水布埡大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)與新型儀器應(yīng)用

摘要: 水布埡混凝土面板堆石壩最大壩高233m，在設(shè)計(jì)、施工等方面均存在超常規(guī)的技術(shù)問題，無先例和經(jīng)驗(yàn)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(diǎn)，將水布埡堆石壩混凝土面板應(yīng)力變形分析作為專題，列入了國家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)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(dǎo)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(yùn)行。

關(guān) 鍵詞: 安全監(jiān)測;設(shè)計(jì);新型監(jiān)測儀器應(yīng)用;水布埡水利樞紐

中圖分類號: TV698.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A

安全監(jiān)測是直接對工程原型進(jìn)行觀測，比模型試驗(yàn)、有限元分析等更加真實(shí)、客觀地反映大壩的運(yùn)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(guān)鍵部位進(jìn)行全面的安全監(jiān)測，對監(jiān)視工程安全、指導(dǎo)施工及驗(yàn)證設(shè)計(jì)均具有重要的實(shí)際意義。本文針對面板堆石壩的安全監(jiān)測設(shè)計(jì)和采用的新型監(jiān)測手段進(jìn)行介紹，供相關(guān)工程參考。

1 監(jiān)測系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)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(diǎn)，按照國家有關(guān)規(guī)范，本工程監(jiān)測系統(tǒng)總的設(shè)計(jì)原則是:

目的明確，突出重點(diǎn)。安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)監(jiān)視樞紐安全運(yùn)行和及時(shí)對工程作出安全評價(jià)的需要來設(shè)置監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測儀器。監(jiān)測系統(tǒng)的重點(diǎn)放在兩個效應(yīng)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(shí)施。根據(jù)水布埡工程建設(shè)期長達(dá)8a的特點(diǎn)，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(jìn)行，因而必須根據(jù)施工計(jì)劃和監(jiān)測規(guī)劃分期實(shí)施。設(shè)計(jì)中既要考慮到監(jiān)測工程的整體性和系統(tǒng)性，同時(shí)又要保證監(jiān)測設(shè)備能與主體工程建設(shè)同步施工，按時(shí)運(yùn)行，適時(shí)采集，及時(shí)處理和分析。

一項(xiàng)為主，互相檢校。各種監(jiān)測項(xiàng)目要互相檢校，以便在資料分析和解釋時(shí)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(shè)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(yīng)滿足“技術(shù)成熟、性能可靠、操作簡便”的原則，其次，監(jiān)測儀器還應(yīng)具有先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)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(shù)和水平。

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

1.2 主要監(jiān)測項(xiàng)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(yùn)行重點(diǎn)關(guān)注的問題。有限元計(jì)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(shè)計(jì)確定值為:張開5.0cm，沉降5.5cm，剪切3.0cm。由于模型試驗(yàn)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(shí)度、施工程序、施工工藝等因素的影響，實(shí)際情況比計(jì)算情況要復(fù)雜得多，只有通過對原型進(jìn)行全面監(jiān)測，才能掌握工程的運(yùn)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(yīng)力和溫度監(jiān)測。通過埋設(shè)的光纖應(yīng)變計(jì)、弦式應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、溫度計(jì)等，觀測面板的應(yīng)力應(yīng)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(diǎn)主要布設(shè)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(xiàng)目的測點(diǎn)，對混凝土面板和堆石體變形、滲流、面板應(yīng)力等重要物理量進(jìn)行監(jiān)測。一般監(jiān)測斷面布設(shè)在樁號0+448m處，該部位的面板均處于橫向拉應(yīng)力區(qū)，主要布設(shè)周邊縫和板間縫開度測點(diǎn)。

2 主要監(jiān)測設(shè)施設(shè)計(jì)布置

2.1 變形監(jiān)測設(shè)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(kuò)展網(wǎng)兩級構(gòu)成?；揪W(wǎng)為首級網(wǎng)，由5點(diǎn)組成;擴(kuò)展網(wǎng)為二級網(wǎng)，由13點(diǎn)組成。兩級網(wǎng)的測邊、測角觀測精度要求完全一樣，擴(kuò)展網(wǎng)還可根據(jù)觀測的需要補(bǔ)充網(wǎng)點(diǎn)。各網(wǎng)點(diǎn)的點(diǎn)位精度控制按最小二乘法進(jìn)行估算，滿足各點(diǎn)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(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)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(shè)1座校核基點(diǎn)，基準(zhǔn)點(diǎn)成組埋設(shè)3座水準(zhǔn)標(biāo)石，水準(zhǔn)路線沿兩岸上壩公路、壩頂和水布埡大橋布設(shè)，組成一等水準(zhǔn)環(huán)線。水準(zhǔn)路線總長約12km，水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)約20個。垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)要求嚴(yán)格按《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》中一等水準(zhǔn)測量精度要求施測。

大壩基礎(chǔ)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(shè)有5支基巖變形計(jì)，以監(jiān)測壩基面的相對沉降量。基巖變形計(jì)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(shè)7條平行于壩軸線的視準(zhǔn)線，其中上游面板402m高程處1條，其余6條布設(shè)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(shè)視準(zhǔn)線測點(diǎn)，共計(jì)布設(shè)56個測點(diǎn)。工作基點(diǎn)設(shè)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(diǎn)為增設(shè)工作基點(diǎn)，每一測點(diǎn)均應(yīng)建造一座觀測墩，墩頂安裝強(qiáng)制對中基盤，其視準(zhǔn)線觀測精度要求遵循《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》SL60-94的規(guī)定。同時(shí)，在每一測點(diǎn)墩座上設(shè)置一個水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，參照國家三等水準(zhǔn)測量方法觀測各測點(diǎn)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(jì)監(jiān)測。儀器按不同的高程，從下至上隨壩體填筑進(jìn)程埋設(shè)。水平垂直位移計(jì)集中布設(shè)在3個重要監(jiān)測部位上。中間最大壩高斷面布設(shè)5條，分別布設(shè)在235、265、300、335m和370m高程處;兩岸岸坡斷面各布設(shè)3條，分別布設(shè)在300、335m和370m高程處，共計(jì)11條測線和72個測點(diǎn)。

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(diǎn)布置原則:0+212m斷面共布設(shè)45個測點(diǎn)，其中1/3～2/3壩高間按3～4m間距布設(shè)測點(diǎn)，其余按5～8m間距布設(shè)測點(diǎn);0+356m斷面共布設(shè)25個測點(diǎn)，測點(diǎn)間距按中部密兩頭疏的原則布設(shè)，測點(diǎn)間距4～8m。

面板與墊層間脫空監(jiān)測。脫空采用二向測縫計(jì)觀測，測點(diǎn)布設(shè)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(diǎn)20個。

面板周邊縫監(jiān)測。周邊縫采用三向測縫計(jì)觀測，共布設(shè)13個測點(diǎn)，其中河床處布設(shè)2個，左岸岸坡5個，右岸岸坡6個。測點(diǎn)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(diǎn)。

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

板間縫監(jiān)測。采用單向測縫計(jì)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(shè)測點(diǎn)。共計(jì)布設(shè) 46支測縫計(jì)。

2.2 滲流監(jiān)測設(shè)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(shè)滲壓計(jì)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(shè)有14個滲壓計(jì)孔。在各滲壓孔中分層埋設(shè)有1支、2支或3支滲壓計(jì)，共計(jì)有28支滲壓計(jì)。

壩體滲漏量監(jiān)測。在下游壩腳設(shè)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(shè)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(shè)鉆孔式測壓管監(jiān)測繞壩滲流情況，共布設(shè)63根測壓管。

2.3 面板應(yīng)力和溫度監(jiān)測設(shè)施布置

混凝土應(yīng)力?；炷翍?yīng)力通過應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)觀測，儀器主要布設(shè)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(shè)測點(diǎn)。除面板底部的測點(diǎn)采用三向應(yīng)變計(jì)組外，其他部位均采用兩向應(yīng)變計(jì)。以上共計(jì)4組三向應(yīng)變計(jì)、30組二向應(yīng)變計(jì)。另外，為取得面板混凝土的溫度特性和自生體積變形，布設(shè)14支無應(yīng)力計(jì)，無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)于過渡層內(nèi)。

鋼筋應(yīng)力。鋼筋應(yīng)力采用鋼筋計(jì)觀測。測點(diǎn)布設(shè)與應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測位置同，大多數(shù)測點(diǎn)布設(shè)在順坡向和水平軸向的面板表層鋼筋上，局部布有雙層結(jié)構(gòu)鋼筋的部位，在其底層鋼筋也布設(shè)了部分鋼筋計(jì)，共計(jì)布設(shè)74支鋼筋計(jì)。

面板混凝土溫度。除以上用于觀測面板應(yīng)力的應(yīng)變計(jì)和鋼筋計(jì)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(shè)1支溫度計(jì)觀測混凝土溫度的變化。共計(jì)布設(shè)15支溫度計(jì)。

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