李彩霞
(浙江遂昌成屏水力發(fā)電有限責(zé)任公司,浙江遂昌323300)
成屏水力發(fā)電廠位于浙江省遂昌縣境內(nèi)甌江支流松蔭溪的上游,距遂昌縣城12 km。水庫(kù)流域面積為185 km2,主流長(zhǎng)27 km,庫(kù)區(qū)多年平均降雨量1728 mm。水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位346.78 m(P=2%),校核洪水位349.43 m(PMF),相應(yīng)總庫(kù)容5230萬(wàn)m3,正常水位為346.08 m,發(fā)電死水位為324.00 m。工程以發(fā)電為主,兼顧防洪、灌溉等社會(huì)義務(wù)。
電廠水工建筑物主要包括:攔河壩、發(fā)電引水隧洞、副壩及溢洪道等設(shè)施。樞紐屬三等工程,主要建筑物為3級(jí),主壩按2級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。
攔河壩為混凝土面板堆石壩,壩高74.6 m,壩頂長(zhǎng)217 m,壩頂高程為350.78 m。上、下游壩坡均為1∶1.3,下游壩坡為干砌石護(hù)面,設(shè)三座觀測(cè)房,并在302 m和326 m高程各設(shè)一條馬道,壩內(nèi)設(shè)一條灌漿、觀測(cè)、交通廊道。
主壩兩岸山坡基巖大都裸露,巖性多為熔結(jié)凝灰?guī)r。施工時(shí)大壩基坑進(jìn)行了全面開(kāi)挖,趾板部位絕大部分已挖至微風(fēng)化~新鮮巖石,局部為弱風(fēng)化基巖,河床段壩基覆蓋層施工時(shí)已挖至弱風(fēng)化~微風(fēng)化基巖。
工程于1985年10月開(kāi)始興建,1989年6月投產(chǎn)發(fā)電,1991年10月工程全部竣工。
為滿足工程下游防洪要求,提高水庫(kù)防洪標(biāo)準(zhǔn),2008~2010年對(duì)大壩及溢洪道等水工建筑物進(jìn)行了改造。改造后水庫(kù)設(shè)計(jì)洪水位353.54 m(P=1%),校核洪水位354.05 m(P=0.05%),相應(yīng)總庫(kù)容6094萬(wàn)m3,正常水位為346.00 m,發(fā)電死水位為324.00 m。改造后的面板堆石壩壩高78.32 m,壩頂長(zhǎng)217.70 m,壩頂高程為354.50 m。
成屏大壩是國(guó)內(nèi)首批興建的幾座面板壩之一,當(dāng)時(shí)設(shè)計(jì)水平、施工工藝及設(shè)備等相對(duì)落后,也無(wú)較多的工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,加之本工程的一些具體情況,蓄水以來(lái),大壩的運(yùn)行狀況已反映出一些問(wèn)題和缺陷。通過(guò)運(yùn)行單位科學(xué)合理的安全監(jiān)測(cè)及精心妥善的維護(hù)管理,工程至今已安全運(yùn)行20余年。
成屏面板壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括巡視檢查、環(huán)境量監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)和應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)五個(gè)部分。其中大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括大壩表面變形及大壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè),表面變形監(jiān)測(cè)通過(guò)Leica TCA1201+全站儀(前期使用T3經(jīng)緯儀及NA2+GPM3水準(zhǔn)儀)采用視準(zhǔn)線法加EDM三角高程法觀測(cè)位移測(cè)點(diǎn)的水平及垂直位移,表面變形工作基點(diǎn)本身的位移則通過(guò)布設(shè)于大壩下游0.5~1.9 km的基準(zhǔn)點(diǎn)TN1、TN2和各工作基點(diǎn)共同組成的大壩平面及高程變形控制網(wǎng)定期進(jìn)行復(fù)測(cè)校核,大壩表面變形測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖1。內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)通過(guò)鋼絲水平位移計(jì)及水管式沉降儀觀測(cè)壩體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)的水平及垂直位移。大壩滲流監(jiān)測(cè)包括大壩滲流量及壩基滲流壓力監(jiān)測(cè)。應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)主要包括面板應(yīng)變及鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。
圖1 大壩表面變形網(wǎng)布置圖Fig.1 Layout of dam surface deformation network
大壩表面變形觀測(cè)在視準(zhǔn)線法加EDM三角高程法基礎(chǔ)上,采用了先進(jìn)的技術(shù)措施,有效降低了大氣垂直折光的影響,使表面變形觀測(cè)點(diǎn)的位移量觀測(cè)精度高于DL/T 5259-2010《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的±3.0 mm,達(dá)到了預(yù)期效果。
2.1.1 全站儀進(jìn)行視準(zhǔn)線觀測(cè)應(yīng)采用小角度法
大壩表面水平位移觀測(cè)采用視準(zhǔn)線法中的小角度法。與活動(dòng)覘牌法比較,小角度法觀測(cè)視準(zhǔn)線具有位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)相對(duì)靈活的優(yōu)點(diǎn),即使位移測(cè)點(diǎn)偏離基準(zhǔn)線一定的距離仍可進(jìn)行正常觀測(cè),后視基點(diǎn)可靈活布設(shè)而不一定要布設(shè)在視準(zhǔn)線的延長(zhǎng)線上,但工作基點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在視準(zhǔn)線的延長(zhǎng)線上。如在本工程中,壩頂水平位移基準(zhǔn)線與面板頂部水平位移基準(zhǔn)線共同使用后視基點(diǎn)TB7。
采用全站儀進(jìn)行視準(zhǔn)線觀測(cè)時(shí)應(yīng)采用小角度法。使用傳統(tǒng)的光學(xué)經(jīng)緯儀,因其沒(méi)有垂直軸傾斜自動(dòng)補(bǔ)償功能,一旦工作基點(diǎn)與位移測(cè)點(diǎn)有較大高差,則經(jīng)緯儀垂直軸傾斜引起的系統(tǒng)誤差將無(wú)法消除。如本工程原T3經(jīng)緯儀氣泡偏離一格時(shí),對(duì)于相對(duì)其高差為15 m的位移測(cè)點(diǎn)將產(chǎn)生約0.5 mm的系統(tǒng)誤差。而徠卡全站儀由于其具有“三軸自動(dòng)補(bǔ)償”功能,可完全消除這種系統(tǒng)誤差。但全站儀中的“三軸自動(dòng)補(bǔ)償”功能只是在度盤(pán)讀數(shù)中自動(dòng)加入改正,并非物理上的軸系改平,所以全站儀作視準(zhǔn)線法觀測(cè)要發(fā)揮其“補(bǔ)償”功能,則只能采用小角度法,而不應(yīng)采用活動(dòng)覘牌法。再者,全站儀望遠(yuǎn)鏡的放大倍率均不高,用人工照準(zhǔn)覘牌的照準(zhǔn)誤差較大,況且TCA全站儀無(wú)水平制動(dòng)設(shè)施,難以確定固定不變的基準(zhǔn)線。
2.1.2 小角度法位移量觀測(cè)值全中誤差
小角度法位移量觀測(cè)值全中誤差計(jì)算公式為
式中L為位移測(cè)點(diǎn)P在上下游方向偏離基準(zhǔn)線的距離;Mβ為小角度觀測(cè)的全中誤差;Ms為工作基點(diǎn)至位移測(cè)點(diǎn)水平距離S觀測(cè)的全中誤差;m儀中為儀器對(duì)中誤差和后視目標(biāo)對(duì)中誤差,這兩項(xiàng)誤差不會(huì)產(chǎn)生累積,其綜合影響最大值將不大于其中最大的一項(xiàng)(如假設(shè)為儀器對(duì)中誤差);m目標(biāo)為位移測(cè)點(diǎn)目標(biāo)偏心(對(duì)中)誤差;ρ=206265。使用同等級(jí)儀器在照準(zhǔn)次數(shù)相同的情況下,活動(dòng)覘牌法與小角度法觀測(cè)視準(zhǔn)線的精度相當(dāng)。
本工程視準(zhǔn)線法觀測(cè)項(xiàng)目中,工作基點(diǎn)至位移測(cè)點(diǎn)水平距離S最大值為223 m,采用TCA1201+全站儀按全圓觀測(cè)法一測(cè)回進(jìn)行水平方向觀測(cè),水平距離S每年按精密光電測(cè)距要求定期進(jìn)行一次觀測(cè)。大壩各表面位移測(cè)點(diǎn)水平位移量觀測(cè)全中誤差均在±2.3 mm以內(nèi)。
2.2.1 大氣垂直折光對(duì)三角高程的影響
大壩表面垂直位移觀測(cè)是在采用視準(zhǔn)線法觀測(cè)的同時(shí)由EDM三角高程觀測(cè)得到基點(diǎn)到位移測(cè)點(diǎn)的高差h,從而得到位移測(cè)點(diǎn)的垂直位移。
由于地球曲率和大氣折光的影響,在所觀測(cè)的h中包含有球氣差的影響。然而,變形觀測(cè)中,由于每次觀測(cè)中的地形、地物(植被條件等)均一致,故球差的影響在變形測(cè)量中已完全消除。對(duì)于視距較短、地形地物較單一、通風(fēng)對(duì)流效果良好且視線不受庫(kù)面大氣折光影響的土石壩工程,選擇垂直折光較為穩(wěn)定的地方在10~16時(shí)之間觀測(cè),大氣垂直折光的影響也大為降低。加之變形觀測(cè)中采用了“四固定”的方法,提高了垂直角的觀測(cè)精度(對(duì)于光學(xué)經(jīng)緯儀基本消除了垂直度盤(pán)刻劃誤差的影響,電子經(jīng)緯儀或全站儀度盤(pán)刻劃誤差可忽略不計(jì)),一般情況下垂直角觀測(cè)精度能達(dá)到水平角的觀測(cè)精度。
EDM三角高程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)時(shí),采用在位移測(cè)點(diǎn)附近大氣折光情況比較接近的穩(wěn)定點(diǎn)進(jìn)行三角高程觀測(cè),從而分析推算大氣垂直折光系數(shù)K值。為提高判斷K值變化的靈敏度以及提高K值修正的精度,可采用對(duì)多個(gè)固定點(diǎn)或?qū)潭c(diǎn)進(jìn)行多次觀測(cè)的方法。故在三角高程變形觀測(cè)中,觀測(cè)位移測(cè)點(diǎn)高程的同時(shí),觀測(cè)與位移測(cè)點(diǎn)大氣垂直折光基本一致的固定點(diǎn)高程,如在本工程中工作基點(diǎn)TB3、工作基點(diǎn)TB4設(shè)站觀測(cè)時(shí),均同時(shí)觀測(cè)后視基點(diǎn)TB7的高程,以掌握推算大氣垂直折光的變化情況,必要時(shí)進(jìn)行K值變化引起的位移測(cè)點(diǎn)高程觀測(cè)值修正。
為掌握大氣垂直折光系數(shù)K值的變化以及其對(duì)三角高程觀測(cè)值的影響,本工程在2004~2011年期間的不同季節(jié),在測(cè)站TB4采用T3經(jīng)緯儀對(duì)后視基點(diǎn)TB7高程進(jìn)行了30次觀測(cè),TB4~TB7的平距為292 m,視線兩端附近地形地物基本一致且為空曠陸地。8 a間30余次的觀測(cè)表明,大氣垂直折光系數(shù)K值基本穩(wěn)定,除少數(shù)幾次雨天觀測(cè)的K值變化較大外,正常觀測(cè)條件下,包含K值變化影響在內(nèi)的“雙照準(zhǔn)法”二測(cè)回垂直角觀測(cè)全中誤差為±0.97″,說(shuō)明K值變化對(duì)垂直角觀測(cè)誤差影響較小,其綜合誤差能滿足國(guó)家規(guī)范要求。
2.2.2 ED M三角高程法位移量觀測(cè)值全中誤差
對(duì)于采用全站儀進(jìn)行的EDM三角高程測(cè)量,在變形觀測(cè)中如忽略球氣差的影響,則垂直位移量觀測(cè)值全中誤差為
式中mD為工作基點(diǎn)至位移測(cè)點(diǎn)斜距D的觀測(cè)中誤差;mτ為垂直角觀測(cè)全中誤差;m1、mv分別為儀器高及目標(biāo)高觀測(cè)中誤差。
垂直角觀測(cè),量取儀器高時(shí)必須采用固定的鋼尺(無(wú)零點(diǎn)差)或用固定的專用卡尺,全站儀儀器高,也可量取至全站儀兩側(cè)支架的某一固定的特征點(diǎn)(如電池槽下沿處,而該處至儀器中心的距離對(duì)本儀器來(lái)說(shuō)是常數(shù))。由于觀測(cè)墩底座面的傾斜問(wèn)題(傾斜度按4′考慮),量取儀器高時(shí)可采用底座面四周(或?qū)絻蓚?cè)方)分別量測(cè)取中數(shù),或者每次量取儀器高時(shí),在底座面的固定位置量取等有效措施,可以將儀器高量取的中誤差m1控制在±0.1 mm。目標(biāo)高度由于采用固定覘桿或固定的棱鏡及配套基座,一般目標(biāo)高觀測(cè)誤差mv較小或該項(xiàng)誤差不存在。
本工程三角高程觀測(cè)項(xiàng)目中,工作基點(diǎn)至位移測(cè)點(diǎn)水平距離S最大值為223 m,相應(yīng)的垂直角為6°,采用TCA1201+全站儀按中絲法一測(cè)回進(jìn)行垂直角觀測(cè),水平距離S每年按精密光電測(cè)距要求定期進(jìn)行一次觀測(cè)。大壩各表面位移測(cè)點(diǎn)垂直位移量觀測(cè)全中誤差均在±2.3 mm以內(nèi)。
成屏混凝土面板壩運(yùn)行初期(1990~1995年),壩頂最大累計(jì)沉降量已達(dá)187 mm,壩頂最大累計(jì)水平位移量已達(dá)115 mm。大壩運(yùn)行10 a后,壩頂位移測(cè)點(diǎn)最大年沉降(垂直位移)量仍維持在10 mm左右,1995~2005年期間,壩頂最大累計(jì)沉陷量達(dá)94 mm、向下游水平位移達(dá)75 mm。大壩的滲流量長(zhǎng)期較大,年最大滲流量都在50 L/s以上,如1999年4月30日(時(shí)庫(kù)水位為341.72 m)觀測(cè)到的大壩較真實(shí)滲流量為75 L/s,2005年2月22日(時(shí)庫(kù)水位為341.15 m)觀測(cè)到的大壩較真實(shí)滲流量為62 L/s。見(jiàn)表1及圖2、圖3。
大壩總滲流量主要包括壩體滲漏、壩基滲漏及地表水潛流(客水)等。本工程為基本剔除客水的影響,一般情況下低溫多雨季節(jié)應(yīng)選擇前3日日降雨量都在2 mm以下,前4~5日共降雨10 mm以下的觀測(cè)日;高溫干旱季節(jié)只要前3日日降雨量都在2 mm以下的觀測(cè)日,數(shù)據(jù)都作為大壩滲流量的較真實(shí)數(shù)據(jù),表1中的滲流量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)均較真實(shí)。
表1 大壩監(jiān)測(cè)值統(tǒng)計(jì)表Table 1:Statistics of dam monitoring data
圖2 壩頂表面水平垂直位移過(guò)程線Fig.2 Graphs of horizontal displacement and vertical displace?ment on crest surface
圖3 大壩總滲流量過(guò)程線Fig.3 Graph of dam seepage
成屏混凝土面板堆石壩為興建于20世紀(jì)80年代的國(guó)內(nèi)首批混凝土面板壩,是國(guó)內(nèi)首批興建且至今仍在安全運(yùn)行的面板壩。由于當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)水平、施工工藝及設(shè)備等相對(duì)較落后,也無(wú)較多的工程經(jīng)驗(yàn)可以借鑒,加之本工程的一些具體情況(如面板壩的面板垂直接縫未設(shè)表面止水設(shè)施;當(dāng)時(shí)碾壓臺(tái)車(chē)的噸位為12 t,大壩基礎(chǔ)尚有數(shù)米的覆蓋層未予清理等),本混凝土面板壩自蓄水初期至今已表現(xiàn)出一些不足之處,如較大的大壩滲流量及大壩變形。
面板壩的滲流量是衡量面板壩運(yùn)行性態(tài)的最重要指標(biāo)。長(zhǎng)期大滲漏會(huì)不斷將大壩壩體中的細(xì)小筑壩材料沖蝕帶走,使大壩出現(xiàn)更大的沉陷、水平位移等變形情況,而大壩變形(尤其是大的不均勻變形及向下游水平位移)又會(huì)導(dǎo)致面板的進(jìn)一步張拉,加劇接縫及裂縫的變位,嚴(yán)重時(shí)會(huì)致使面板分縫及周邊縫中的止水設(shè)施破壞,造成大壩嚴(yán)重滲漏直至重大損害。面板壩的變形與滲流相輔相成,本工程大壩運(yùn)行管理的主要方向是控制大壩的變形及滲流狀況。
(1)根據(jù)本工程大壩運(yùn)行狀況,1998~2000年期間,結(jié)合大壩安全定檢工作,將庫(kù)水位降低至296 m以下,對(duì)大壩面板等開(kāi)展了全面的現(xiàn)場(chǎng)檢查工作,發(fā)現(xiàn)了面板的幾處破損及裂縫,并及時(shí)進(jìn)行了修補(bǔ)維護(hù)。因1998年年底及1999年年初期間大壩經(jīng)歷了較長(zhǎng)時(shí)間的低溫低水位工況,原來(lái)水庫(kù)蓄水后堵塞各種裂隙的細(xì)小顆粒干涸松動(dòng)、流失,而1999年汛期又逢水位快速上漲,滲流狀況產(chǎn)生了較大的變化,表現(xiàn)為滲流量的明顯增大。隨后的幾年間,如2000年汛后至2004年期間,大壩的滲流量及變形等運(yùn)行工況逐漸趨于好轉(zhuǎn),明顯好于1998年以前的狀況,說(shuō)明大壩安全定檢期間的檢查維護(hù)工作起到了一定效果。
(2)針對(duì)大壩滲流量有增大的趨勢(shì),2005年汛前對(duì)大壩周邊縫及面板張性垂直縫表面止水設(shè)施進(jìn)行了檢查,發(fā)現(xiàn)原有的表面止水材料大部分已起不到正常效用,及時(shí)對(duì)其進(jìn)行了修補(bǔ)維護(hù)。2005年汛期后至今的大壩監(jiān)測(cè)資料表明,大壩的變形及滲流狀況均有明顯好轉(zhuǎn)跡象,說(shuō)明2005年汛前周邊縫及面板張性垂直縫表面止水設(shè)施的修復(fù)維護(hù)取得了良好效果,見(jiàn)圖2、圖3。
成屏混凝土面板堆石壩在先天條件不盡完善的情況下能安全運(yùn)行至今,主要經(jīng)驗(yàn)有如下幾點(diǎn)。
3.2.1 領(lǐng)導(dǎo)重視,規(guī)范管理
本工程大壩下游有多個(gè)縣級(jí)以上城市及大中型工礦企業(yè),各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)本工程的大壩安全管理都極為重視,幾十年來(lái)運(yùn)行單位領(lǐng)導(dǎo)一如既往將大壩等水工建筑物的安全管理作為電站安全管理的重中之重。目前電站水工管理各項(xiàng)制度健全完善,責(zé)任落實(shí)到位,水工維護(hù)費(fèi)用按時(shí)到位并嚴(yán)格做到??顚S茫瑢?duì)水工建筑物存在的問(wèn)題和缺陷做到早發(fā)現(xiàn)早處理,將事故隱患消滅在萌芽階段。實(shí)踐證明,水工建筑物缺陷早發(fā)現(xiàn)早處理是確保安全運(yùn)行的有效措施。
3.2.2 重視混凝土面板的檢查觀測(cè)
面板對(duì)控制大壩滲流起最主要作用。面板運(yùn)行監(jiān)測(cè)包括面板的水平垂直位移、面板接縫(周邊縫及垂直縫等)變位、面板裂縫破損以及止水系統(tǒng)效用等。掌握面板運(yùn)行狀況對(duì)分析大壩滲流有著直接作用,故在不同水位、溫度、時(shí)期等情況下均應(yīng)對(duì)面板的運(yùn)行情況進(jìn)行及時(shí)檢查觀測(cè),分析其運(yùn)行狀態(tài)和性態(tài),并及時(shí)進(jìn)行必要的維護(hù)修補(bǔ)工作。
3.2.3 合理控制不同季節(jié)的庫(kù)水位
要盡量避免低溫空庫(kù)的不利運(yùn)行工況。本工程經(jīng)歷了幾次冬季放空水庫(kù)的運(yùn)行工況,冬季低溫空庫(kù)后再快速蓄水會(huì)造成大壩滲流量的增大以及大壩變形的增加。從大壩安全運(yùn)行角度出發(fā),應(yīng)盡量避免低氣溫情況下庫(kù)水位降得過(guò)低,尤其應(yīng)避免冬季低氣溫時(shí)水位暴漲暴落。同時(shí)面板壩低溫高水位的運(yùn)行也要避免,它會(huì)導(dǎo)致大壩滲流明顯加劇,對(duì)大壩的運(yùn)行不利。
(1)全站儀進(jìn)行視準(zhǔn)線法水平位移觀測(cè)應(yīng)采用小角度法,后視基點(diǎn)可靈活布設(shè)而不需布設(shè)在視準(zhǔn)線的延長(zhǎng)線上,從而精減了后視工作基點(diǎn)的建立。實(shí)踐表明,小角度法觀測(cè)水平位移與活動(dòng)覘牌法比較,工作強(qiáng)度減輕、觀測(cè)精度提高。
(2)EDM三角高程觀測(cè),對(duì)于視距較短、地形地物較單一、通風(fēng)對(duì)流效果良好且視線不受庫(kù)面大氣折光影響的土石壩工程,大氣垂直折光系數(shù)K值較穩(wěn)定。只要在規(guī)定的觀測(cè)時(shí)間段內(nèi)按規(guī)定進(jìn)行ATR照準(zhǔn)差檢校,考慮豎盤(pán)指標(biāo)歸零誤差影響及大氣垂直折光變化等綜合影響后,其垂直角觀測(cè)全中誤差一般不大于水平角觀測(cè)全中誤差。
三角高程現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)同時(shí),可觀測(cè)與位移測(cè)點(diǎn)附近大氣折光情況比較接近的穩(wěn)定點(diǎn)高程,從而分析推算大氣垂直折光系數(shù)K值,必要時(shí)進(jìn)行K值變化引起的位移測(cè)點(diǎn)高程觀測(cè)值修正。為提高K值變化判斷的靈敏度以及K值修正的精度,可采用對(duì)多個(gè)固定點(diǎn)或?qū)潭c(diǎn)進(jìn)行多次觀測(cè)的方法。
(3)成屏大壩自1989年試運(yùn)行至今已安全運(yùn)行二十余年,并經(jīng)受了超過(guò)正常高水位0.5 m以上的運(yùn)行考驗(yàn)。運(yùn)行單位通過(guò)規(guī)范的安全監(jiān)測(cè)及精心妥善的維護(hù)管理,及時(shí)總結(jié)本工程大壩運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn),確保了大壩等水工建筑物的正常運(yùn)行?!?/p>
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