三峡工程施工期安全监测与信息施工实践

1、概述

    三峡工程安全监测系统是一个为全面、准确掌握各种建筑物工作状态和安全度的庞大监测系统，随时对各建筑物的工作状态和安全度作出评价，对工程的正常运行起着重要的保证作用。在工程施工期，安全监测工作还可为动态优化设计、施工决策和为科研服务等方面发挥重要作用。

    信息施工法是近年来发展起来的一项新的施工技术。其基本思路是，在工程施工准备阶段和施工期，通过一系列观测与测试工作，获得新的资料信息，将其反馈设计，使获得的实测参数与原设计选取的参数进行对比，重新选择施工参数，将施工现场观测到的变形、应力等实测值与理论计算值比较，修改施工参数和调整施工措施。显然，信息施工法的实质是动态优化设计加施工决策。

    2、安全监测实例

    2.1 二期围堰变形监测与基坑抽水

    1998年是三峡工程大江截流后抢修二期围堰和基坑抽水的关键施工年，又恰逢长江持续特大洪峰，二期围堰的运行工况成为有关各方关注的重点，尤其是基坑抽水期堰体滑塌、防渗墙的变形等。为确保二期围堰施工和基坑抽水，对围堰变形等进行了系统的监测。实测堰体最大水平和垂直位移量分别为302mm和628mm；自1998年6月25日，基坑开始抽水以来，上游围堰防渗墙向基坑方向累计变形最大增加了570mm和520mm。在基坑限制性抽水和初期抽水期间，该断面防渗墙体的变形速率平均约5.4mm/d。

    由分析知，防渗墙及堰体的变形主要与基坑水位和堰外江水位变化引起的水头差、堰体填筑和防渗墙施工质量等因素影响有关。由于堰外江水位变化受洪峰影响具有可预测性，堰内水位变化则取决于施工需要。在堰外江水位受洪峰影响可能升高和防渗墙及堰体的变形加大时，可以停止基坑抽水减小水头，以降低防渗墙及堰体的变形速率。

    2.2 永久船闸工程开挖过程中的监测与信息施工

　　随着永久船闸的开挖进入闸室槽阶段，断层出露导致出现一些块体，这些块体影响了直立墙的稳定。

    2.2.1 一闸首中隔墩南侧f1050断层置换工程

    根据设计要求，要对一闸首中隔墩南侧f1050断层顶部以下约40m的断层破碎带进行置换。为保证断层置换施工过程的安全，在f1050断层顶部两侧布设TP/BMl27GP02、TP/BM128GP02监测点(见图1)。观测工作从1998年9月14日开始，为满足施工安全需要，初期每天观测1次，随着施工进展逐步调整观测周期为每周2次、1次；每月2次、1次。至1999年10月15日，TP127GP02向中1竖井X方向最大位移5.64mm；累计向北槽中心线最大位移为5.68mm；TPl28GP02累计向南线中心线最大位移6.31mm；向上游最大位移5.91mm；累计沉陷分别为6.51mm和7.39mm。

    由于观测成果以简报形式当天报送有关部门，从而保证了f₁₀₅₀断层的置换处理全过程的正常进行。

图1 f₁₀₅₀断层变形监督布置图

    2.2.2 二闸首南坡f1239断层锚固工程

    二闸首南坡因f₁₂₃₉断层切割所形成4019m³的较大块体，配合加固处理措施，在该块体共埋设锚索测力计9台(图2中SC*、D*)，多点位移计测孔2个(图2中MD*)，另在断层上盘顶部布设1个变形监测标点(图2中TP/BM*)。从近期f₁₂₃₉部位的安全监测成果分析看，在没有新的外作用力(如爆破)时，该块体变形将趋于稳定。

    2.2.3 断层上盘顶部变形监测

    f₁₂₃₉断层上盘顶部变形监测点向边坡方向位移与开挖过程线见图3.a。由图可以看出，该部位边坡变形明显受闸室开挖影响，但其变形符合一般规律。初步认为f1239断层切割的大型不稳定块体目前处于稳定状态。

    2.2.4 水平多点位移计监测

    位于f₁₂₃₉部位上部的MD13GP02孔的变形过程线(图3.b)，表明各测点的变形均在收敛，以1999年1月4日为基准，1999年9月13日的向边坡方向的变形值最大为0.8mm。

图2 f₁₂₃₉断层监测布置图

    这表明f₁₂₃₉部位上部的结构面有闭合的趋势。从位于f₁₂₃₉部位下部的MD14GP02(X=15389.5m，Y=157.5m)孔的变形过程线看出，该孔所有的测点在1999年3月15日受下部爆破的影响，结构面张开，指向闸室的变形值增加，随后的测试亦表明，各测点的变形趋于稳定。这两个测孔变形测试结果基本反映出该块体区目前处于稳定状态，可与锚索测力计成果互相验证。

    2.2.5 锚索测力计监测

    通过测值和图3.c分析，位于块体上的监测锚索锚固力值呈现明显的波动状态，这与永久船闸一期的监测锚索锚固力曲线较平稳有明显区别。其主要原因是这些测试锚索都安装在块体区，而这些块体区断层较多，裂隙发育，锚索锚固力很容易受到外界气温及降水的影响。因外界气温及降雨频繁的变化，亦导致锚固力频繁地波动。1999年度锚固力的波动范围在60～130kN之间。这表明，在没有强外力(如爆破)的影响下，锚索的锚固力已基本稳定下来。

    监测锚索的最大与最小锚固力，在每年度出现时间比较一致。一般在每年2月出现最大锚固力值，是因为此时外界气温较低导致钢绞线收缩，且由于降雨的因素导致结构面润滑，抗剪参数及内摩擦角减小，均导致锚索的承载力增加。而最小锚固力一般在每年7月份出现，这是因为此时外界气温较高导致钢绞线松弛，且由于天气晴朗导致结构面干燥，抗剪参数及内摩擦角增大，由此导致锚索的承载力减小。

    2.2.6 二闸首中隔墩北侧倒悬块体处理工程

    中隔墩二闸首北侧岩体受不利结构面影响，于1999年4月出现局部跨塌，方量约2656m³，使结构面上部岩体形成约3400余m³的倒悬块体，对是否保留该块体，业主、设计、监理和施工单位各方意见分歧较大。

    为迅速了解该倒悬块体的变形状态，以制定倒悬块体的施工处理方案，对位于块体顶部的监测点TP136GP01进行了加密观测。初期每天1次的观测成果，在当天下午就以简报形式报送到有关部门。由于观测结果并没有反映出该块体的异常变化，从而为设计等有关部门制定倒悬块体的施工处理方案提供了唯一的、最重要的基础资料。

    在倒悬块体锚固施工方案制定后的施工过程中，每2天1次的观测结果，仍未反映出该块体的异常变化，保证了施工处理方案的顺利进行。

    随后在对倒悬块体下部北槽的保护层岩体进行开挖过程中，又对监测点TPl36GP01每天观测1次。由图4可以看出，在1999年9月17日，下部爆破开挖第1天，测点TP136GP01Y方向出现1次突变，累计位移量值从2.38mm递减至0.44mm，随后位移值稳定在0轴附近波动，近期虽有所回弹，但累计位移量值始终保持在较低水平。从而说明该倒悬块体在经过锚固处理和控制开挖爆破药量等措施后，处于稳定状态。

    从中隔墩二闸首北侧岩体受不利结构面影响出现局部跨塌，制定处理错施，到倒悬块体锚固施工和其下部保护层岩体开挖的全过程，历时5个多月，监测人员共完成79测次，由于及时报送监测数据，保证了整个施工过程的有序进行。

图3.a f₁₂₃₉断层上盘顶部变形监测点位移过程线图

图3.b f₁₂₃₉部位两孔水平多点位移计位移过程线

图3.C f₁₂₃₉锚索测力计锚固力测值与损失率过程线图

图4 二闸首中隔墩北侧岩体变形监测点位移过程线图

    3、结束语

    5年多来的安全监测实践表明，监测工作除在施工中发挥重要作用外，监测成果还可以为以下几个方面服务。

    3.1 优化设计

    在临时船闸与升船机高边坡开挖期间，北坡129m马道出现裂缝宽达10mm，对此各方都十分重视，设计拟采用预应力锚索来加固边坡，且准备施工处理，随后结合该部位的实际地质情况，监测成果反映边坡变形量很小，且测值趋于稳定，说明山体边坡稳定性状良好，该结果被设计采纳，减少处理工程量，为工程建设节约了投资。

    通过对船闸高边坡岩体爆破、松弛范围的监测，使边坡锚杆深度有据可依，原设计方案主要为系统锚杆，后结合监测资料加设了随机锚杆，使边坡支护加固更有针对性，更具合理性。

    3.2 工程施工

    1996年8月19日，升船机北坡5+083附近，钻孔测斜仪IN05GP03位移量异常，为进一步分析资料的连续性与可靠性，将该监测孔的数据绘制了位移深度曲线，发现孔深26m处有一滑动面，位移速率有快速增加趋势，随即进行了现场巡视，发现了事故隐患，并将此情况及时通报给了有关单位，避免了安全事故的发生。

    1997年7月11日，在通航建筑物下游隔流堤施工期变形监测时，监测点月位移量突变，水平位移42.9mm、下沉119.9mm。现场巡视检查发现监测点附近产生了多条纵向分布的裂缝，靠江边侧还有约10m长的塌陷区，航道侧有浑浊水渗出。险情通报有关单位后，及时采取相应的工程抢险措施，一方面往下游航道内冲水平压；另一方面向长江侧抛填石渣压住相应的坡脚，迅速排除了险情，确保了施工期隔流堤的安全。

    由于永久船闸工程地下输水洞开挖先于地面槽挖完工，为了解地面爆破对输水洞断面上的振动影响，进行了爆破振动影响监测。成果说明，在当时条件下，顶拱边墙底板的最大振速分别在9～10、4～7及4～5cm/s范围，即顶拱最大，边墙次之，底板最小。按现有施工规范建议的新浇混凝土安全控制标准，为确保混凝土浇筑质量，只有底板具备混凝土浇筑的可能性。显然，监测成果对于当时正确指导施工，确保工程质量起到了重要的作用。

    3.3 科学研究

    三峡工程从开工开始，许多科研项目随之而进行，如三峡船闸高边坡施工期安全监测快速反馈系统技术研究；三峡大坝及坝基施工期的正反分析模型研究等项目。无论是保障安全确定监控指标课题，还是指导施工改进工艺课题，都离不开监测资料的支持；反之，科研项目的开展无疑会提高监测理论水平。从某种角度上讲，三峡工程带动了相关科研发展，安全监测信息资料为发展创造了条件。