水布垭大坝安全监测设计与新型仪器应用

　　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:

　　（1）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（断面）。

　　（2）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。

　　（3）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。

　　（4）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。

　　（5）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（包括周边缝）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。

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）大坝基础变形监测。在河床中部最大坝高监测部位（断面）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。

　　（4）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（含工作基点）。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。

　　（5）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（即引张线式位移计和水管式沉降仪）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（断面）上。中间最大坝高断面（0+212m）布设5条，分别布设在235、265、300、335m和370m高程处;两岸岸坡断面（0+132m和0+356m）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。

　　（6）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（高差）布设测点，其余按5～8m间距（高差）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（高差）4～8m。

　　（7）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。

　　（8）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。

　　（9）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。

　　（10）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

　　（1）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（共17支）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（其中帷幕前3个，帷幕后11个）。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。

　　（2）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。

　　（3）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。

　　（4）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

　　（1）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。

　　（2）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。

　　（3）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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3 新型监测仪器应用

　　根据国内外已建面板堆石坝的工程实践，在其工程监测中存在的主要技术问题为:①施工期面板及堆石体的变形监测难度大，难以取得变形量的动态监测值;②运行期面板及周边缝若出现渗漏，用已有的常规监测手段无法查找渗漏部位。为解决这些问题，将在水布垭工程中应用一些先进监测手段。

　　光纤传感技术是继光纤通信之后在20世纪80年代出现的集光学、电子学为一体的新兴光学技术。光纤传感技术的核心技术是光纤传感器，作为一种新型传感器，他具有体积小、精度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、耐久性好等优良特性，适合于恶劣环境下物理量的测量，同时光纤传感器集传感和信息传输于一体，可实现分布式或准分布式以及远距离监测，因而特别适用于水电工程及其他领域结构物的安全监测。

　　3.1 在面板堆石坝周边缝渗漏监测方面的应用

　　正常情况下，土石坝的渗流场主要受库水位、周边山体渗漏水、地下水、大气降水等因素的影响，且呈现一定的规律性。当坝体挡水层遭破坏时，坝体渗流量会增大，但在初期或这种破坏很小时，更多的表现在坝体渗流场的改变。若将高灵敏度温度传感器埋设在土石介质的挡水建筑物的基础或内部的不同深度，如测量点处或附近有渗流水通过和迁移，土中热量传递的强度发生改变，将打破该测量点处附近温度分布的均匀性及温度分布的一致性。在研究该处正常地温及参考水温后，就可确定测量点处温度异常是否是由渗漏水活动引起的，从而可以找出渗漏点。在面板堆石坝中，面板与趾板间的接缝（周边缝）处理是保证大坝安全运行的关键技术，为监视水布垭面板堆石坝周边缝的运行情况，沿周边缝布设了准分布式光纤光栅测温系统，沿大坝周边缝每100m为一段，构成一个测量单元，水布垭大坝周边渗漏监测范围1200m共划分成10个测量单元，在每单元内放置50～80个光纤光栅温度传感器，每个间距1.5～3m。由于水布垭坝高238m，水库深处水温较低，为准确地监测到较小流量的渗漏，系统配备了光缆加热装置。从2004年底开始施工，目前已完成一、二期面板长约800m的周边缝测温系统埋设，并已开始观测，由于大坝尚未挡水，仅坝前有部分积水，2006年5月监测结果:坝基有水部位温度在19℃左右，上部无水部位温度在23～26℃之间，与大气温度相近;起动加热装置后，各测点处温度平均上升约5℃左右，表明系统工作良好。

　　3.2 在面板堆石坝面板挠度监测方面的应用

　　光纤陀螺仪是一种基于光学Sagnac干涉效应的新型角速度测量装置，将光纤陀螺仪测量装置沿被测曲面运动，能连续记录其运动角速度，可测得该装置的运动轨迹。高面板堆石坝中混凝土面板的挠度变形是大坝运行安全的重要特征值，到目前为止，还没有一种传统的测量装置能连续地记录其变形轨迹。若将光纤陀螺仪应用于测量混凝土面板挠度，则当水库蓄水运行时，在水压力的作用下，混凝土面板会产生挠度变形，当光纤陀螺仪沿面板均匀平动时，坝面挠度对运动中的光纤陀螺产生一转动分量，转动大小与陀螺平动速度成正比例。因此，当光纤陀螺仪沿面板匀速运动，便可以测量出混凝土面板的挠度变形轨迹，计算出挠度变形量。水布垭面板堆石坝坝高238m，面板最大斜长400m，从2004年底起，在一、二期面板施工时，已在混凝土面板后埋设了光纤陀螺仪测量管道，目前系统还在试运行中。 3.3 在面板堆石坝面板受力监测中的应用

　　面板堆石坝上游钢筋混凝土面板在水库水压力及其它外力作用下，因受力环境及力学效应发生改变，其混凝土内部结构应力将发生变化，并重新进行分布。若在面板内埋设应变监测设施，则可直接了解混凝土面板的受力状况，判断混凝土面板是否遭挤压或拉裂破坏。在水布垭面板堆石坝混凝土面板中布设有光纤光栅应变测线，测线在混凝土面板表层和底层各1条（同块），测线上测点成组对应布设，监测顺坡向面板上下层混凝土应力变化。现已在一、二期面板混凝土中埋设完毕，2007年初拟进行第三期面板的埋设施工，至2007年4月，2条测线可完成全部施工。埋设在一、二期面板中的应变测线已取得部分监测资料，其测值稳定，应变变化趋势基本符合目前混凝土面板的应变规律。由于水布垭混凝土面板上所用的光纤光栅应变计为特制型大标距应变计，在仪器钢架与混凝土间线膨胀系数的差异、光纤光栅材料对温度的敏感等因素的影响下，使得按常规方法计算后的应变值偏大（压应变），还需在仪器率定、现场埋设试验等方面做进一步的工作。

4 结语

　　水布垭安全监测设计为监视工程施工期的安全提供了保障，为工程阶段验收、蓄水验收和竣工验收提供了全面的监测资料，长期的监测资料表明水布垭工程堆石体的变形和渗流、面板的变形和应力应变、周边缝的变形和渗流等重要指标基本反映了水布垭面板堆石坝的特点。新技术和新仪器的应用克服了传统方法存在的缺陷，为面板堆石坝安全监测技术的提高和推广应用打下了基础。

　　作者简介: 季 凡，女，长江水利委员会设计院枢纽处，高级工程师。