力”的治水思路，繼續(xù)完善水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，將修建更多的引調(diào)水工程。受地形、調(diào)水高差以及城市用地限制，新建引調(diào)水工程或多或少都有地下輸水隧洞的型式。輸水隧洞的建設(shè)面臨著地質(zhì)條件復(fù)雜、高地應(yīng)力等難題[3]，但建設(shè)單位和運(yùn)行管理單位大多關(guān)注建設(shè)期和通水前后的安全狀況，且在通水前后一段時(shí)期，該發(fā)生的變形和應(yīng)力調(diào)整均已達(dá)到平衡狀態(tài)，正常運(yùn)行后，一般會(huì)隨著通水工況的改變而發(fā)生一定的變化，如果地質(zhì)條件不存在較大缺陷，不會(huì)產(chǎn)生異常變化，因此有關(guān)引調(diào)水隧洞運(yùn)行期安全監(jiān)測(cè)分析的相關(guān)文獻(xiàn)較少[4-7]。

本文對(duì)頂山長(zhǎng)距離引水隧洞多年來(lái)的運(yùn)行情況進(jìn)行介紹，該隧洞穿過(guò)大型斷裂帶，運(yùn)行多年來(lái)，變形、受力仍未收斂，通過(guò)對(duì)其監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析評(píng)價(jià)，可為新建工程監(jiān)測(cè)布置和已建工程的資料分析提供借鑒。

1 概 述

1.1 工程概況

頂山引水隧洞位于新疆北部，隧洞全長(zhǎng)15.351km，由進(jìn)口明渠段、洞身段、出口消力池段、出口明渠段及進(jìn)出口進(jìn)洞道路組成，為Ⅱ等工程，該隧洞建筑物為2級(jí)，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為30年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇。隧洞為無(wú)壓明流隧洞，隧洞樁號(hào)0+000進(jìn)口高程603.301m，樁號(hào)14+890出口高程589.058m，隧洞縱坡1/1050，馬蹄形斷面尺寸為5.2m×5.2m，設(shè)計(jì)流量47.5 m3/s。

隧洞所處地段地勢(shì)平坦，隧洞通過(guò)地層為第三系始—漸新統(tǒng)砂巖、泥質(zhì)砂巖和泥巖、砂質(zhì)泥巖，夾少量含礫砂巖及砂礫巖，巖層一般呈巨厚層和厚層狀、少數(shù)為透鏡體狀分布，弱膠結(jié)或及超固結(jié)狀態(tài)，巖層產(chǎn)狀290°NE∠2°～3°，巖層走向與洞軸線(xiàn)夾角66°。隧洞段穿過(guò)烏瑪依斷裂(4+431和4+911斷面附近)，該斷裂為區(qū)域性斷裂構(gòu)造，破碎帶寬5～10m，影響帶寬100m，產(chǎn)狀275°～295°SW∠70°～80°，洞軸線(xiàn)與斷裂呈大角度相交，橫向通過(guò)隧洞。洞身一般埋深為45～60m，最大埋深81m。巖性極弱，隧洞洞身段的圍巖均屬Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，易風(fēng)化，遇水極易崩解，成洞條件差。

1.2 安全監(jiān)測(cè)布置

本工程共布置10個(gè)主要監(jiān)測(cè)斷面，埋設(shè)安全監(jiān)測(cè)傳感器145支，在圍巖、格柵拱架、襯砌混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)埋設(shè)有多點(diǎn)位移計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)、鋼筋計(jì)、應(yīng)變計(jì)和無(wú)應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測(cè)儀器，用以監(jiān)測(cè)工程的變形、應(yīng)力等變化規(guī)律，監(jiān)測(cè)儀器布置情況見(jiàn)圖1～圖4。

圖1 安全監(jiān)測(cè)斷面布置

圖2 多點(diǎn)位移計(jì)位移計(jì)安裝布置(單位：mm)

圖3 一次支護(hù)典型監(jiān)測(cè)斷面儀器布置(單位：mm)

圖4 襯砌混凝土內(nèi)監(jiān)測(cè)儀器布置

2 監(jiān)測(cè)資料分析

2.1 圍巖變形

目前圍巖變形量在-0.77～33.25mm之間，主要受通水運(yùn)行工況變化影響而產(chǎn)生一定變化，其中11+410斷面7ME1～7ME5測(cè)點(diǎn)位移量從2009年開(kāi)始持續(xù)呈緩慢增大的趨勢(shì)，有可能是外部地面產(chǎn)生了抬升或者洞室內(nèi)部下沉，建議在不通水時(shí)段進(jìn)行洞內(nèi)巡視檢查看是否有裂縫，并對(duì)地面孔口高程進(jìn)行復(fù)測(cè)看是否有隆起。過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖5～圖6。

圖5 11+410斷面7ME1-1位移過(guò)程線(xiàn)

圖6 11+410斷面7ME1- 4位移過(guò)程線(xiàn)

重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面圍巖最大變形量達(dá)33.25mm(11+410斷面7ME1測(cè)點(diǎn)孔口位移)，圍巖變形分布見(jiàn)圖7，以地表為相對(duì)不動(dòng)點(diǎn)，越靠近孔口變形越大，符合洞室圍巖變形一般規(guī)律。從特征值分布(見(jiàn)圖8)來(lái)看，近10年來(lái)，每年年變幅保持在4～8mm左右。

圖7 11+410斷面7ME1位移分布

圖8 11+410斷面多點(diǎn)位移計(jì)7ME1-1特征值分布

2.2 圍巖錨桿應(yīng)力

當(dāng)前圍巖錨桿應(yīng)力均表現(xiàn)為壓力，量值在-62.08～-4.98MPa之間，典型測(cè)點(diǎn)過(guò)程線(xiàn)見(jiàn)圖9，目前應(yīng)力水平較為穩(wěn)定，無(wú)趨勢(shì)性變化。

圖9 3+409斷面圍巖頂拱錨桿應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

2.3 格柵拱架鋼筋應(yīng)力

格柵拱架鋼筋應(yīng)力在-221.05～139.60MPa之間，其中斷裂帶附近的4+428斷面鋼筋應(yīng)力量值較大，從典型測(cè)點(diǎn)過(guò)程線(xiàn)(見(jiàn)圖10～圖11)可以看出，最大壓應(yīng)力發(fā)生在斷裂帶附近樁號(hào)4+428處的3RF1-2測(cè)點(diǎn)，最大拉應(yīng)力發(fā)生在樁號(hào)3+360處的2RF2測(cè)點(diǎn)，目前格柵拱架鋼筋應(yīng)力隨著運(yùn)行工況及溫度變化產(chǎn)生一定波動(dòng)，基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖10 4+428斷面3RF1-2鋼筋應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

圖11 3+360斷面2RF2鋼筋應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

2.4 混凝土襯砌

2.4.1 混凝土鋼筋應(yīng)力

混凝土襯砌內(nèi)鋼筋應(yīng)力主要與通水運(yùn)行影響有關(guān)，當(dāng)前測(cè)值在-36.80～65.46MPa之間，從過(guò)程線(xiàn)(見(jiàn)圖12～圖13)來(lái)看，斷裂帶附近的4+431斷面和14+805斷面部分鋼筋應(yīng)力有趨勢(shì)性增大的情況，但總體量級(jí)不大。

圖12 斷裂帶附近3R1-3測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

圖13 14+805斷面9R1測(cè)點(diǎn)鋼筋應(yīng)力過(guò)程線(xiàn)

2.4.2 混凝土應(yīng)力應(yīng)變

襯砌混凝土應(yīng)力應(yīng)變受通水工況影響較大，斷裂帶附近的4+431斷面應(yīng)力應(yīng)變?cè)?292.19～978.04)×10-6之間，其余測(cè)點(diǎn)在(-353.88～172.20)×10-6之間。由圖14和圖15可以看出，斷裂帶附近的混凝土應(yīng)力應(yīng)變近8年來(lái)呈拉應(yīng)變大幅增加的趨勢(shì)，而附近鋼筋應(yīng)力增加量值不大，混凝土可能已經(jīng)開(kāi)裂，需在不通水時(shí)段進(jìn)行洞內(nèi)巡視檢查看是否有裂縫。

圖14 斷裂帶附近4+431斷面應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)

圖15 斷裂帶附近4+431斷面應(yīng)力應(yīng)變過(guò)程線(xiàn)

從應(yīng)變特征值分布(見(jiàn)圖16～圖17)可以看出，斷裂帶附近的4+431斷面各測(cè)點(diǎn)最大值、最小值、年均值均表現(xiàn)為持續(xù)增加趨勢(shì)，其中以3S1-3測(cè)點(diǎn)拉應(yīng)變最大。

圖16 斷裂帶附近3S1-1測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變特征值分布

圖17 斷裂帶附近3S1-3測(cè)點(diǎn)應(yīng)力應(yīng)變特征值分布

3 結(jié) 論

本隧洞工程布置了一套相對(duì)完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)設(shè)施可靠性及完備性基本可滿(mǎn)足建筑物安全評(píng)價(jià)需求。通過(guò)運(yùn)行近20年的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，各監(jiān)測(cè)量主要受通水運(yùn)行工況變化影響而產(chǎn)生一定變化，目前圍巖變形、鋼筋應(yīng)力、混凝土應(yīng)變?nèi)栽谥鹉暝黾?，現(xiàn)對(duì)工程運(yùn)行性態(tài)總結(jié)如下：

a.樁號(hào)11+000處的圍巖變形呈逐年增加的趨勢(shì)，有可能是外部地面產(chǎn)生了抬升或者洞室內(nèi)部下沉，建議在不通水時(shí)段進(jìn)行洞內(nèi)巡視檢查看是否有裂縫，并對(duì)地面孔口高程進(jìn)行復(fù)測(cè)看是否有隆起。

b.圍巖應(yīng)力量級(jí)不大，且已基本趨于穩(wěn)定。

c.格柵拱架鋼筋應(yīng)力量級(jí)較大，最大拉應(yīng)力為139.60MPa，最大壓應(yīng)力達(dá)到-221.05MPa，目前均已趨于穩(wěn)定。

d.斷裂帶附近的混凝土應(yīng)力應(yīng)變近8年來(lái)呈拉應(yīng)變大幅增加的趨勢(shì)，而附近鋼筋應(yīng)力增加量值不大，該部位混凝土可能已經(jīng)開(kāi)裂，建議在不通水時(shí)段進(jìn)行洞內(nèi)巡視檢查看是否有裂縫。