文得根樞紐大壩安全監(jiān)測方案優(yōu)化建議措施探索

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(引綽濟遼供水有限責任公司，內(nèi)蒙古 烏蘭浩特 137400)

1 工程概況

文得根水利樞紐工程是引綽濟遼工程的水源工程，是綽爾河流域的骨干性控制工程，位于松花江流域嫩江支流綽爾河中游，壩址位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟扎賚特旗音德爾鎮(zhèn)上游90km處，是一座具有調(diào)水、灌溉、發(fā)電等多項功能的大型樞紐工程，樞紐建筑物主要由大壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、岸坡溢洪道、混凝土副壩及魚道等組成。水庫總庫容19.64×108m3，灌溉面積為49986.67hm2，電站裝機容量36MW。大壩為黏土心墻砂礫石壩，最大壩高48m，壩頂全長1358.00m，壩頂高程381.50m，防浪墻頂高程382.70m，壩頂寬度8m，樞紐工程規(guī)模為大(1)型，工程等別為Ⅰ等。

2 大壩安全監(jiān)測總體設(shè)計方案

大壩安全監(jiān)測是通過對大壩安全穩(wěn)定進行適時監(jiān)測、分析，檢驗工程設(shè)計的合理性，掌握工程施工質(zhì)量的重要技術(shù)手段，是大壩安全運行的“報警系統(tǒng)”，對保證大壩安全運行具有重要意義。根據(jù)建筑物等級、壩型等條件，按照SL551—2012《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，設(shè)計確定文得根樞紐大壩監(jiān)測項目主要包括變形監(jiān)測(表面變形、內(nèi)部變形)、滲流監(jiān)測、地震反應(yīng)監(jiān)測、錯縫監(jiān)測、環(huán)境量監(jiān)測等項目，結(jié)合工程特點在主壩選取3個監(jiān)測橫斷面，分別在左岸0+400.00m、最大壩高0+800.00m、右岸1+200.0m處進行安全監(jiān)測設(shè)施布置。

2.1 表面變形監(jiān)測

(1)水平位移。大壩水平位移監(jiān)測采用視準線與倒垂相結(jié)合的方法進行監(jiān)測。在壩體表面上游壩坡正常蓄水位以上、壩頂、下游的馬道平行于壩軸線布設(shè)3條視準線觀測，水平位移測點間距為100m，在視準線兩岸延長線布置工作基點和校核基點。由于文得根大壩長度為1358m，設(shè)計考慮為滿足規(guī)范要求和觀測精度，在0+400、0+800m主壩與溢洪道銜接處布置倒垂觀測點，作為視準線觀測的校核基點。

(2)垂直位移。垂直位移監(jiān)測在主壩下游左岸2km和主壩、溢洪道、廠房、副壩及溢洪道邊坡等主要建筑物布置水準基準點組、水準工作基點及水準點共同組成水準監(jiān)測控制網(wǎng)，采用閉合或符合水準路線按國家一等水準精度進行觀測。在大壩黏土心墻砂礫石壩的壩頂、上游壩坡、下游馬道上按規(guī)范要求每100m布置1個測點(測點與水平位移測點同墩布置)，采用精密水準法，按國家二等水準精度施測。

2.2 大壩內(nèi)部變形監(jiān)測

(1)壩體水平位移。砂礫石壩壩體水平位移采用土體位移計和測斜儀監(jiān)測，在0+400、0+800、1+200m的監(jiān)測斷面下游壩體內(nèi)相應(yīng)馬道高程處布置土體位移計，每個高程的土體位移計串連安裝，水平間距按從上游至下游由密到疏的原則布置。在上、下游壩體內(nèi)布置3條豎直測線，分別位于壩上16.0m、壩下13.0和37.0m處。每條測線上設(shè)1條測斜管，施工期采用活動測斜儀進行人工觀測。

(2)壩體分層垂直位移。壩體垂直位移采用液壓式沉降儀和沉降磁環(huán)監(jiān)測。在0+400、0+800、1+200m的監(jiān)測斷面下游壩體內(nèi)布置液壓式沉降儀，測點與水平位移測點同部位布置。在上、下游壩體內(nèi)埋設(shè)的測斜管安裝電磁沉降磁盤(環(huán))，底部沉降磁盤(環(huán))位于基巖上，作為沉降觀測的基準點，施工期間采用電磁式沉降儀進行人工觀測。在典型監(jiān)測斷面距壩軸線上游16.0m、下游13.0、37.0m布置沉降磁盤(環(huán))，運行期間并入自動化監(jiān)測。

(3)黏土心墻水平和垂直位移監(jiān)測。水平位移在0+400、0+800、1+200m監(jiān)測斷面心墻軸線處各設(shè)1條豎直測線，每條測線上設(shè)1根測斜管。施工期采用活動測斜儀進行人工觀測，運行期在0+400、0+800m監(jiān)測斷面測斜管內(nèi)安裝垂直固定測斜儀實現(xiàn)自動化觀測。為監(jiān)測心墻垂直位移，在測斜管外安裝電磁沉降磁盤(環(huán))，采用電磁式沉降儀進行人工觀測。為實現(xiàn)自動化觀測，在0+400、0+800m監(jiān)測斷面心墻軸線測斜管測線旁邊分別布置1條豎向土體位移計測線，并入自動化系統(tǒng)。

(4)界面及接(裂)縫監(jiān)測。在主壩與溢洪道結(jié)合部位、心墻與岸坡結(jié)合部位，沿2個高程布置測縫計組，每個高程布置1組測縫計接入自動化系統(tǒng)觀測。

2.3 滲流監(jiān)測

大壩滲流監(jiān)測內(nèi)容包括壩基和壩體滲流壓力、滲流量、繞壩滲流。在選定3個典型斷面內(nèi)沿上、下游方向在建基面布置滲壓計，在防滲體系下游側(cè)布置滲壓計，在黏土心墻沿3個不同高程布置滲壓計、在左岸布置6個測壓管、右岸布置5個測壓管、在主壩與溢洪道之間的山體布置測壓管內(nèi)裝滲壓計、在心墻與岸坡結(jié)合部位沿不同高程布置滲壓計構(gòu)成聯(lián)合滲透壓力觀測體系，大壩滲流量監(jiān)測在大壩下游坡角兩岸布置2座量水堰觀測。

2.4 地震反應(yīng)監(jiān)測

將黏土心墻砂礫石壩0+800m斷面作為強震監(jiān)測斷面，在剖面的壩頂、壩坡轉(zhuǎn)折處(約1/2壩高處)、下游坡腳各布置1個強震測點，自由場布置測點選擇在大壩下游距離大壩約1km的部位。每個測點布置1套水平順河向、水平橫河向、豎向三分量加速度傳感器和1套強震儀及不間斷電源1臺，通過強震儀進行自動觀測，強震服務(wù)器布置在引水發(fā)電廠房副廠房監(jiān)測管理站內(nèi)。

2.5 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境量監(jiān)測主要有上、下游水位監(jiān)測，庫水溫監(jiān)測，氣溫和降雨量監(jiān)測等。主要結(jié)合大壩與溢洪道結(jié)構(gòu)特點，在溢洪道上下游布設(shè)水位計進行水位觀測，在溢洪道閘墩混凝土內(nèi)距表面10cm，沿不同高程分別布置溫度計進行水溫監(jiān)測，在樞紐區(qū)附近布設(shè)自動溫雨站進行降雨量和氣溫監(jiān)測。

3 監(jiān)測設(shè)計方案存在的問題

3.1 壩體內(nèi)部變形觀測問題

設(shè)計方案布設(shè)的壩體內(nèi)部變形監(jiān)測沉降磁環(huán)監(jiān)測，施工期損壞率高，以往工程實例在運行期均無法觀測，根據(jù)以往工程運行管理經(jīng)驗，內(nèi)部變形觀測的數(shù)據(jù)無法真正反映大壩內(nèi)部變形規(guī)律。

3.2 滲透壓力觀測

滲透壓力觀測除繞壩采取測壓管外，壩體內(nèi)部均采用施工過程中直埋滲壓計，由于施工干擾、機械設(shè)備作業(yè)等外部因素干擾，設(shè)備植入成功率難以保證，一旦損壞就無法繼續(xù)觀測，造成監(jiān)測斷面和監(jiān)測數(shù)據(jù)缺失。

3.3 倒垂問題

表面變形觀測水平位移采用視準線聯(lián)合倒垂觀測，結(jié)合實際分析，鉆孔的有效孔徑要求小于200mm，鉆孔精度要求較高，倒垂線安裝完成后設(shè)備在X、Y兩方向上均應(yīng)小于0.04mm復(fù)位精度較難實現(xiàn)，且實踐經(jīng)驗和工程實例表明土石壩施工中倒垂成功率極低，加之保護管銹蝕等因素影響，后期運行壽命較短。

3.4 滲流量觀測

由于文得根大壩所在區(qū)域砂礫石覆蓋層較厚，河谷覆蓋層厚度一般4～28m，級配不良礫厚度4～12m，顆粒組成與結(jié)構(gòu)不均勻，工程施工時雖在壩下游圍堰進行了防滲灌漿處理，但灌漿防滲效果未知，在壩后覆蓋層修建量水堰無法有效監(jiān)測大壩滲流量，且受溢洪道泄洪、電站發(fā)電等尾水位影響，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能真實反映大壩滲流量，同時由于該地區(qū)冬季寒冷，量水堰結(jié)冰后無法觀測大壩真實滲流量而造成數(shù)據(jù)缺失，導(dǎo)致觀測無法連續(xù)進行。

4 監(jiān)測方案優(yōu)化建議

4.1 內(nèi)部變形

砂礫石壩內(nèi)部變形規(guī)律較難判定，建議取消大壩壩體內(nèi)部變形監(jiān)測項目，保留心墻內(nèi)部變形監(jiān)測，在心墻典型斷面埋設(shè)測斜管，采取電磁沉降儀觀測垂直變形，利用測斜儀觀測水平變形，并接入自動化觀測系統(tǒng)觀測。

4.2 滲透壓力觀測

直埋滲壓計施工簡便，但施工保護困難，設(shè)備、線纜一旦故障將無法進行更換，建議將直埋滲壓計改為施工期埋設(shè)測壓管，施工期可通過人工觀測測壓管水位來進行觀測，與主體施工互不干擾時，在測壓管內(nèi)部放置滲壓計觀測，設(shè)備保證率高，同樣可實現(xiàn)自動化觀測，一旦設(shè)備損壞可實時更換，且測壓管觀測可定期進行人工校測，并復(fù)核自動化觀測數(shù)值的有效性。

4.3 倒垂問題

倒垂孔作為大壩水平位移的觀測基點，根據(jù)SL551—2012水平位移基準點可采用三角網(wǎng)、GPS網(wǎng)、精密導(dǎo)線等建網(wǎng)方式，也可采取水平、垂直位移監(jiān)測聯(lián)合建立三角網(wǎng)。建議取消倒垂觀測設(shè)施，采取壩下游、大壩兩端視準線延長線、溢洪道等建筑物已建立的垂直觀測水準校核基點聯(lián)合建立三角網(wǎng)進行水平位移工作點基點校核，可解決水平觀測問題，同時可保證大壩總體外觀效果。

4.4 滲流量觀測

鑒于文得根大壩所在區(qū)域砂礫石覆蓋層較厚，截流后滲流水位將低于地面的現(xiàn)狀，如在壩后建立量水堰需要在量水堰下游建立進入相對不透水層的截水墻，造價昂貴，且效果未知。根據(jù)SL551—2012有關(guān)滲流監(jiān)測的規(guī)定，在壩下游河床沿水流方向和垂直水流方向分別布設(shè)滲透壓力監(jiān)測設(shè)施，通過滲透壓力計算出滲透迫降和滲流量，同樣可取得滲流量觀測規(guī)律和量值，同時可避免因冬季量水堰結(jié)冰無法觀測大壩真實滲流量而造成觀測數(shù)據(jù)缺失的問題。

4.5 引進GNSS高精度大壩安全表面變形監(jiān)測系統(tǒng)

表面變形引進GNSS高精度大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，將實現(xiàn)全天候、實時的大壩變形過程連續(xù)監(jiān)測，實時地反映大壩安全運行性態(tài)。該系統(tǒng)目前已在國內(nèi)多家單位引進應(yīng)用，對進一步提高安全管理信息化和現(xiàn)代化水平具有重要作用，且系統(tǒng)具有如下優(yōu)點。

(1)精度高。GNSS監(jiān)測系統(tǒng)采用移動GPRS或者CDMA公網(wǎng)將實時采集的衛(wèi)星數(shù)據(jù)傳輸回工程監(jiān)測中心，并進行24h連續(xù)自動計算，獲得監(jiān)測點毫米級精確三維空間坐標，對大壩外部位移進行連續(xù)自動化監(jiān)測，GNSS接收機精度3mm+0.5ppm rms(水平)，6mm+0.5ppm rms(垂直)，通過專業(yè)化的GNSS數(shù)據(jù)精密處理軟件可提高精度，滿足大壩變形監(jiān)測的要求。

(2)實時監(jiān)測。系統(tǒng)可以全天侯、實時連續(xù)監(jiān)測，能實現(xiàn)“無人值守”，彌補傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足。不受外界條件干擾，在霧天、雨雪天仍可以連續(xù)監(jiān)測，可實現(xiàn)惡劣環(huán)境條件下變形監(jiān)測。

(3)無需基點通視?；鶞庶c和監(jiān)測點之間不需水平向通視，各監(jiān)測點可實現(xiàn)同步監(jiān)測等優(yōu)點，可采用有線、無線電臺、無線GSM手機等多種通訊方式，解決各種地形條件下大壩變形監(jiān)測的難題，可以減少傳統(tǒng)監(jiān)測校核基點、工作基點、觀測點之間通視帶來的干擾，只要大壩兩側(cè)有穩(wěn)定的基巖，使GNSS基站建立在穩(wěn)定的巖石基礎(chǔ)即可。

(4)系統(tǒng)兼容性好。該系統(tǒng)具有良好的兼容性，可以與我國北斗系統(tǒng)、全站儀等設(shè)備完全對接，構(gòu)成一個立體、多傳感器、內(nèi)部和外部結(jié)合的大壩安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，達到數(shù)據(jù)采集、自動實時分析的目的，減少大量的人工觀測和數(shù)據(jù)整理時間。

5 結(jié)語

工程是否安全，要以科學的數(shù)據(jù)來評價，工程安全要依靠工程措施和非工程措施，其中大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)就是大壩安全運行非工程措施，屬于大壩運行工況的中樞神經(jīng)，通過安全監(jiān)測獲取工程運行的第一手資料后，可以掌握工程安全性態(tài)，及時處理發(fā)現(xiàn)的問題，隨著計算機與監(jiān)測技術(shù)的快速發(fā)展，采用先進的技術(shù)、設(shè)備實現(xiàn)大壩的監(jiān)測已經(jīng)成為未來工程安全監(jiān)測的發(fā)展方向，也是未來智慧水利發(fā)展的重要組成部分和趨勢。本文通過認真分析引綽濟遼工程大壩安全監(jiān)測設(shè)計方案，對監(jiān)測方案提出了一些優(yōu)化建議，旨在采取先進監(jiān)測技術(shù)手段和可靠的措施實現(xiàn)全自動安全監(jiān)測，為工程安全運行提供數(shù)據(jù)支撐，且可節(jié)省大量的人工和解決人為因素引起的誤差等問題。