水布垭大坝安全监测设计与新型仪器应用

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摘要: 水布垭混凝土面板堆石坝最大坝高233m，在设计、施工等方面均存在超常规的技术问题，无先例和经验可借鉴。为此，针对水布垭地形、地质条件和建坝材料的特点，将水布垭堆石坝混凝土面板应力变形分析作为专题，列入了国家“九五”科技攻关项目。研究表明，高面板坝可能存在的主要问题是:坝体变形大导致接缝张开、止水失效或面板断裂而造成大量漏水，影响大坝及水库的正常运行。

关 键 词: 安全监测;设计;新型监测仪器应用;水布垭水利枢纽

中图分类号: TV698.1 文献标识码: A

安全监测是直接对工程原型进行观测，比模型试验、有限元分析等更加真实、客观地反映大坝的运行性态。因此，针对水布垭高面板堆石坝，在混凝土面板及堆石坝的关键部位进行全面的安全监测，对监视工程安全、指导施工及验证设计均具有重要的实际意义。本文针对面板堆石坝的安全监测设计和采用的新型监测手段进行介绍，供相关工程参考。

1 监测系统总体设计

1.1 设计原则

安全监测包括两种措施，即仪器监测和巡视检查。针对水布垭工程的特点，按照国家有关规范，本工程监测系统总的设计原则是:

目的明确，突出重点。安全监测系统应根据监视枢纽安全运行和及时对工程作出安全评价的需要来设置监测项目和监测仪器。监测系统的重点放在两个效应量:变形和渗流。从影响工程的安全度考虑，按照重要、一般两个层次布置监测部位。

统一规划，分期实施。根据水布垭工程建设期长达8a的特点，监测系统不可能一次建成，特别是施工期必须采集到完整的资料，不可能等监测系统完成后进行，因而必须根据施工计划和监测规划分期实施。设计中既要考虑到监测工程的整体性和系统性，同时又要保证监测设备能与主体工程建设同步施工，按时运行，适时采集，及时处理和分析。

一项为主，互相检校。各种监测项目要互相检校，以便在资料分析和解释时相互印证。在系统布置方面同样考虑自动化监测和人工监测功能互相检校。确保监测资料的完整性，防止因设备故障而造成漏测和资料系列被中断。

性能可靠，操作简便。监测仪器的选择应满足“技术成熟、性能可靠、操作简便”的原则，其次，监测仪器还应具有先进性、经济性和长期稳定性，能反映出现代大坝安全监测的技术和水平。

永临结合，节约投资。永久监测设备的布置适当结合施工期监测的需要，在施工期及时观测，为施工安全监测服务，以减少施工期临时监测仪器的数量，节约工程投资。

1.2 主要监测项目及内容

水布垭高面板堆石坝堆石体的变形、混凝土面板的变形和蓄水后大坝渗漏量的变化是工程安全运行重点关注的问题。有限元计算成果表明，大坝的最大沉降为坝高的0.76%～0.98%，面板的最大挠度值为79.0cm。周边缝变形的设计确定值为:张开5.0cm，沉降5.5cm，剪切3.0cm。由于模型试验和有限元分析不可能完全模拟所有的边界条件，工程中受堆石料的密实度、施工程序、施工工艺等因素的影响，实际情况比计算情况要复杂得多，只有通过对原型进行全面监测，才能掌握工程的运行性态，了解工程的安全状况。

变形监测。面板堆石坝的变形监测包括面板、堆石体和坝基3部分的变形监测。

渗流监测。渗流监测包括坝基渗透压力、坝体及坝基渗漏量、渗漏部位和绕坝渗流的监测。

面板应力和温度监测。通过埋设的光纤应变计、弦式应变计、钢筋计、温度计等，观测面板的应力应变和温度。

1.3 主要监测断面

面板堆石坝的主要监测断面包括3个重要监测断面和1个一般监测断面，大部分测点主要布设在这些断面上。3个重要监测断面桩号分别为0+124、0+220m和0+364m。重要监测断面上将综合布置各类监测项目的测点，对混凝土面板和堆石体变形、渗流、面板应力等重要物理量进行监测。一般监测断面布设在桩号0+448m处，该部位的面板均处于横向拉应力区，主要布设周边缝和板间缝开度测点。

2 主要监测设施设计布置

2.1 变形监测设施的布置

水平位移监测控制网。根据水布垭枢纽坝区地形及坝后滑坡分布情况，平面位移监测控制网由基本网和扩展网两级构成。基本网为首级网，由5点组成;扩展网为二级网，由13点组成。两级网的测边、测角观测精度要求完全一样，扩展网还可根据观测的需要补充网点。各网点的点位精度控制按最小二乘法进行估算，满足各点误差椭园长半径不大于1mm的要求。

垂直位移监测控制网。垂直位移监测控制网的基准点埋设在右岸大坝下游，距坝轴线约3km的黑马沟处，并在大坝下游距坝轴线约7km处设1座校核基点，基准点成组埋设3座水准标石，水准路线沿两岸上坝公路、坝顶和水布垭大桥布设，组成一等水准环线。水准路线总长约12km，水准网点约20个。垂直位移监测控制网要求严格按《国家一、二等水准测量规范》中一等水准测量精度要求施测。

大坝基础变形监测。在河床中部最大坝高监测部位的坝基，针对坝基覆盖层布设有5支基岩变形计，以监测坝基面的相对沉降量。基岩变形计钻孔孔深为15～20m。

面板堆石坝表面变形监测。在大坝表面布设7条平行于坝轴线的视准线，其中上游面板402m高程处1条，其余6条布设于下游坝面的230、260、300、335、375m和408m高程处，测线上按48～70m间距布设视准线测点，共计布设56个测点。工作基点设在两岸稳定基岩上，对于超过500m长的测线，选择中间的测点为增设工作基点，每一测点均应建造一座观测墩，墩顶安装强制对中基盘，其视准线观测精度要求遵循《土石坝安全监测技术规范》SL60-94的规定。同时，在每一测点墩座上设置一个水准标点，参照国家三等水准测量方法观测各测点的垂直位移。

堆石体内部变形监测。堆石体内部变形采用水平垂直位移计监测。仪器按不同的高程，从下至上随坝体填筑进程埋设。水平垂直位移计集中布设在3个重要监测部位上。中间最大坝高断面布设5条，分别布设在235、265、300、335m和370m高程处;两岸岸坡断面各布设3条，分别布设在300、335m和370m高程处，共计11条测线和72个测点。

混凝土面板挠度监测。在0+212m和0+356m两个重要监测断面的面板上各布有1条挠度测线，测线上测点布置原则:0+212m断面共布设45个测点，其中1/3～2/3坝高间按3～4m间距布设测点，其余按5～8m间距布设测点;0+356m断面共布设25个测点，测点间距按中部密两头疏的原则布设，测点间距4～8m。

面板与垫层间脱空监测。脱空采用二向测缝计观测，测点布设在一期和二期面板顶部靠近水平施工缝处，共布置脱空监测点20个。

面板周边缝监测。周边缝采用三向测缝计观测，共布设13个测点，其中河床处布设2个，左岸岸坡5个，右岸岸坡6个。测点的分布基本上覆盖了整个周边缝，并顾及了右岸边坡的两个转折点。

面板与防浪墙间缝面监测。采用二向测缝计观测，结合面板监测断面，在面板与防浪墙缝面处布设6个测点。

板间缝监测。采用单向测缝计观测，板间缝监测主要针对二、三期面板两岸部位的张性板间缝布设测点。共计布设 46支测缝计。

2.2 渗流监测设施布置

坝基渗透压力监测。在最大坝高监测断面的坝基及坝体下部的周边缝处布设渗压计监测坝基的渗透压力。另外，为监测趾板帷幕前、后基岩内的渗透压力，沿址板灌浆帷幕布设有14个渗压计孔。在各渗压孔中分层埋设有1支、2支或3支渗压计，共计有28支渗压计。

坝体渗漏量监测。在下游坝脚设置1座量水堰，以监测坝体和坝基的总渗漏量。

渗漏部位监测。在面板底部沿周边缝的下游部位布设一套分布式光纤光栅渗漏监测系统，以监测周边缝可能产生渗漏的部位。该系统通过高精度的分布式温度测量，找出可能的低温渗漏区。

绕坝渗流监测。在大坝左、右岸5层帷幕灌浆平洞中，并针对可能渗漏的断层和夹层布设钻孔式测压管监测绕坝渗流情况，共布设63根测压管。

2.3 面板应力和温度监测设施布置

混凝土应力。混凝土应力通过应变计和无应力计观测，仪器主要布设在4个监测断面的面板上，一般在混凝土面板中以30m左右间距布设测点。除面板底部的测点采用三向应变计组外，其他部位均采用两向应变计。以上共计4组三向应变计、30组二向应变计。另外，为取得面板混凝土的温度特性和自生体积变形，布设14支无应力计，无应力计埋设于过渡层内。

钢筋应力。钢筋应力采用钢筋计观测。测点布设与应力应变监测位置同，大多数测点布设在顺坡向和水平轴向的面板表层钢筋上，局部布有双层结构钢筋的部位，在其底层钢筋也布设了部分钢筋计，共计布设74支钢筋计。

面板混凝土温度。除以上用于观测面板应力的应变计和钢筋计兼测混凝土温度外，还在河床部位的面板混凝土中部，每隔30m布设1支温度计观测混凝土温度的变化。共计布设15支温度计。

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