天花板水電站碾壓混凝土拱壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

張晨亮，季祥，耿貴彪，王永輝

（中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計(jì)研究院，北京100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的牛欄江上，是金沙江右岸較大的一級支流，河流發(fā)源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn)。

天花板水電站采用混合開發(fā)方式，電站壩址選在牛欄江與清水河交匯口上游約1.5 km的天花板峽谷處，攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1076.8 m，最大壩高107.0 m，壩頂總長159.87 m。正常蓄水位1071.0 m，死水位1050.0 m，總庫容7871萬m3，電站裝機(jī)容量為180 MW。

根據(jù)GB18306-2001《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》，場區(qū)地震動(dòng)峰值加速度為0.15 g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 設(shè)計(jì)原則

工程安全監(jiān)測的目的是為了解掌握工程建筑物在施工期和運(yùn)行期的工作性態(tài)，指導(dǎo)施工和運(yùn)行，并為設(shè)計(jì)提供可靠的反饋數(shù)據(jù)資料。

本工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)遵循以下原則：

（1）以安全監(jiān)測為主，監(jiān)測系統(tǒng)儀器設(shè)備的布置，力求能夠?qū)φ麄€(gè)工程進(jìn)行控制性安全監(jiān)測，以便較全面地了解工程建筑物的工作狀況。

（2）根據(jù)拱壩受力特點(diǎn)并結(jié)合理論計(jì)算成果進(jìn)行監(jiān)測布置，重點(diǎn)是變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測，并選擇結(jié)構(gòu)或地質(zhì)條件復(fù)雜部位進(jìn)行集中監(jiān)測。

（3）結(jié)合拱壩壩體結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)的特點(diǎn)，其相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目統(tǒng)籌安排，配合設(shè)置，對于基礎(chǔ)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜部位，采用多種監(jiān)測方式，以便相互補(bǔ)充、校核和驗(yàn)證。

（4）儀器設(shè)備的選擇，在滿足可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和精度要求前提下，盡可能減少設(shè)置儀器及量測方式的種類，對于電信號傳輸?shù)乃斜O(jiān)測儀器，均應(yīng)具備接入自動(dòng)化系統(tǒng)的條件。

3 監(jiān)測項(xiàng)目

本工程碾壓混凝土雙曲拱壩安全監(jiān)測設(shè)置的監(jiān)測項(xiàng)目主要有：

（1）環(huán)境量監(jiān)測：包括上下游水位、泥沙淤積、水溫等。

（2）變形監(jiān)測：包括表面變形、壩體水平和垂直位移、壩基基巖變位、壩體接縫位移、庫岸邊坡穩(wěn)定監(jiān)測等。

（3）滲流監(jiān)測：包括壩基揚(yáng)壓力、壩體滲透壓力、繞壩滲流、壩體滲漏量監(jiān)測和水質(zhì)分析等。

（4）應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測：包括壩體應(yīng)力應(yīng)變、拱座壓應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、壩體和壩基溫度監(jiān)測等。

（5）強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測。

4 監(jiān)測布置

4.1 環(huán)境量監(jiān)測

（1）上、下游水位監(jiān)測

在拱壩上、下游分別設(shè)置1個(gè)涂漆水尺。同時(shí)，在上、下游各設(shè)置1支遙測水位計(jì)，監(jiān)測上、下游水位變化。

（2）泥沙淤積監(jiān)測

本工程汛期河流含沙量較高，為監(jiān)測壩前泥沙淤積情況，在上游壩面布設(shè)3支土壓力計(jì)和2支滲壓計(jì)。

（3）庫水溫監(jiān)測

庫水溫監(jiān)測在2號表孔最大斷面壩體內(nèi)距上游壩面約8～10 cm處布置溫度計(jì)，正常蓄水位到死水位之間溫度計(jì)間距為10 m，死水位以下為20 m，共設(shè)置溫度計(jì)7支?？赏瑫r(shí)兼測壩面溫度。

4.2 變形監(jiān)測

（1）表面變形、谷幅監(jiān)測

首部樞紐工程表面變形監(jiān)測范圍相對集中，但拱壩上、下游河道兩岸地形條件復(fù)雜、陡峻，可利用位置選擇困難，致使變形監(jiān)測網(wǎng)在布網(wǎng)環(huán)境上受到較大制約，單一的測角網(wǎng)或測邊網(wǎng)均不能滿足精度、可靠度等要求，因此首部樞紐工程變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)采用三維邊角網(wǎng)交會(huì)技術(shù)方案[1]，最終選定的變形監(jiān)測網(wǎng)由6個(gè)網(wǎng)點(diǎn)組成。

表面變形測點(diǎn)原則上布設(shè)在變形較大，能準(zhǔn)確反映壩體及邊坡變形的部位，測點(diǎn)標(biāo)石與壩體及邊坡巖體牢固結(jié)合。具體分別在拱壩壩頂下游側(cè)、泄洪表孔弧形閘門閘墩上下游側(cè)，以及左右岸邊坡等部位設(shè)置測點(diǎn)，進(jìn)行首部樞紐工程表面變形監(jiān)測。同時(shí)，根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果，在壩體變形較大的壩頂高程和1037 m高程壩肩部位設(shè)置4個(gè)測點(diǎn)進(jìn)行拱壩谷幅監(jiān)測。具體位置見圖1。

（2）壩體水平位移監(jiān)測

壩體水平位移采用正、倒垂線聯(lián)合監(jiān)測，倒垂線錨入基巖一定深度。具體在靠近左右岸壩肩約1/4拱圈及拱冠梁處，通過上、中、下層廊道，在廊道內(nèi)設(shè)置水平位移測站，共設(shè)置3組正、倒垂線，聯(lián)合監(jiān)測壩體水平位移。同時(shí)為監(jiān)測兩壩肩的水平位移，在左右岸灌漿廊道內(nèi)各設(shè)置1條倒垂線。具體位置見圖2。

（3）壩體垂直位移監(jiān)測

壩體垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法和靜力水準(zhǔn)法監(jiān)測。在979 m高程基礎(chǔ)灌漿廊道和1010 m高程廊道內(nèi)設(shè)置水準(zhǔn)測點(diǎn)，測點(diǎn)基本采用等間距布置。同時(shí)，在979 m高程基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)設(shè)置2套靜力水準(zhǔn)儀，并在廊道內(nèi)靜力水準(zhǔn)儀測線上設(shè)置雙金屬管標(biāo)作為靜力水準(zhǔn)儀的觀測基準(zhǔn)。

（4）壩體接縫變形監(jiān)測

為了解拱壩的整體性以及掌握施工期拱壩誘導(dǎo)縫、橫縫、壩體與基巖接縫開合度，以指導(dǎo)封拱和接觸灌漿，在壩體的誘導(dǎo)縫、橫縫、左右岸拱座與岸坡基巖接合面分別設(shè)置監(jiān)測斷面，各監(jiān)測斷面不同高程沿上下游方向設(shè)置2～3支單向測縫計(jì)，同高程單向測縫計(jì)形成水平監(jiān)測斷面；在拱冠梁最大斷面基礎(chǔ)與基巖結(jié)合處（包括護(hù)袒）設(shè)置一組單向測縫計(jì)監(jiān)測其接縫變形。

4.3 滲流監(jiān)測

（1）壩基揚(yáng)壓力

壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測根據(jù)壩基滲透壓力控制工程措施和地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)置。為監(jiān)測壩基揚(yáng)壓力并檢驗(yàn)防滲帷幕及壩基排水效果，沿壩基灌漿廊道在防滲帷幕后布置一排揚(yáng)壓力監(jiān)測孔，共8個(gè)。沿最大監(jiān)測橫斷面的壩基和護(hù)袒基礎(chǔ)上下游方向布置滲壓計(jì)，監(jiān)測其相應(yīng)部位的基礎(chǔ)揚(yáng)壓力。拱座混凝土與基巖結(jié)合面沿不同高程設(shè)置滲壓計(jì)，在壩基斷層出露位置設(shè)置滲壓計(jì)，監(jiān)測其拱座基面的揚(yáng)壓力。

（2）壩體滲透壓力

為監(jiān)測碾壓混凝土拱壩壩體內(nèi)部的滲透壓力，選擇壩體最高大橫斷面上986 m、1006 m和1026 m高程，每層布置4～5支滲壓計(jì)，對壩體水平施工縫上的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測。

（3）繞壩滲流

根據(jù)壩體布置、兩岸地形地質(zhì)條件、滲流控制措施及滲流特征等，在左右岸壩肩灌漿帷幕后各布設(shè)4個(gè)地下水位監(jiān)測孔，監(jiān)測繞壩滲流情況。

（4）滲流量

根據(jù)滲透水流向、集流和排水設(shè)施的設(shè)置，在上、中、下層交通和帷幕灌漿廊道的排水溝內(nèi)共設(shè)置量水堰12個(gè)，監(jiān)測壩體及壩基不同區(qū)域的滲流情況。

4.4 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

（1）壩體應(yīng)力應(yīng)變

碾壓混凝土雙曲拱壩受力情況復(fù)雜，根據(jù)拱壩拱梁分載法和有限元計(jì)算結(jié)果，拱冠梁和拱座部位應(yīng)力應(yīng)變較大；最不利工況組合下的計(jì)算結(jié)果表明拱壩1052 m、1007 m高程附近應(yīng)力應(yīng)變較大。因此在相應(yīng)部位斷面設(shè)置九向應(yīng)變計(jì)組進(jìn)行監(jiān)測，應(yīng)變計(jì)組主平面平行于壩面，在不同高程沿上、下游布設(shè)測點(diǎn)。在左右岸壩肩距拱座基巖面約1.5 m埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組，主平面垂直于拱座基巖面，在不同高程亦沿上、下游布設(shè)測點(diǎn)。應(yīng)變計(jì)組旁均埋設(shè)無應(yīng)力計(jì)，共設(shè)置九向應(yīng)變計(jì)組29組，無應(yīng)力計(jì)29支。同時(shí)，在左、右壩肩1052 m、1007 m高程附近拱座基巖面布設(shè)壓應(yīng)力計(jì)，壓應(yīng)力計(jì)平面平行于拱座基巖面，監(jiān)測拱座壓應(yīng)力變化。具體布置見圖3。

（2）鋼筋應(yīng)力

根據(jù)拱壩有限元應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果，在壩體開孔位置應(yīng)力集中較大，且孔口附近受力條件復(fù)雜，因此在表孔、中孔周邊設(shè)置鋼筋應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力。

圖3 拱壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測布置圖Fig.3 Distribution of monitoring points for arch dam stress and strain

4.5 壩體和壩基溫度監(jiān)測

（1）壩體溫度監(jiān)測

為給施工期壩體溫控提供依據(jù)，掌握壩體溫度分布、變化規(guī)律及驗(yàn)證冷凝系統(tǒng)的效果，在2號表孔最大斷面和距右壩肩約1/4拱圈處設(shè)置2個(gè)溫度監(jiān)測斷面。在監(jiān)測斷面呈網(wǎng)格狀布置溫度計(jì)，網(wǎng)格間距約10 m×10 m。共設(shè)置溫度計(jì)62支。

（2）基巖溫度監(jiān)測，在2號表孔最大斷面壩基上、下游側(cè)各設(shè)置一組基巖溫度計(jì)并與基巖變位計(jì)同孔埋設(shè)，溫度計(jì)距基巖面分別為0 m、2 m、5 m、10 m，共設(shè)置溫度計(jì)8支。

4.6 強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測

工程區(qū)設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅶ度，為監(jiān)測壩體強(qiáng)震動(dòng)對壩體的影響，分別在拱冠梁壩頂及上、中、下層廊道內(nèi)各布置1個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測點(diǎn)，在壩頂兩壩肩灌漿平洞內(nèi)各設(shè)置1個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測點(diǎn)，在左右岸中層灌漿平洞內(nèi)靠近拱座位置各設(shè)置1個(gè)強(qiáng)震動(dòng)測點(diǎn)。強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測設(shè)置1套工程數(shù)字地震儀，共8個(gè)空間三分向拾震器。

5 結(jié)語

混凝土雙曲拱壩屬于高次超靜定結(jié)構(gòu)，受力條件復(fù)雜，在天花板碾壓混凝土雙曲拱壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)過程中，具體根據(jù)計(jì)算分析成果并結(jié)合樞紐布置與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，力爭做到監(jiān)測目的明確、針對性強(qiáng)，為工程施工及運(yùn)行期的安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù)，同時(shí)對理論計(jì)算分析成果進(jìn)行驗(yàn)證與反饋，促進(jìn)碾壓混凝土雙曲拱壩設(shè)計(jì)與建設(shè)水平。■

[1]劉東慶,王紹純,翟明成.云南天花板水電站工程區(qū)表面變形監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)書.北京勘測設(shè)計(jì)研究院.2009.