非接触式收敛监测技术在白鹤滩电站泄洪洞开挖中的应用

罗雪锋，周 蕊

(水电五局五分局白鹤滩水电站泄洪洞项目经理部，四川 宁南，615421)



非接触式收敛监测技术在白鹤滩电站泄洪洞开挖中的应用

罗雪锋，周 蕊

(水电五局五分局白鹤滩水电站泄洪洞项目经理部，四川 宁南，615421)

白鹤滩水电站泄洪洞地质条件复杂，开挖跨度大，安全隐患高，监控量测极其重要。本文以白鹤滩水电站3#泄洪洞开挖为例，简要介绍了非接触式洞室收敛监测方法的应用情况及操作要点，即利用全站仪的ATR功能，远距离测定点位的三维坐标，通过数据分析获取变形量。

白鹤滩水电站 泄洪洞开挖 非接触式监测技术

1 工程概况

白鹤滩水电站位于金沙江下游四川省宁南县和云南省巧家县境内，开发任务为以发电为主，水库正常蓄水位825.00m，总库容206.27亿m3，电站总装机容量16000MW。拦河坝为混凝土双曲拱坝，最大坝高289m，坝顶高程834.0m。

左岸3条泄洪洞均采用龙落尾型式的无压泄洪直洞。其中，3#泄洪洞上平段典型开挖断面为17.4m×20.4m(宽×高)，“龙落尾”段开挖断面为(17.4～19.5)m×20.4m(宽×高)，城门洞型。

泄洪洞沿线为单斜地层，玄武岩岩流层产状总体为N40°～50°E，SE∠15°～25°。洞身自下游向上游依次穿过P2β12、P2β13、P2β14、P2β2、P2β3、P2β41和部分P2β42岩流层，岩性为杏仁状玄武岩、隐晶质玄武岩夹角砾熔岩、凝灰岩、玄武质碎屑砂岩、含灰岩角砾玄武岩等。其中，P2β3层顶部的P2β36为厚0.01m～1.3m的凝灰岩，P2β34顶部为厚0.1m～0.7m的凝灰岩，P2β2层顶部的P2β24为厚0.3m～1.75m的凝灰岩。凝灰岩岩质软弱，遇水易软化。3#泄洪洞围岩类别主要以Ⅱ类、Ⅲ1类为主，Ⅳ类次之，具体围岩类别情况见表1。

表1 3#泄洪洞围岩类别统计

白鹤滩泄洪洞属于大型洞室，开挖安全隐患高，必须采取相应的监控量测措施将安全隐患消除在萌芽期。为此，白鹤滩水电站泄洪洞开挖采用非接触式监控量测法进行监测。

2 非接触式监测法工作原理

非接触式测量是指在不接触被测物体的前提下进行精准测量。非接触式收敛监测技术是利用全站仪的ATR功能，在全站仪望远镜里安装了一个CCD(Charge Coupled Device)阵列用作图像处理，工作时发射一束红外激光，通过光学部件被同轴投影在全站仪视准轴上，从物镜口发射出去，由测距反光片进行反射。望远镜里的专用分光镜将反射回来的ATR光束与可见光、测距光束分离出来，引导ATR光束至CCD阵列上，形成光点，其位置以CCD阵列的中心作为参考点来精确的确定。CCD阵列将接收到的光信号转换成相应的影像，通过复杂的图像处理算法，计算出图像的中心，即测点的三维空间坐标。

3 监测方案实施

3.1 监测断面布置

结合白鹤滩泄洪洞开挖方案，在洞室顶拱、距顶拱高度8m、12m左右边墙各布置一组收敛测点(见图1)，当开挖部位完成后及时安装反光板，配合全站仪进行收敛变形监测。

图1 泄洪洞分层开挖、收敛监测点位布置

结合洞室尺寸、形状、地质条件及现场施工情况，监测断面布置在距掌子面2m～5m处，其他部位按1断面30m～50m布设。具体布设要求见表2。

表2 收敛变形观测断面间隔标准

注：在连续出现良好地质时，可适当加大间距；在地质变化复杂时，可适当减小间距。

3.2 反光片安装

测点反光片螺栓埋设，利用风钻在顶拱、对应边墙点打出30cm深度的孔，埋入长度25cm直径20mm的螺纹钢，孔洞用砂浆锚固，在螺纹钢端头焊接钢板，粘贴收敛测量的反光片。

3.3 数据采集与计算

3.3.1 观测频次

根据有关规范及要求，在监测时期，从围岩开挖至衬砌支护完成后60d，监测频次由密至疏，并且不少于30个测次。监测读数频次见表3。

表3 监测读数频次

3.3.2 数据处理

收敛监测点安装粘贴式反光片，采用全站仪自由设站观测法施测各断面上两点间的相对坐标和高程，计算每条测线的长度，不同时段的测线长度的变化量即为该测线围岩收敛量。

根据每测点的位移通过近似计算可求得收敛量。

近似计算的假设：

①洞壁轮廓线位移为径向位移，切向位移忽略不计；

②基线角度变化忽略不计；

③假定各测点均在同一断面上；

④假定拱顶点位移为垂直位移，即顶拱沉降量。

采用三角形法(海伦公式)计算，观测的围岩相对收敛量是各两点的位移变化，即两点位移之和，两侧点各自的位移可以通过近似分配计算求得。测点布置为对称三角形，其测点位移计算方法如图2所示。

图2 收敛监测点位计算

△A=h-ht△B=lb-lbt△C=lc-lct

其中，△A、△B、△C分别代表A、B、C三测点的位移；a、b、c和at、bt、ct分别为三条基线的初始长度和t时刻长度。

lct=(at2+bt2-ct2)/2at；lbt=at-lct；

图3 3#泄洪洞0+318m断面收敛变形时序

4 监测数据分析

根据收集的监测数据，及时绘制辅助分析图表和图形。如围岩变化量随时间变化关系曲线(或折线)，利用定性或定量相结合的分析方法，对围岩的稳定性作出综合分析。现以3#泄洪洞0+318m桩号收敛数据(表4)为例进行分析。

表4 泄3#0+318m收敛监测数据统计

说明：表中数据(DB测线沉降量和AC测线水平变化量)是指本次成果相对于上次成果的变化值。

依据表4数据，结合办公软件(EXCEL)，绘制收敛变形曲线(如图3)。

由图3可得结论，随着时间的变化，变形量趋于稳定，说明此处围岩稳定，能确保施工安全。

5 结语

在隧道开挖过程中，除了永久监测外，施工期的安全监测也尤为重要。目前，行业内大、中型地下洞室数量较多，而且施工环境、地质条件复杂，快速、高效、准确地进行临时监测是施工难点。本工程开挖实践表明，非接触式收敛监测方法，可减少大跨度洞室施工中位移量测的困难，并可解决传统的接触量测中量测数据无法正确反映洞室的偏压变形、整体下沉的状态，并且其设站灵活、施工干扰小，量测精度高，能够及时快速掌握围岩是否变形，为调整开挖支护方法提供数据支撑。

〔1〕廉旭刚，戴华阳.隧道围岩变形监测及变形规律分析[J].矿山测量，2008.

〔2〕杨松林，刘维宁，师红云，黄 方.全站仪自由设站隧道围岩变形非接触监测理论和方法的研究[J].土木工程学报，2006.

罗雪锋(1986.6-)，男，山西大同人，现任水电五局五分局白鹤滩水电站泄洪洞项目部测量队副队长，助理工程师，从事测量研究管理工作。

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