玉龍喀什水利樞紐混凝土面板堆石壩變形監(jiān)測(cè)探討

袁 媛

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，中國(guó)的筑壩技術(shù)不斷提高，在短短幾十年間，水利工程建設(shè)取得了巨大的成就，不僅工程建設(shè)的數(shù)量快速增長(zhǎng)，工程的規(guī)模也越來(lái)越大[1-2]，特別是20世紀(jì)90年代面板堆石壩向200m級(jí)高壩發(fā)展。大壩作為水利樞紐工程中的主要建筑物，壩體的安全直接影響了下游人民群眾的生命、財(cái)產(chǎn)安全，更是影響水利工程功能與作用的重要因素，因此，大壩安全監(jiān)測(cè)備受關(guān)注。

1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程位于新疆和田地區(qū)和田縣的喀什塔什鄉(xiāng)境內(nèi)，距和田市約95km，距下游玉龍喀什河渠首約60km[3-4]，是玉龍喀什河山區(qū)河段的控制性水利樞紐工程，該工程主要任務(wù)為保證向塔里木河下泄生態(tài)水量的前提下，通過(guò)與烏魯瓦提水利樞紐聯(lián)合調(diào)度，以控制生態(tài)輸水、灌溉補(bǔ)水為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電[5-6]。大壩為1級(jí)建筑物，壩高233.5m，為250m級(jí)超高混凝土面板堆石壩[7-9]。地震設(shè)防烈度Ⅸ度，對(duì)于250m級(jí)高壩而言，控制壩體的變形尤為重要。

2 變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

大壩變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為：表面變形監(jiān)測(cè)、堆石體的內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)、面板接縫變形監(jiān)測(cè)、面板撓度變形監(jiān)測(cè)。對(duì)堆石體內(nèi)部變形的監(jiān)測(cè)是整個(gè)工程安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)，主要反映在堆石體的填筑質(zhì)量、尋找面板施工時(shí)機(jī)、設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比等，也是大壩安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù)。

3 表面變形監(jiān)測(cè)選擇

3.1 監(jiān)測(cè)設(shè)施比選

目前，工程中主要的表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施分為傳統(tǒng)表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施(全站儀、水準(zhǔn)儀)和新型表面變形監(jiān)測(cè)設(shè)施(自動(dòng)全站儀、GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù))。傳統(tǒng)壩體的表面變形監(jiān)測(cè)方式，采用手工操作，受外界影響較大，其觀測(cè)周期較長(zhǎng)，工作量也相對(duì)較大，由于測(cè)點(diǎn)多位于大壩下游坡面，觀測(cè)人員需要配備安全措施。

隨著衛(wèi)星測(cè)量的發(fā)展，GNSS已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)大、中型水電工程中，如拉西瓦、小灣、糯扎渡水電站等。糯扎渡水電站大壩表面變形同時(shí)采用GNSS和測(cè)量機(jī)器人(自動(dòng)全站儀)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，觀測(cè)成果顯示在同一時(shí)段內(nèi)，上、下游壩坡表面變形觀測(cè)成果變化趨勢(shì)一致。

GNSS自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)適用于地勢(shì)開(kāi)闊的永久觀測(cè)，受氣候影響易產(chǎn)生誤差，本工程地理位置處于高山峽谷區(qū)，春秋季易發(fā)生沙塵天氣，冬季易產(chǎn)生降雪天氣，高山峽谷及相對(duì)惡劣的氣候?qū)πl(wèi)星信號(hào)存在一定的干擾。合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)相對(duì)GNSS受地形及氣候影響小，由于主要依靠地面基站獲取圖像數(shù)據(jù)，地面基站的建設(shè)成本較高。測(cè)量機(jī)器人的精度比GNSS高，受氣候影響較小，建設(shè)成本比以上2種監(jiān)測(cè)方式低。因此，本工程面板堆石壩表面變形選擇測(cè)量機(jī)器人接入自動(dòng)化觀測(cè)。

3.2 表面變形監(jiān)測(cè)方案

大壩表面變形監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)為水平位移與垂直位移共用測(cè)點(diǎn)，垂直于壩軸線的方向布置表面位移監(jiān)測(cè)橫斷面測(cè)線9條，每條測(cè)線的間距為50m。平行于壩軸線的方向布置表面位移監(jiān)測(cè)縱斷面7條，其中壩頂上、下游各設(shè)1條，下游壩坡5條。測(cè)線上每隔50m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，共計(jì)44個(gè)，監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。

圖1 表面變形監(jiān)測(cè)布置示意圖(單位：m)

4 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)選擇

4.1 監(jiān)測(cè)設(shè)施比選

內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)是面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)的重中之重，沉降變形是反應(yīng)堆石壩工作性態(tài)是否正常的最主要方面之一。大壩填筑時(shí)期采集到的壩體沉降數(shù)據(jù)，對(duì)控制施工進(jìn)度、施工質(zhì)量、以及施工機(jī)械的調(diào)配等具有指導(dǎo)意義。

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)包括垂直位移及水平位移。隨著超高面板壩施工技術(shù)的發(fā)展，內(nèi)部監(jiān)測(cè)設(shè)施由傳統(tǒng)的(水管式、電磁式、液壓式)沉降儀、引張線式水平位移計(jì)系統(tǒng)，發(fā)展到目前的分布式光纖變形監(jiān)測(cè)、管道機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)施。

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)常用的傳統(tǒng)儀器是水管式沉降儀及引張線水平位移計(jì)，從國(guó)內(nèi)已建工程可以看出，監(jiān)測(cè)多采用3～4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，高程方向的間距約為40m布置一層，每層的測(cè)點(diǎn)間距為40～50m。各工程面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置見(jiàn)表1。

表1 面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置表

目前我國(guó)200m級(jí)面板堆石壩壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)主要設(shè)施采用引張線水平位移+水管式沉降儀布置，引張線水平位移計(jì)自身存在誤差和缺陷，應(yīng)用在監(jiān)測(cè)長(zhǎng)度約為400m的監(jiān)測(cè)斷面中。施工過(guò)程中通過(guò)儀器埋設(shè)對(duì)測(cè)頭和管路進(jìn)行保護(hù)，保證管路可靠連接，可有效避免引張線發(fā)生缺陷和誤差，使運(yùn)行期測(cè)值穩(wěn)定。機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和分布式光纖變形監(jiān)測(cè)技術(shù)在推廣階段，儀器的應(yīng)用周期不長(zhǎng)，有待運(yùn)行期的長(zhǎng)期檢驗(yàn)。

本工程引張線長(zhǎng)度小于500m，與在建高面板堆石壩的引張線長(zhǎng)度相當(dāng)，引張線自身的缺陷和誤差可通過(guò)施工保護(hù)措施控制，因此玉龍面板堆石壩的內(nèi)部變形主要監(jiān)測(cè)手段采用引張線水平位移+水管式沉降儀，同時(shí)選取最大監(jiān)測(cè)斷面利用分布式光纖變形監(jiān)測(cè)作為輔助監(jiān)測(cè)手段作為補(bǔ)充監(jiān)測(cè)，與引張線水平位移和水管式沉降儀互相驗(yàn)證。

4.2 內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)方案

根據(jù)本工程壩體三維有限元變形計(jì)算結(jié)果，壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)垂向和分層結(jié)合布置，共設(shè)置4個(gè)斷面，斷面位置分別為：壩0+100.00m、壩0+220.00m、壩0+300.00m、壩0+400.00m。4個(gè)內(nèi)部變形主監(jiān)測(cè)橫在5個(gè)高程布設(shè)壩體內(nèi)部水平分層、垂向位移監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，層間距40～25m，每層水平分層的測(cè)點(diǎn)間距40m。同時(shí)在壩0+220.00m各水平分層及其他主監(jiān)測(cè)斷面的最底層設(shè)置分布式光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，共布置8條監(jiān)測(cè)光纖，總長(zhǎng)2550m。典型斷面內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)布置如圖2所示。

圖2 2—2斷面內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)布置(單位：m)

壩址處的河道地形呈弧形，在大壩下游坡腳向右岸偏轉(zhuǎn)。最大壩高斷面下游基巖向壩頂翹起，大壩下游坡腳1995.00m高程以下布置監(jiān)測(cè)設(shè)施，需設(shè)監(jiān)測(cè)洞，水管式沉降儀觀測(cè)房布置于壩后下游監(jiān)測(cè)洞內(nèi)，監(jiān)測(cè)洞由監(jiān)測(cè)斜井連接至工程交通洞內(nèi)。監(jiān)測(cè)洞為城門(mén)洞型，凈斷面尺寸2.0m×3.0m(底×高)，監(jiān)測(cè)儀器洞室3.0m×3.0m×7.0m(長(zhǎng)×寬×高)。

5 面板撓度變形及脫空監(jiān)測(cè)

混凝土面板是面板堆石壩重要的防滲體，撓度變化反映了大壩安全運(yùn)行情況。常規(guī)的監(jiān)測(cè)設(shè)施主要有固定式測(cè)斜儀、電平器，近年來(lái)大型水利工程采用較多的監(jiān)測(cè)儀器為光纖陀螺儀及SAA陣列式位移計(jì)。面板脫空監(jiān)測(cè)常用設(shè)施為脫空計(jì)。

5.1 監(jiān)測(cè)設(shè)施比選

固定式測(cè)斜儀由測(cè)斜管和串聯(lián)或單支安裝的固定測(cè)斜傳感器組成，通過(guò)安裝在每個(gè)高程上的傾斜傳感器，測(cè)量結(jié)構(gòu)物的傾斜角度。其傳感器的布設(shè)間距難以權(quán)衡，間距過(guò)大則精度不高，間距過(guò)小則成本較高。由于蓄水后承受水壓較大，運(yùn)行條件較惡劣，儀器的失效率高。猴子巖的面板撓度監(jiān)測(cè)同時(shí)選擇固定式測(cè)斜儀和光纖陀螺磁慣導(dǎo)。并對(duì)監(jiān)測(cè)技術(shù)做了相應(yīng)改進(jìn)，由于應(yīng)用2種監(jiān)測(cè)方式，確保了面板撓度的正常觀測(cè)。

天生橋一級(jí)混凝土面板堆石壩為監(jiān)測(cè)面板撓度在3個(gè)橫斷面上安裝了64支電平器，通過(guò)高程692m以下壩體內(nèi)沉降儀記錄的沉降量計(jì)算撓度變形，對(duì)比電平器監(jiān)測(cè)成果，反映出電平器正確記錄了施工期間和水庫(kù)蓄水期間的面板位移情況。洪家渡、三板溪等面板壩也采用了電平器進(jìn)行面板撓度監(jiān)測(cè)，采用電平器監(jiān)測(cè)對(duì)測(cè)點(diǎn)數(shù)量有要求，當(dāng)測(cè)點(diǎn)數(shù)量較少，變形誤差加大。

兩河口水電站心墻壩采用了SAA陣列式位移計(jì)(柔性測(cè)斜儀)監(jiān)測(cè)心墻沉降，沿壩軸線監(jiān)測(cè)縱斷面，在左右岸心墻混凝土板的3個(gè)高程，沿縱向、水平各設(shè)1套，共布置柔性測(cè)斜儀6套，每套長(zhǎng)度為50m。

阿爾塔什面板壩在大壩上游覆蓋層最深處的40#面板布置了一條面板撓度SAA陣列式位移計(jì)測(cè)線，分3段布置，一期面板105m、二期面板123m，三期面板92m，總長(zhǎng)320m。測(cè)線線路有2段，線路1為趾板-連接板-防滲墻，布置50cm一節(jié)型號(hào)的SAA位移計(jì)，線路2為趾板-混凝土面板-壩頂防浪墻，布置100cm一節(jié)型號(hào)的SAA位移計(jì)。將全段SAA位移計(jì)外套高強(qiáng)度PVC/PE管沿面板底層鋼筋上部牽引至壩頂，在一、二期面板位置做搭接處理，搭接長(zhǎng)度2.0m，為防止面板變形后拉斷位移計(jì)，終端預(yù)留長(zhǎng)度2.0m，并用Φ110mm鍍鋅鋼管封閉保護(hù)。初期蓄水至高程1722m時(shí)，二期面板頂部累計(jì)沉降44.7mm，面板底部累計(jì)沉降58.5mm。

5.2 面板撓度變形監(jiān)測(cè)方案

本工程選擇光纖陀螺(FOG)及SAA陣列式位移計(jì)監(jiān)測(cè)面板撓度。結(jié)合壩體表面及內(nèi)部監(jiān)測(cè)斷面布置面板監(jiān)測(cè)測(cè)線。

由于最長(zhǎng)面板長(zhǎng)達(dá)334.5m，為確保取得關(guān)鍵部位的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，觀測(cè)面板變形情況，在最大面板條塊部位壩0+220.00m同時(shí)布設(shè)上述2種監(jiān)測(cè)儀器，壩0+300.00m監(jiān)測(cè)斷面安裝光纖陀螺。布置位置如圖3所示。

5.3 面板脫空監(jiān)測(cè)方案

面板脫空監(jiān)測(cè)內(nèi)容應(yīng)包括面板與墊層間的法向位移(脫開(kāi)、閉合)以及向壩下的切向位移。面板和墊層間脫空情況利用脫空計(jì)結(jié)合界面土壓力計(jì)成組布置。

選擇壩體內(nèi)部變形的4個(gè)監(jiān)測(cè)橫斷面，結(jié)合大壩面板分期施工高程，共布置20組面板脫空計(jì)及土壓力計(jì)。

6 面板接縫變形監(jiān)測(cè)

高壩的面板周邊縫在高水壓的作用下產(chǎn)生了復(fù)雜的三向變形位移，周邊縫的止水一旦被破壞將會(huì)成為滲水通道。高水頭作用下的周邊縫滲水會(huì)造成堆石體的不均勻沉降、壩體失穩(wěn)。面板接縫的變形監(jiān)測(cè)為壩體施工期、蓄水期和運(yùn)行期的工作狀態(tài)提供依據(jù)。

單向測(cè)縫計(jì)及三向測(cè)縫計(jì)長(zhǎng)期應(yīng)用于面板接縫變形監(jiān)測(cè)，安裝方便，實(shí)際應(yīng)用中設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定。監(jiān)測(cè)部位主要為面板周邊縫及面板板間縫。

6.1 面板周邊縫變形監(jiān)測(cè)方案

同時(shí)根據(jù)周邊縫位移計(jì)算結(jié)果，在周邊縫易發(fā)生沉降位移、剪切位移、張拉位移處和趾板凸出部位布置三向測(cè)縫計(jì)，本工程左、右岸坡趾板周邊縫各布置6組三向測(cè)縫計(jì)，高趾墩處河床趾板布置3組三向測(cè)縫計(jì)，共計(jì)15支三向測(cè)縫計(jì)。

6.2 面板板間縫監(jiān)測(cè)

根據(jù)SL 551—2012《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》，在明顯受拉和受壓的面板板間垂直縫處布設(shè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)高程與周邊縫布置的三向測(cè)縫計(jì)組成縱橫測(cè)線。面板接縫位移布置單向測(cè)縫計(jì)進(jìn)行面板間開(kāi)合度變形。在受拉和拉壓交替部位的面板垂直縫布設(shè)單向測(cè)縫計(jì)，高程分布與周邊縫相同，且與周邊縫測(cè)點(diǎn)組成縱橫監(jiān)測(cè)線。在混凝土面板7個(gè)高程的板間縫布置測(cè)縫計(jì)，共計(jì)測(cè)縫計(jì)44支，布置位置如圖3所示。

圖3 面板撓度及接縫監(jiān)測(cè)布置

7 結(jié)論

大壩變形安全監(jiān)測(cè)對(duì)工程的建設(shè)和運(yùn)行至關(guān)重要，通過(guò)對(duì)比分析已有大壩變形監(jiān)測(cè)案例及監(jiān)測(cè)設(shè)施自身特點(diǎn)，結(jié)合本工程布置、施工及運(yùn)行特點(diǎn)，合理選擇大壩表面變形、內(nèi)部變形、面板撓度變形及脫空、面板接縫變形的監(jiān)測(cè)設(shè)施及布置方案，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量，方便指導(dǎo)施工，為后期大壩的運(yùn)行、安全評(píng)估、預(yù)警預(yù)報(bào)大壩安全性態(tài)等方面提供可靠的監(jiān)測(cè)資料。目前工程初步設(shè)計(jì)階段安全監(jiān)測(cè)專(zhuān)題已通過(guò)水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院的審查，工程于2021年12月截流，本次變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案的選擇可為高面板壩的變形監(jiān)測(cè)提供參考。