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（斷面）。

　　（2）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)測項目及內容

　　水布埡高面板堆石壩堆石體的變形、混凝土面板（包括周邊縫）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（斷面）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（含工作基點）。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。

　?。?）堆石體內部變形監(jiān)測。堆石體內部變形采用水平垂直位移計（即引張線式位移計和水管式沉降儀）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（斷面）上。中間最大壩高斷面（0+212m）布設5條，分別布設在235、265、300、335m和370m高程處;兩岸岸坡斷面（0+132m和0+356m）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。

　　（6）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（高差）布設測點，其余按5～8m間距（高差）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（高差）4～8m。

　　（7）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折點。

　　（9）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。

　　（10）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

　　（1）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（共17支）監(jiān)測壩基的滲透壓力。另外，為監(jiān)測趾板帷幕前、后基巖內的滲透壓力，沿址板灌漿帷幕布設有14個滲壓計孔（其中帷幕前3個，帷幕后11個）。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。

　?。?）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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3 新型監(jiān)測儀器應用

　　根據(jù)國內外已建面板堆石壩的工程實踐，在其工程監(jiān)測中存在的主要技術問題為:①施工期面板及堆石體的變形監(jiān)測難度大，難以取得變形量的動態(tài)監(jiān)測值;②運行期面板及周邊縫若出現(xiàn)滲漏，用已有的常規(guī)監(jiān)測手段無法查找滲漏部位。為解決這些問題，將在水布埡工程中應用一些先進監(jiān)測手段。

　　光纖傳感技術是繼光纖通信之后在20世紀80年代出現(xiàn)的集光學、電子學為一體的新興光學技術。光纖傳感技術的核心技術是光纖傳感器，作為一種新型傳感器，他具有體積小、精度高、耐腐蝕、抗電磁干擾、耐久性好等優(yōu)良特性，適合于惡劣環(huán)境下物理量的測量，同時光纖傳感器集傳感和信息傳輸于一體，可實現(xiàn)分布式或準分布式以及遠距離監(jiān)測，因而特別適用于水電工程及其他領域結構物的安全監(jiān)測。

　　3.1 在面板堆石壩周邊縫滲漏監(jiān)測方面的應用

　　正常情況下，土石壩的滲流場主要受庫水位、周邊山體滲漏水、地下水、大氣降水等因素的影響，且呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。當壩體擋水層遭破壞時，壩體滲流量會增大，但在初期或這種破壞很小時，更多的表現(xiàn)在壩體滲流場的改變。若將高靈敏度溫度傳感器埋設在土石介質的擋水建筑物的基礎或內部的不同深度，如測量點處或附近有滲流水通過和遷移，土中熱量傳遞的強度發(fā)生改變，將打破該測量點處附近溫度分布的均勻性及溫度分布的一致性。在研究該處正常地溫及參考水溫后，就可確定測量點處溫度異常是否是由滲漏水活動引起的，從而可以找出滲漏點。在面板堆石壩中，面板與趾板間的接縫（周邊縫）處理是保證大壩安全運行的關鍵技術，為監(jiān)視水布埡面板堆石壩周邊縫的運行情況，沿周邊縫布設了準分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)，沿大壩周邊縫每100m為一段，構成一個測量單元，水布埡大壩周邊滲漏監(jiān)測范圍1200m共劃分成10個測量單元，在每單元內放置50～80個光纖光柵溫度傳感器，每個間距1.5～3m。由于水布埡壩高238m，水庫深處水溫較低，為準確地監(jiān)測到較小流量的滲漏，系統(tǒng)配備了光纜加熱裝置。從2004年底開始施工，目前已完成一、二期面板長約800m的周邊縫測溫系統(tǒng)埋設，并已開始觀測，由于大壩尚未擋水，僅壩前有部分積水，2006年5月監(jiān)測結果:壩基有水部位溫度在19℃左右，上部無水部位溫度在23～26℃之間，與大氣溫度相近;起動加熱裝置后，各測點處溫度平均上升約5℃左右，表明系統(tǒng)工作良好。

　　3.2 在面板堆石壩面板撓度監(jiān)測方面的應用

　　光纖陀螺儀是一種基于光學Sagnac干涉效應的新型角速度測量裝置，將光纖陀螺儀測量裝置沿被測曲面運動，能連續(xù)記錄其運動角速度，可測得該裝置的運動軌跡。高面板堆石壩中混凝土面板的撓度變形是大壩運行安全的重要特征值，到目前為止，還沒有一種傳統(tǒng)的測量裝置能連續(xù)地記錄其變形軌跡。若將光纖陀螺儀應用于測量混凝土面板撓度，則當水庫蓄水運行時，在水壓力的作用下，混凝土面板會產(chǎn)生撓度變形，當光纖陀螺儀沿面板均勻平動時，壩面撓度對運動中的光纖陀螺產(chǎn)生一轉動分量，轉動大小與陀螺平動速度成正比例。因此，當光纖陀螺儀沿面板勻速運動，便可以測量出混凝土面板的撓度變形軌跡，計算出撓度變形量。水布埡面板堆石壩壩高238m，面板最大斜長400m，從2004年底起，在一、二期面板施工時，已在混凝土面板后埋設了光纖陀螺儀測量管道，目前系統(tǒng)還在試運行中。 3.3 在面板堆石壩面板受力監(jiān)測中的應用

　　面板堆石壩上游鋼筋混凝土面板在水庫水壓力及其它外力作用下，因受力環(huán)境及力學效應發(fā)生改變，其混凝土內部結構應力將發(fā)生變化，并重新進行分布。若在面板內埋設應變監(jiān)測設施，則可直接了解混凝土面板的受力狀況，判斷混凝土面板是否遭擠壓或拉裂破壞。在水布埡面板堆石壩混凝土面板中布設有光纖光柵應變測線，測線在混凝土面板表層和底層各1條（同塊），測線上測點成組對應布設，監(jiān)測順坡向面板上下層混凝土應力變化。現(xiàn)已在一、二期面板混凝土中埋設完畢，2007年初擬進行第三期面板的埋設施工，至2007年4月，2條測線可完成全部施工。埋設在一、二期面板中的應變測線已取得部分監(jiān)測資料，其測值穩(wěn)定，應變變化趨勢基本符合目前混凝土面板的應變規(guī)律。由于水布埡混凝土面板上所用的光纖光柵應變計為特制型大標距應變計，在儀器鋼架與混凝土間線膨脹系數(shù)的差異、光纖光柵材料對溫度的敏感等因素的影響下，使得按常規(guī)方法計算后的應變值偏大（壓應變），還需在儀器率定、現(xiàn)場埋設試驗等方面做進一步的工作。

4 結語

　　水布埡安全監(jiān)測設計為監(jiān)視工程施工期的安全提供了保障，為工程階段驗收、蓄水驗收和竣工驗收提供了全面的監(jiān)測資料，長期的監(jiān)測資料表明水布埡工程堆石體的變形和滲流、面板的變形和應力應變、周邊縫的變形和滲流等重要指標基本反映了水布埡面板堆石壩的特點。新技術和新儀器的應用克服了傳統(tǒng)方法存在的缺陷，為面板堆石壩安全監(jiān)測技術的提高和推廣應用打下了基礎。

　　作者簡介: 季 凡，女，長江水利委員會設計院樞紐處，高級工程師。