水布埡大壩安全監(jiān)測設計與新型儀器應用

摘要: 水布埡混凝土面板堆石壩最大壩高233m，在設計、施工等方面均存在超常規(guī)的技術問題，無先例和經(jīng)驗可借鑒。為此，針對水布埡地形、地質(zhì)條件和建壩材料的特點，將水布埡堆石壩混凝土面板應力變形分析作為專題，列入了國家“九五”科技攻關項目。研究表明，高面板壩可能存在的主要問題是:壩體變形大導致接縫張開、止水失效或面板斷裂而造成大量漏水，影響大壩及水庫的正常運行。

關鍵詞: 安全監(jiān)測;設計;新型監(jiān)測儀器應用;水布埡水利樞紐

中圖分類號: TV698.1 文獻標識碼: A

安全監(jiān)測是直接對工程原型進行觀測，比模型試驗、有限元分析等更加真實、客觀地反映大壩的運行性態(tài)。因此，針對水布埡高面板堆石壩，在混凝土面板及堆石壩的關鍵部位進行全面的安全監(jiān)測，對監(jiān)視工程安全、指導施工及驗證設計均具有重要的實際意義。本文針對面板堆石壩的安全監(jiān)測設計和采用的新型監(jiān)測手段進行介紹，供相關工程參考。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設計

1.1 設計原則

安全監(jiān)測包括兩種措施，即儀器監(jiān)測和巡視檢查。針對水布埡工程的特點，按照國家有關規(guī)范，本工程監(jiān)測系統(tǒng)總的設計原則是:

目的明確，突出重點。安全監(jiān)測系統(tǒng)應根據(jù)監(jiān)視樞紐安全運行和及時對工程作出安全評價的需要來設置監(jiān)測項目和監(jiān)測儀器。監(jiān)測系統(tǒng)的重點放在兩個效應量:變形和滲流。從影響工程的安全度考慮，按照重要、一般兩個層次布置監(jiān)測部位。

統(tǒng)一規(guī)劃，分期實施。根據(jù)水布埡工程建設期長達8a的特點，監(jiān)測系統(tǒng)不可能一次建成，特別是施工期必須采集到完整的資料，不可能等監(jiān)測系統(tǒng)完成后進行，因而必須根據(jù)施工計劃和監(jiān)測規(guī)劃分期實施。設計中既要考慮到監(jiān)測工程的整體性和系統(tǒng)性，同時又要保證監(jiān)測設備能與主體工程建設同步施工，按時運行，適時采集，及時處理和分析。

一項為主，互相檢校。各種監(jiān)測項目要互相檢校，以便在資料分析和解釋時相互印證。在系統(tǒng)布置方面同樣考慮自動化監(jiān)測和人工監(jiān)測功能互相檢校。確保監(jiān)測資料的完整性，防止因設備故障而造成漏測和資料系列被中斷。

性能可靠，操作簡便。監(jiān)測儀器的選擇應滿足“技術成熟、性能可靠、操作簡便”的原則，其次，監(jiān)測儀器還應具有先進性、經(jīng)濟性和長期穩(wěn)定性，能反映出現(xiàn)代大壩安全監(jiān)測的技術和水平。

永臨結合，節(jié)約投資。永久監(jiān)測設備的布置適當結合施工期監(jiān)測的需要，在施工期及時觀測，為施工安全監(jiān)測服務，以減少施工期臨時監(jiān)測儀器的數(shù)量，節(jié)約工程投資。

1.2 主要監(jiān)測項目及內(nèi)容

水布埡高面板堆石壩堆石體的變形、混凝土面板的變形和蓄水后大壩滲漏量的變化是工程安全運行重點關注的問題。有限元計算成果表明，大壩的最大沉降為壩高的0.76%～0.98%，面板的最大撓度值為79.0cm。周邊縫變形的設計確定值為:張開5.0cm，沉降5.5cm，剪切3.0cm。由于模型試驗和有限元分析不可能完全模擬所有的邊界條件，工程中受堆石料的密實度、施工程序、施工工藝等因素的影響，實際情況比計算情況要復雜得多，只有通過對原型進行全面監(jiān)測，才能掌握工程的運行性態(tài)，了解工程的安全狀況。

變形監(jiān)測。面板堆石壩的變形監(jiān)測包括面板、堆石體和壩基3部分的變形監(jiān)測。

滲流監(jiān)測。滲流監(jiān)測包括壩基滲透壓力、壩體及壩基滲漏量、滲漏部位和繞壩滲流的監(jiān)測。

面板應力和溫度監(jiān)測。通過埋設的光纖應變計、弦式應變計、鋼筋計、溫度計等，觀測面板的應力應變和溫度。

1.3 主要監(jiān)測斷面

面板堆石壩的主要監(jiān)測斷面包括3個重要監(jiān)測斷面和1個一般監(jiān)測斷面，大部分測點主要布設在這些斷面上。3個重要監(jiān)測斷面樁號分別為0+124、0+220m和0+364m。重要監(jiān)測斷面上將綜合布置各類監(jiān)測項目的測點，對混凝土面板和堆石體變形、滲流、面板應力等重要物理量進行監(jiān)測。一般監(jiān)測斷面布設在樁號0+448m處，該部位的面板均處于橫向拉應力區(qū)，主要布設周邊縫和板間縫開度測點。

2 主要監(jiān)測設施設計布置

2.1 變形監(jiān)測設施的布置

水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)。根據(jù)水布埡樞紐壩區(qū)地形及壩后滑坡分布情況，平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)由基本網(wǎng)和擴展網(wǎng)兩級構成?；揪W(wǎng)為首級網(wǎng)，由5點組成;擴展網(wǎng)為二級網(wǎng)，由13點組成。兩級網(wǎng)的測邊、測角觀測精度要求完全一樣，擴展網(wǎng)還可根據(jù)觀測的需要補充網(wǎng)點。各網(wǎng)點的點位精度控制按最小二乘法進行估算，滿足各點誤差橢園長半徑不大于1mm的要求。

垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)。垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)的基準點埋設在右岸大壩下游，距壩軸線約3km的黑馬溝處，并在大壩下游距壩軸線約7km處設1座校核基點，基準點成組埋設3座水準標石，水準路線沿兩岸上壩公路、壩頂和水布埡大橋布設，組成一等水準環(huán)線。水準路線總長約12km，水準網(wǎng)點約20個。垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)要求嚴格按《國家一、二等水準測量規(guī)范》中一等水準測量精度要求施測。

大壩基礎變形監(jiān)測。在河床中部最大壩高監(jiān)測部位的壩基，針對壩基覆蓋層布設有5支基巖變形計，以監(jiān)測壩基面的相對沉降量?；鶐r變形計鉆孔孔深為15～20m。

面板堆石壩表面變形監(jiān)測。在大壩表面布設7條平行于壩軸線的視準線，其中上游面板402m高程處1條，其余6條布設于下游壩面的230、260、300、335、375m和408m高程處，測線上按48～70m間距布設視準線測點，共計布設56個測點。工作基點設在兩岸穩(wěn)定基巖上，對于超過500m長的測線，選擇中間的測點為增設工作基點，每一測點均應建造一座觀測墩，墩頂安裝強制對中基盤，其視準線觀測精度要求遵循《土石壩安全監(jiān)測技術規(guī)范》SL60-94的規(guī)定。同時，在每一測點墩座上設置一個水準標點，參照國家三等水準測量方法觀測各測點的垂直位移。

堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測。堆石體內(nèi)部變形采用水平垂直位移計監(jiān)測。儀器按不同的高程，從下至上隨壩體填筑進程埋設。水平垂直位移計集中布設在3個重要監(jiān)測部位上。中間最大壩高斷面布設5條，分別布設在235、265、300、335m和370m高程處;兩岸岸坡斷面各布設3條，分別布設在300、335m和370m高程處，共計11條測線和72個測點。

混凝土面板撓度監(jiān)測。在0+212m和0+356m兩個重要監(jiān)測斷面的面板上各布有1條撓度測線，測線上測點布置原則:0+212m斷面共布設45個測點，其中1/3～2/3壩高間按3～4m間距布設測點，其余按5～8m間距布設測點;0+356m斷面共布設25個測點，測點間距按中部密兩頭疏的原則布設，測點間距4～8m。

面板與墊層間脫空監(jiān)測。脫空采用二向測縫計觀測，測點布設在一期和二期面板頂部靠近水平施工縫處，共布置脫空監(jiān)測點20個。

面板周邊縫監(jiān)測。周邊縫采用三向測縫計觀測，共布設13個測點，其中河床處布設2個，左岸岸坡5個，右岸岸坡6個。測點的分布基本上覆蓋了整個周邊縫，并顧及了右岸邊坡的兩個轉(zhuǎn)折點。

面板與防浪墻間縫面監(jiān)測。采用二向測縫計觀測，結合面板監(jiān)測斷面，在面板與防浪墻縫面處布設6個測點。

板間縫監(jiān)測。采用單向測縫計觀測，板間縫監(jiān)測主要針對二、三期面板兩岸部位的張性板間縫布設測點。共計布設 46支測縫計。

2.2 滲流監(jiān)測設施布置

壩基滲透壓力監(jiān)測。在最大壩高監(jiān)測斷面的壩基及壩體下部的周邊縫處布設滲壓計監(jiān)測壩基的滲透壓力。另外，為監(jiān)測趾板帷幕前、后基巖內(nèi)的滲透壓力，沿址板灌漿帷幕布設有14個滲壓計孔。在各滲壓孔中分層埋設有1支、2支或3支滲壓計，共計有28支滲壓計。

壩體滲漏量監(jiān)測。在下游壩腳設置1座量水堰，以監(jiān)測壩體和壩基的總滲漏量。

滲漏部位監(jiān)測。在面板底部沿周邊縫的下游部位布設一套分布式光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，以監(jiān)測周邊縫可能產(chǎn)生滲漏的部位。該系統(tǒng)通過高精度的分布式溫度測量，找出可能的低溫滲漏區(qū)。

繞壩滲流監(jiān)測。在大壩左、右岸5層帷幕灌漿平洞中，并針對可能滲漏的斷層和夾層布設鉆孔式測壓管監(jiān)測繞壩滲流情況，共布設63根測壓管。

2.3 面板應力和溫度監(jiān)測設施布置

混凝土應力?；炷翍νㄟ^應變計和無應力計觀測，儀器主要布設在4個監(jiān)測斷面的面板上，一般在混凝土面板中以30m左右間距布設測點。除面板底部的測點采用三向應變計組外，其他部位均采用兩向應變計。以上共計4組三向應變計、30組二向應變計。另外，為取得面板混凝土的溫度特性和自生體積變形，布設14支無應力計，無應力計埋設于過渡層內(nèi)。

鋼筋應力。鋼筋應力采用鋼筋計觀測。測點布設與應力應變監(jiān)測位置同，大多數(shù)測點布設在順坡向和水平軸向的面板表層鋼筋上，局部布有雙層結構鋼筋的部位，在其底層鋼筋也布設了部分鋼筋計，共計布設74支鋼筋計。

面板混凝土溫度。除以上用于觀測面板應力的應變計和鋼筋計兼測混凝土溫度外，還在河床部位的面板混凝土中部，每隔30m布設1支溫度計觀測混凝土溫度的變化。共計布設15支溫度計。

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