龍江水電站大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)綜述

韓 琳，徐 巖，任建欽

（中水東北勘測設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061）

1 工程概況

龍江水電站樞紐由混凝土雙曲拱壩、左岸引水系統(tǒng)及地面式廠房組成，為大（1）型Ⅰ等工程。壩頂高程875.00 m，最大壩高110 m，壩頂中心線弧長（包括溢流、重力墩壩段）472.00 m。

2 大壩安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

安全監(jiān)測設(shè)計(jì)主要監(jiān)測項(xiàng)目：變形監(jiān)測控制網(wǎng)；變形監(jiān)測；滲流監(jiān)測；應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測；地震反應(yīng)監(jiān)測；監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)。

根據(jù)地質(zhì)條件、科研計(jì)算成果和壩體廊道布置，選擇10號(hào)、14號(hào)和17號(hào)共3個(gè)壩段為重點(diǎn)監(jiān)測壩段，6號(hào)、21號(hào)兩個(gè)壩段為輔助監(jiān)測壩段，形成5個(gè)觀測基面；在平面上選擇769 m、795 m、815 m、835 m和855 m拱圈，形成5個(gè)觀測截面，構(gòu)成外部監(jiān)測5梁5拱、內(nèi)部監(jiān)測5拱5梁的監(jiān)測體系。

2.1 變形監(jiān)測

2.1.1 大壩水平位移監(jiān)測

1）邊角交會(huì)法。根據(jù)龍江水電站樞紐大壩的具體情況，利用平面監(jiān)測控制網(wǎng)中的控制點(diǎn)作為壩體水平位移監(jiān)測的工作基點(diǎn)，用前方交會(huì)法觀測。壩體表面變形測點(diǎn)主要布置在壩頂下游側(cè)及下游壩后棧橋上，共計(jì)45個(gè)測點(diǎn)。

2）垂線。由于受壩體剖面形狀及結(jié)構(gòu)的限制，在10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段3個(gè)壩段觀測基面設(shè)置垂線，垂線均采用正、倒垂相結(jié)合的方式。3個(gè)壩段布設(shè)正垂線7條（12個(gè)測點(diǎn)），倒垂線3條（3個(gè)測點(diǎn)），以此對(duì)壩體、壩基的水平位移及壩體撓度進(jìn)行觀測。

3）谷幅測線長度、拱壩弦長變化監(jiān)測。利用大壩監(jiān)測平面控制網(wǎng)的基準(zhǔn)點(diǎn)，在近拱壩弦線附近、上下游壩肩上部巖體布置3條谷幅監(jiān)測線，監(jiān)測大壩蓄水后上下游岸坡之間的相對(duì)變形，研究其變化規(guī)律，分析壩肩穩(wěn)定性。

2.1.2 大壩垂直位移監(jiān)測

1）精密水準(zhǔn)測量。大壩的垂直位移在壩頂及各層廊道內(nèi)分別設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)。壩頂測點(diǎn)設(shè)在1～26號(hào)壩段、基礎(chǔ)廊道測點(diǎn)設(shè)在12—15號(hào)壩段、803 m高程廊道測點(diǎn)設(shè)在9—18號(hào)壩段、842 m高程廊道測點(diǎn)設(shè)在6—21號(hào)壩段，每個(gè)壩段分別設(shè)1個(gè)測點(diǎn)，共設(shè)置測點(diǎn)56個(gè)。

2）高程傳遞。由于兩岸壩段基礎(chǔ)廊道坡度較大，水準(zhǔn)通視困難；同時(shí)雙金屬標(biāo)需進(jìn)行校核，因此通過高程傳遞將壩外水準(zhǔn)引入大壩廊道內(nèi)。通過10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段的正垂線保護(hù)管，利用銦鋼帶尺進(jìn)行高程傳遞,共布設(shè)9條銦鋼帶尺。

3）雙金屬標(biāo)。在10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段的基礎(chǔ)廊道內(nèi)布設(shè)的倒垂管內(nèi)埋設(shè)雙金屬標(biāo)，雙金屬標(biāo)在進(jìn)行基礎(chǔ)垂直位移監(jiān)測的同時(shí)，為基礎(chǔ)廊道內(nèi)水準(zhǔn)觀測提供基準(zhǔn)。

2.1.3 傾斜監(jiān)測

傾斜監(jiān)測利用壩頂和壩體內(nèi)的橫向觀測廊道，成對(duì)布設(shè)測點(diǎn)，利用水準(zhǔn)儀觀測測點(diǎn)的相對(duì)變化，得到壩體傾斜位移量。在橫向觀測廊道沿上、下游方向各設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)，共布設(shè)18個(gè)測點(diǎn)。

2.1.4 壩體接縫和裂縫

測縫計(jì)的布置以13—14號(hào)壩段分縫為中心，沿左、右岸方向隔縫布設(shè)，以河床壩段的橫縫為主，共選擇7條橫縫，分4個(gè)高程布置3支單向埋入式測縫計(jì)，即上、下游面及壩中各1支，總共60支。

2.2 滲流監(jiān)測

2.2.1 揚(yáng)壓力

為了解大壩基礎(chǔ)揚(yáng)壓力的變化，判斷大壩是否有滑動(dòng)、傾覆等危險(xiǎn)，并校核設(shè)計(jì)?？v向揚(yáng)壓力選擇9個(gè)壩段各布設(shè)1個(gè)測點(diǎn)；橫向揚(yáng)壓力主要布設(shè)在10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段3個(gè)壩段的觀測基面內(nèi)，沿上下游方向分別布設(shè)3個(gè)測點(diǎn)，其中第一個(gè)與縱向揚(yáng)壓力共用。

2.2.2 滲漏量

為觀測滲漏量，在排水廊道、803 m和842 m高程廊道的排水溝內(nèi)分左、右區(qū)，共布置8個(gè)量水堰。在基礎(chǔ)廊道集水井內(nèi)設(shè)置1臺(tái)集水井測量儀，以量測總的漏水量。

2.2.3 繞壩滲流

在灌漿帷幕前后各設(shè)1孔，以了解灌漿帷幕的效果，其它根據(jù)可能產(chǎn)生滲流的流線和梯度方向布設(shè)滲流監(jiān)測孔，共計(jì)18個(gè)繞壩滲流監(jiān)測孔。

2.2.4 水質(zhì)分析

在壩區(qū)有代表性部位取水樣進(jìn)行水質(zhì)分析，監(jiān)測壩體、壩基及岸坡水質(zhì)變化。分析滲漏水及析出物的物理和化學(xué)性質(zhì)，了解滲透水及析出物來源及其發(fā)展趨勢，綜合滲流和變形等成果，分析評(píng)價(jià)壩體混凝土和防滲帷幕的溶蝕及其防滲效果，為工程處理提供必要的信息。

2.3 應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測

2.3.1 壩體應(yīng)力應(yīng)變觀測

壩體的應(yīng)力、應(yīng)變主要采用在壩體內(nèi)埋設(shè)混凝土應(yīng)變計(jì)組的方法進(jìn)行觀測。應(yīng)變計(jì)組主要布置在10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段3個(gè)觀測斷面內(nèi)，分別為距建基面5 m或10 m（10號(hào)壩段高程為790 m、14號(hào)壩段高程為765 m和17號(hào)壩段高程為790 m）、803 m高程和842 m高程；每個(gè)高程面上布設(shè)2組，在距壩上、下游面2 m的部位，3個(gè)壩段共計(jì)22組（154支應(yīng)變計(jì)）。由于拱壩的應(yīng)力情況較為復(fù)雜，在布設(shè)應(yīng)變計(jì)組時(shí)按空間應(yīng)力狀態(tài)考慮，由7支應(yīng)變計(jì)組成七向應(yīng)變計(jì)組。為扣除應(yīng)變計(jì)組觀測結(jié)果中混凝土的非應(yīng)力應(yīng)變，在每個(gè)應(yīng)變計(jì)組旁邊各布設(shè)1支無應(yīng)力計(jì)，3個(gè)壩段共22支。

2.3.2 壩體、庫水溫度觀測

壩體的溫度監(jiān)測主要采用在埋設(shè)溫度計(jì)的方法觀測。溫度計(jì)主要布置在10號(hào)、14號(hào)、17號(hào)壩段的不同高程處，主要設(shè)在距混凝土表面70 mm和梁剖面中心線上。每個(gè)高程面上沿上、下游方向分別布設(shè)3支。共計(jì)64支。

2.3.3 壩基巖體應(yīng)力應(yīng)變及變形觀測

拱壩在水庫蓄水后，大部分荷載將通過拱的作用傳遞到兩岸壩肩山體上，兩岸壩肩山體將承受較大的推力，同時(shí)在左岸壩肩有R01、R02、R15、R16軟巖和F30斷層，右岸壩肩有R19、R20軟巖和F8、F37、F42斷層，壩體基礎(chǔ)巖體的變形模量偏低，因此需要對(duì)壩基的巖體加強(qiáng)監(jiān)測。

1）壩基應(yīng)力應(yīng)變觀測。根據(jù)工程的實(shí)際情況，結(jié)合變形觀測布置，選擇拱冠14號(hào)壩段和10號(hào)壩段為主要觀測梁向斷面，用滑動(dòng)測微計(jì)觀測沿鉆孔軸線方向不同深度基礎(chǔ)附近混凝土和巖體的應(yīng)變分布。

2）壩基拱座巖體變位與拱推力觀測設(shè)計(jì)。為觀測壩基拱座巖體變位與拱推力，選擇2個(gè)高程拱圈與兩岸相交的拱座為主要觀測部位，分別布設(shè)滑動(dòng)測微計(jì)對(duì)巖體變位進(jìn)行觀測；布置壓應(yīng)力計(jì)和滲壓計(jì)進(jìn)行拱推力觀測。

壓應(yīng)力計(jì)儀器方向沿拱座推力方向布設(shè)，每個(gè)拱座沿上、下游方向各設(shè)1支，選擇4個(gè)拱座共8支。

滑動(dòng)測微計(jì)鉆孔方向一般垂直開挖面，具體方向應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況考慮，選擇3個(gè)拱座（6號(hào)、18號(hào)、21號(hào)）各設(shè)1孔，同時(shí)各布置1套多點(diǎn)位移計(jì)，用于觀測基巖變位并與滑動(dòng)測微計(jì)互相校核。

滲壓計(jì)布置在基礎(chǔ)混凝土與巖石接縫處，每個(gè)拱座沿上、下游方向各設(shè)1支，共布設(shè)6支。

為監(jiān)測大壩重力墩變形情況，在3號(hào)和24號(hào)壩段各布設(shè)1個(gè)雙軸測斜孔，利用高邊坡已有的滑動(dòng)測斜儀進(jìn)行觀測。

3）壩體混凝土與基巖接觸縫觀測設(shè)計(jì)。壩體混凝土與基巖接觸縫的開度變化是評(píng)價(jià)壩體和巖體整體作用的十分重要的觀測項(xiàng)目，因此在14號(hào)、10號(hào)、17號(hào)壩段3個(gè)梁向斷面的壩基布置單向測縫計(jì)和滲壓計(jì)進(jìn)行觀測。測縫計(jì)主要布置在壩踵、壩趾，距壩面2.0 m處，每個(gè)斷面兩支，共6支；滲壓計(jì)主要沿上下游方向布設(shè)，每個(gè)斷面3支，其中帷幕前1支，壩中及距下游面3.0 m處各1支，3個(gè)斷面共計(jì)9支。

2.4 地震反應(yīng)監(jiān)測

由于龍江水電站工程屬于地震高烈度區(qū)，地區(qū)基本烈度為8度，樞紐大壩最大壩高110 m，為1級(jí)建筑物，因此，需要設(shè)觀測臺(tái)對(duì)大壩進(jìn)行強(qiáng)震觀測。

選擇最大壩高的14號(hào)壩段為基本觀測基面，選擇基礎(chǔ)地質(zhì)條件較好的10號(hào)壩段和20號(hào)壩段作為校核基面。

在14號(hào)壩段基礎(chǔ)廊道770 m高程、806 m高程、842 m高程和壩頂分別布置1個(gè)測點(diǎn)（4個(gè)）；在10號(hào)壩段的基礎(chǔ)廊道、842 m高程和壩頂分別布置1個(gè)測點(diǎn)（3個(gè)）作為校核點(diǎn)；在20號(hào)壩段842 m高程和壩頂分別布置1個(gè)測點(diǎn)（2個(gè)）作為校核點(diǎn)；同時(shí)在左、右壩肩、下游距壩趾500 m的自由場測點(diǎn)，各設(shè)1個(gè)測點(diǎn)（3個(gè)），共設(shè)12點(diǎn)。每個(gè)測點(diǎn)安裝一套3向加速度傳感器和1套強(qiáng)震儀，通過強(qiáng)震儀之間的組網(wǎng)進(jìn)行自動(dòng)觀測地震動(dòng)力加速度變化的瞬間過程。

2.5 安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

根據(jù)目前水電站運(yùn)行管理技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)主要監(jiān)測項(xiàng)目的自動(dòng)化觀測，高速、及時(shí)地提供大壩變形資料，有利于大壩的安全監(jiān)控。

根據(jù)安全監(jiān)測系統(tǒng)中監(jiān)測儀器分布情況，監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)布設(shè)1個(gè)監(jiān)測中心站，1個(gè)強(qiáng)震觀測站，13個(gè)DAU數(shù)據(jù)采集站。自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的DAU數(shù)據(jù)采集站根據(jù)各觀測項(xiàng)目測點(diǎn)的分布情況，共布置28臺(tái)DAU。

監(jiān)測中心站布設(shè)在永久辦公區(qū)。DAU數(shù)據(jù)采集站與監(jiān)測中心站連接，接受監(jiān)測中心站控制?？紤]到監(jiān)測中心站與數(shù)據(jù)采集站有一定的實(shí)際距離，網(wǎng)絡(luò)的防雷問題十分重要，所以其連接采用的方式有：在大壩內(nèi)部布置的DAU數(shù)據(jù)采集站采用RS—RS485總線進(jìn)行連接，并加信號(hào)防雷器；引水發(fā)電洞及消能塘根據(jù)各DAU的分布情況，采用光纖進(jìn)行連接。各DAU的供電就近取用，在進(jìn)入DAU前加電源防雷器。防雷器的地線就近并入工程接地網(wǎng)，如就近無工程接地網(wǎng)，需自建接地裝置，所有接地的電阻小于4 Ω。

數(shù)據(jù)采集站主要完成數(shù)據(jù)采集工作，可獨(dú)立工作，可接受總站的控制命令。

監(jiān)測中心站主要完成對(duì)各數(shù)據(jù)采集站的管理，保存觀測數(shù)據(jù)，分析觀測數(shù)據(jù)，管理觀測數(shù)據(jù)。

3 結(jié)語

安裝于大壩、廠房、近壩邊坡及其他相關(guān)建筑物的各類監(jiān)測儀器自始測日至今均工作正常，且各測點(diǎn)監(jiān)測數(shù)據(jù)序列的時(shí)間跨度較長，已有監(jiān)測資料可較為準(zhǔn)確地反映各儀器安裝位置邊坡的真實(shí)性態(tài)。

1）根據(jù)埋設(shè)于大壩內(nèi)部的監(jiān)測儀器成果分析，各內(nèi)觀監(jiān)測儀器測值變幅較小，大壩安全性態(tài)基本正常。

2）左岸繞壩滲流變化受庫水位變化與降雨的綜合影響，右岸靠近庫區(qū)測值變化受庫水位與右岸山體的共同作用，與左右岸近岸壩坡巖質(zhì)條件、裂隙發(fā)育等地質(zhì)因素有關(guān)；揚(yáng)壓力孔觀測結(jié)果表明，在主帷幕后揚(yáng)壓力孔測點(diǎn)水頭均不高，大壩運(yùn)行期揚(yáng)壓力測點(diǎn)整體變化規(guī)律正常；大壩總滲漏量超出已安裝量水堰最大量程，左右岸平洞內(nèi)滲漏量相對(duì)較小。

3）消能塘總體工作性態(tài)正常，但個(gè)別測點(diǎn)接縫開合度、滲透壓力較大。

4）大壩強(qiáng)震動(dòng)安全監(jiān)測臺(tái)陣進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，滿足規(guī)范設(shè)計(jì)要求，可以有效監(jiān)測大壩及相關(guān)附屬建筑物的地震響應(yīng)情況。

根據(jù)相關(guān)規(guī)范，龍江水電站樞紐工程大壩安全監(jiān)測資料分析結(jié)果表明，大壩主體及左右壩肩整體穩(wěn)定，各建筑物運(yùn)行性態(tài)正常，滿足竣工驗(yàn)收條件。