万家寨引黄入晋工程一级泵站运行监测资料分析

万家寨引黄入晋工程一级泵站运行监测资料分析

0地下水泵概况山西省万家寨黄岐水库工程从黄河万家寨水库引至山西省太原、大同、平朔等城市，年流量483s。每年废水为12.108m3。整个线路由总干线、南干线、北干线及连接段4个部分组成,总长457km。其中,一期工程包括总干线、南干线及连接段3个部分已经建成,并于2001年9月起开始试通水,2002年10月通水至太原呼延水厂,2003年8月起实现连续供水至今。总干线一级泵站位于山西省西北部万家寨乡以南清沟左岸山体下,处于引黄工程首部,是引黄的第一级提水工程。泵站距万家寨水库1.15km,为地下泵站,厂房尺寸规模较大,安装有10台机组,设计扬程142m,属高水头、大流量、多机组的大型抽水工程。泵站前后分别与总干线3号、总干线4号输水隧洞相连,进水系统包括直径12m的进水调压井、干管、支管,出水系统包括直径12m的出水调压井、支管、干管、高压竖井,地下厂房洞室群包括主副厂房,进、出水阀室廊道以及交通洞、通风洞、电缆竖井等。泵站地处区域构造稳定地段,岩体较为完整,仅发育两组中等程度构造裂隙。主厂房埋深150～180m,地下水量甚微,地应力值小,故具备良好的地质条件,围岩分类多属Ⅱ类。本文拟对总干线一级泵站运行10余年的安全监测资料进行全面分析,以期对泵站建筑物的工作性态及其安全稳定性获得一定程度的认识,为今后工程的运行、维护和管理提供参考依据。1围岩稳定性测项目总干线一级泵站的进、出水系统及厂房均布置了很多振弦式监测仪器,监测项目包括围岩稳定性、衬砌应力应变、接缝开合度、渗透压力等,详见表1。其中,泵房围岩内的多点位移计及锚杆应力计在通水运行后未再纳入自动化观测系统内,同时出水岔管的锚杆应力计至2002年未再继续观测。2监控指标的选择本文采用设计值或规范规定的允许值进行监测量的评判,具体详述如下。1裂缝宽度设计钢筋混凝土衬砌是按承载能力极限状态设计的,采用允许开裂但限制裂缝宽度设计。因此根据设计书,Ⅰ级(Q235)钢筋的设计强度值为195MPa。2围岩渗压分布既然允许开裂,隧洞充水后内水外渗是必然的现象,然而渗压过大会威胁到围岩的稳定。观测围岩内渗压分布还可以检查混凝土衬砌的灌浆效果,并从另一侧面反映裂缝扩展的情况。根据引黄工程地应力现场测试成果,允许劈裂最小地应力为3MPa。3围岩的变形位置岔管开挖洞径约5.5m,埋深大于300m,最大允许收敛量约0.4%。3最高应力和过程图谱调压井的特点是洞径大而承受水头低,但钢筋应力却并不小。其应力集中现象在整个引黄工程中最为突出,比岔管还严重。在各调压井井底与平洞交接的相同部位均出现了很高的拉应力,其位置见图1。上述仪器编号为GP1_R509,GP1_R510,GP1_R519,GP1_R520,GP1_R559及GP1_R560共6支。埋设初期,这几支仪器就出现很高的拉应力,最高应力在89.7～174.2MPa之间,平均值为131.6MPa,详见表2及过程线图2,而其他部位几乎没有超过100MPa的测点。它们的主要成因是围岩的强约束、温降和应力集中等因素,这种情况非常典型,对地下洞室的设计和施工有一定参考价值。进入运行期后,调压井的钢筋应力变化基本稳定,只是在2004年春季温降较大时,应力有所增加。除这些应力集中部位外,运行期间调压井钢筋应力整体相对较低,除个别测点外基本在50MPa以内。应变计布置在完整的圆筒横剖面内,环、轴向均匀分布,没有布置在应力集中部位。从整体看,混凝土应变情况正常,仅有1支超过200με(1με=10-6),最大值为243με。调压井内渗压计一半为内水渗压测点,一半为外水渗压测点。渗压较大的4支渗压计GP1_P503,GP1_P504,GP1_P553和GP1_P554都埋设在衬砌混凝土内,从变化规律来看,各点处每年通水初期渗透压力明显增大,通水结束压力迅速回落,最大为400kPa,这显然是受衬砌开裂的影响。调压井缝隙呈微小张开状态,变化很小,年变幅基本在0.3mm以内。围岩变位也非常小,年变幅基本都在0.2mm以内。4衬砌应力及内水外渗出水岔管承受的内水压力高、形状复杂,是总干线一级泵站安全监测重点之一,衬砌应力及内水外渗情况是监测重点项目。设计在泵站的2号、6号岔管及主管段均选取了一个部位,共布置仪器122支。4.1gp1r62钢在较短回路中的拉应力岔管应力各部位差别悬殊,主管最大环向应力仅为86.1MPa。相比之下,岔管应力要大得多,二者交接处应力最为集中。高拉应力基本上是在施工期和第一次通水期形成的,2002年后趋向稳定和减小。2004年通水期间,温度相对往年较低,约有半数中、低应力测点的拉应力有所增加,但绝大部分原有高拉测点基本不变,表明岔管钢筋应力仍在缓慢地作内部调整,进一步趋向均匀化。2005年至2007年是春末通水,水温明显高于2004年同期温度,所以高拉应力有较明显的回落。2008年末第3次通水,此时已近冬季,水温已接近零度,在低温和高水压力的作用下,衬砌普遍出现高拉应力。2009年至2011年也均选择在10月以后进行通水,通水后管内都出现了接近零度的低温,钢筋应力仍没有明显改善。目前在正常工作仪器中,位于主、岔管交接处的GP1_R362拉应力最大,达到154.8MPa,但与2009年、2010年相比未见其增长,具体如图3所示。总的看来,衬砌钢筋应力变化正常,未超过设计值,在整体上未见有显著恶化趋势。4.2温降+内水压力岔管共埋设应变计20支,环向、轴向各10支。而在主、岔管交接部分,即钢筋应力最高部位,并未埋设。拉应变在混凝土浇筑后不久即迅速发展,至2000年冬季达到第一个高峰,至2001年冬季首次蓄水达到一个高峰。受通水温度的影响,2004年春季又达到一个高峰。2008年年底的低温通水再次达到一个新的高峰。温降+内水压力这种荷载组合,显然为产生高拉应力的主要原因。截至目前,20支应变计中有5支最大拉应变已超过200με,有1支应变计已超过300με,位于主管顶部GP1_S308处,最大值接近600με。4.31年10月之后在各岔管外围岩内均成环状布置2层共10支渗压计,总数为20支。总干一级泵站岔管外围岩内的渗压在埋设初期有所上升,部分测点渗压值增加100～150kPa,折合水头约10～15m,这是地下水位的影响。但通水后大部分围岩内的渗压确有比较明显的上升。围岩约5/8的测点渗压在2004年春季通水期间显著上升,这和同期衬砌拉应力,导致裂缝进一步扩展是一致的。经过2009年10月的2次通水后,由于温度较低,混凝土裂缝张开,渗透压力普遍增大。2010年年初受2009年10月通水影响,相当对一部分测点渗压继续增大,最大增幅达750kPa(GP1_P307),部分测点渗透压力超过历史极值,如GP1_P303,GP1_P305,GP1_P307,GP1_P308,GP1_P309,GP1_P310,GP1_P352等,这说明该次通水过程在这些部位存在较为明显的内水外渗现象。通水结束后渗透压力迅速回落。2011年通水期间上述部位渗压也出现不同程度的增大现象,但增幅远小于2010年。具体如图4所示。4.4混凝土的收缩在各岔管断面混凝土与围岩接缝处均埋设了3支测缝计,2个岔管共6支。可明显发现,各处缝隙都是在岔管混凝土浇筑后第一个降温季节因混凝土收缩形成并扩展的,它主要受温度影响。各管均以顶部的缝隙最大,同一位置的GP1_J302,GP1_J352缝宽变幅分别达1.98mm和3.85mm,它和该处钢筋混凝土的应力值很高的现象一致。通水运行以后各处缝隙均基本维持原状,波动较小,无增大迹象。4.5围岩畸变位置围岩变位非常小,年变幅基本在0.2mm以内,截止到目前最大向外位移为3.92mm,最大收敛量0.071%,远小于允许值。5地下水对渗压的影响出水平洞和竖井钢筋应力量值很小,基本在50MPa以内变化。竖井缝隙呈微小张开状态,平洞测缝计测值先后增大到1.5mm左右,然后保持稳定,通水对测缝计测值的影响不明显。围岩位移测值几乎不变,说明围岩稳定性好。平洞渗透压力主要是地下水的作用。竖井952m高程水平截面的2支仪器在2004年通水初期,渗压曾分别达1299kPa和1029kPa,升温后才缓慢下降;2005年至2007年由于水温高于往年,渗压有所降低;2008年受低温通水影响,渗压再次升高,详见图5。竖井监测断面高于平洞监测断面,承受的内水压力比平洞小,外渗压力却大于平洞,可见内水外渗情况比较严重。6排水系统的渗压厂房吊车梁与岩壁间缝隙小而稳定,最大宽度0.3mm,略呈年周期性变化,没有明显趋势性,也不受通水过程的影响。出水阀室的渗压较小,2006年以后,939.65m高程的2个测点在通水期间有所反应,自2006年至今上述2个测点外部渗压依然存在,且渗压并没有随着通水结束而有所回落,表明此处渗压主要是受地下水影响。截至2011年两者最大渗压分别为16kPa和49kPa。7建筑物运行期间是否发生重大变化总干线一级泵站大多数部位的安全稳定性良好,应力量值小,围岩稳定,缝隙开合度变化极微,通水以后很多监测量有