糯扎渡水電站高心墻堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)創(chuàng)新與實(shí)踐

譚志偉，鄒 青，劉 偉

（中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051）

1 工程概況

糯扎渡水電站心墻堆石壩最大壩高261.5 m，心墻堆石壩壩頂高程為821.5 m，壩體基本剖面為中央直立心墻形式，心墻兩側(cè)為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼。壩頂寬度為18 m，心墻基礎(chǔ)最低建基面高程為560.0 m，上游壩坡坡度為1∶1.9，下游壩坡坡度為 1∶1∶8。

糯扎渡工程導(dǎo)流洞于2006年1月開(kāi)工，心墻堆石壩從2008年11月開(kāi)始填筑，2011年11月6日開(kāi)始下閘蓄水。目前大壩已累計(jì)填筑2 923.62萬(wàn)m3，心墻填筑至高程774.1 m，上游壩殼填筑至高程773.3 m，下游壩殼填筑至高程773.6 m，上、下游水位分別為681.64 m和601.41 m。

2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)概況

糯扎渡心墻堆石壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形、滲流、應(yīng)力等。監(jiān)測(cè)儀器布置呈 “3125”的布置格局，即分別在左岸、河床中部、右岸壩體布置3個(gè)橫斷面，沿心墻中心布置1個(gè)縱斷面，在最大壩高和地質(zhì)條件較差部位布置2個(gè)輔助斷面，壩體共分5個(gè)高程進(jìn)行監(jiān)測(cè)。整個(gè)心墻堆石壩安全監(jiān)測(cè)共布有各類監(jiān)測(cè)儀器 （按測(cè)點(diǎn)數(shù)）約1 283支，目前心墻堆石壩共安裝埋設(shè)各類監(jiān)測(cè)儀器907支。

3 設(shè)計(jì)創(chuàng)新與實(shí)踐

3.1 上游堆石體沉降監(jiān)測(cè)

在心墻堆石壩常規(guī)的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布置中，堆石體位移監(jiān)測(cè)較為注重下游堆石體變形情況。受上游堆石體施工及蓄水的影響，上游堆石體位移監(jiān)測(cè)難度較高，根據(jù)文獻(xiàn)資料，已完工的魯布革[1]、小浪底[2]、瀑布溝[3]等水電站均未監(jiān)測(cè)上游堆石體內(nèi)部變形。從工程的重要性來(lái)看，上游堆石體蓄水后大部分位于水下，可能產(chǎn)生濕陷變形，運(yùn)行期水位變化對(duì)上游堆石體變形影響較為直接，反而下游堆石體水位相對(duì)較為穩(wěn)定，上游堆石體監(jiān)測(cè)的重要性應(yīng)高于下游堆石體。

為此，糯扎渡在上游堆石體位移監(jiān)測(cè)上進(jìn)行了探索。考慮到上游堆石體監(jiān)測(cè)的難度，糯扎渡將上游堆石體位移監(jiān)測(cè)分為施工期和蓄水期兩個(gè)階段。在施工期主要采用在堆石體內(nèi)部布置弦式沉降儀監(jiān)測(cè)內(nèi)部變形，在堆石體表面布置視準(zhǔn)線監(jiān)測(cè)表面變形。由于弦式沉降儀最大測(cè)量范圍有限 （小于70 m），蓄水后底部高程觀測(cè)房將位于水下。為保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，分別在沉降測(cè)頭對(duì)應(yīng)位置布置滲壓計(jì)，在岸坡穩(wěn)固巖體相同高程對(duì)應(yīng)布置滲壓計(jì)，通過(guò)岸坡滲壓計(jì)與堆石體滲壓計(jì)測(cè)值之差得到堆石體沉降值。

圖1 最高河床斷面壩體沉降等值線分布（單位：m）

最高河床斷面壩體沉降等值線分布如圖1所示，上游堆石體最大沉降出現(xiàn)在高程660 m靠近心墻測(cè)點(diǎn)，沉降測(cè)值為2 322.57 mm，該測(cè)值占目前上游堆石體最大高度213.3 m的比例為1.1%。從位移分布來(lái)看，上游堆石體最大位移區(qū)出現(xiàn)在靠近心墻的堆石體中部，頂部和底部位移由中部向四周逐步遞減，位移分布符合一般規(guī)律。

3.2 心墻沉降監(jiān)測(cè)

心墻沉降對(duì)評(píng)價(jià)大壩工作狀況具有重要價(jià)值，是大壩最重要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。心墻沉降監(jiān)測(cè)通常采用電磁沉降儀。電磁沉降儀具有原理簡(jiǎn)單、測(cè)值可靠等優(yōu)點(diǎn)，在土石壩中應(yīng)用廣泛。但傳統(tǒng)電磁沉降儀主要有兩大缺點(diǎn)：①電磁沉降儀對(duì)測(cè)斜管的埋設(shè)精度要求高，測(cè)斜管受擠壓、過(guò)度彎曲、卡孔等因素都可能導(dǎo)致無(wú)法正常觀測(cè)，高心墻堆石壩表現(xiàn)更為明顯；②電磁沉降環(huán)為磁性體，蓄水后長(zhǎng)時(shí)間位于水下可能導(dǎo)致磁性體消磁，不利于永久監(jiān)測(cè)。

針對(duì)上述問(wèn)題，糯扎渡在電磁沉降上主要進(jìn)行了如下改進(jìn)：①提高測(cè)斜管與周圍土體變形協(xié)調(diào)性，采用每2節(jié)測(cè)斜管設(shè)置1個(gè)伸縮節(jié)以適應(yīng)壩體變形，每個(gè)伸縮節(jié)外設(shè)置一根等長(zhǎng)度PVC保護(hù)管以提高伸縮節(jié)的強(qiáng)度，埋設(shè)方式采用預(yù)留坑和人工回填，埋設(shè)過(guò)程中嚴(yán)格控制導(dǎo)槽方位角，較好的解決了測(cè)斜管的埋設(shè)問(wèn)題。②提高耐久性，針對(duì)磁性沉降環(huán)長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)可能會(huì)消磁的情況，糯扎渡將磁性沉降環(huán)改進(jìn)為不銹鋼環(huán)，測(cè)頭通過(guò)感應(yīng)不銹鋼體時(shí)電流信號(hào)改變監(jiān)測(cè)沉降，具有測(cè)量精度高、長(zhǎng)期可靠性好的優(yōu)點(diǎn)。

糯扎渡心墻沉降監(jiān)測(cè)典型過(guò)程曲線見(jiàn)圖2，位移分布如圖3所示。由圖2可以看出，心墻位移變化與壩體填筑過(guò)程具有高度相關(guān)性，主要位移發(fā)生在填筑期，壩體位移隨填筑高度增加而增加，雨季停工期間，位移變化趨緩。第1填筑期最大沉降為384 mm，第2填筑期最大沉降為951 mm，第3填筑期最大沉降為1 985 mm，目前實(shí)測(cè)最大沉降為2 763 mm，發(fā)生于心墻中部688.30 m高程，最大累計(jì)沉降量約為心墻填筑高度214.1 m的1.29%，處于正常狀態(tài)。由圖3可以看出，心墻縱向位移分布呈河床中部大、兩岸岸坡小的特征，最大沉降發(fā)生在最大壩高斷面，沉降在橫斷面內(nèi)分布呈中部大、頂部和底部小的特征。

圖2 最高河床斷面心墻典型測(cè)點(diǎn)沉降過(guò)程曲線

圖3 心墻沉降沿縱向分布

3.3 心墻空間應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在DL/T 5259—2010《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》[4]中壩體應(yīng)力為選測(cè)項(xiàng)目，其重要性在變形和滲流之后。但對(duì)于超高壩，因壩高帶來(lái)的材料、力學(xué)等問(wèn)題往往超過(guò)人們的一般認(rèn)識(shí)。除了關(guān)注變形和滲流外，研究心墻應(yīng)力分布可以為反演分析中本構(gòu)模型優(yōu)化調(diào)整提供依據(jù)，因此心墻應(yīng)力也應(yīng)作為重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象。

糯扎渡在心墻中下部701 m高程左岸岸坡、心墻中部和右岸岸坡各布置了1組六向土壓力計(jì)組。監(jiān)測(cè)成果顯示，701 m高程心墻最大主應(yīng)力σ1在1.27～1.53 MPa之間，最大主應(yīng)力與豎直n1的方向余弦在0.95～0.98之間，心墻應(yīng)力主要受豎直向應(yīng)力控制。監(jiān)測(cè)成果與計(jì)算成果對(duì)比如圖4所示，從圖中可以看出，計(jì)算成果與監(jiān)測(cè)成果在量值、變化規(guī)律上吻合程度較高，計(jì)算反演的參數(shù)較好的反映了心墻實(shí)際情況，心墻空間應(yīng)力監(jiān)測(cè)為高壩工作狀態(tài)分析和反饋設(shè)計(jì)提供了可靠的基礎(chǔ)資料。

圖4 心墻中部701 m高程最大主應(yīng)力監(jiān)測(cè)與計(jì)算成果對(duì)比

3.4 心墻與反濾之間錯(cuò)動(dòng)變形監(jiān)測(cè)

對(duì)心墻堆石壩來(lái)講，變形協(xié)調(diào)是評(píng)價(jià)大壩工作狀態(tài)的重要內(nèi)容之一。變形協(xié)調(diào)分析中重要的一項(xiàng)內(nèi)容是心墻與反濾之間的錯(cuò)動(dòng)變形。受監(jiān)測(cè)手段制約，國(guó)內(nèi)對(duì)心墻與反濾之間的錯(cuò)動(dòng)監(jiān)測(cè)尚無(wú)先例，糯扎渡將剪變形計(jì)引入心墻與反濾之間的錯(cuò)動(dòng)變形監(jiān)測(cè)。

剪變形計(jì)采用土體位移計(jì)改裝，在位移計(jì)兩端設(shè)置上下錨固板，其中上錨固板位于心墻，下錨固板位于反濾，共分5個(gè)監(jiān)測(cè)高程。監(jiān)測(cè)成果顯示，剪變形計(jì)相對(duì)位移在-72.32～-0.86 mm之間，最大相對(duì)變形發(fā)生在最大沉降帶的660 m高程。心墻與反濾之間產(chǎn)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)變形主要由堆石體與心墻間的變形差異導(dǎo)致，但剪變形計(jì)實(shí)測(cè)錯(cuò)動(dòng)變形均為受壓，即心墻沉降大于反濾沉降，表明心墻與堆石體之間的差異變形主要被反濾層進(jìn)行了消解，大壩整體具有變形協(xié)調(diào)性。

3.5 心墻與混凝土墊層之間相對(duì)變形監(jiān)測(cè)

心墻與混凝土墊層之間相對(duì)變形主要采用土體位移計(jì)組進(jìn)行監(jiān)測(cè)。通過(guò)監(jiān)測(cè)心墻縱向變形可以了解心墻與墊層交界部位的拉伸變形情況和出現(xiàn)拉裂縫的可能性，并以此判斷工程安全狀況。由于在心墻與混凝土墊層交界部位變形梯度大，以往工程常常出現(xiàn)因變形梯度過(guò)大導(dǎo)致傳感器失效的情況。

糯扎渡在心墻與混凝土墊層之間相對(duì)變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中充分考慮變形梯度對(duì)傳感器的影響，主要采取了以下改進(jìn)措施：①采用500 mm超大量程的電位器式位移計(jì)，避免儀器量程估計(jì)不足帶來(lái)儀器失效；②位移計(jì)分段設(shè)置采用3、8、18、30、45 m的遞增方式，使得儀器適應(yīng)最大拉應(yīng)變量程為16%，大大提高了儀器成活率。

心墻與混凝土墊層間土體位移計(jì)組位移分布監(jiān)測(cè)成果如圖5所示，左岸土體位移計(jì)組45 m范圍內(nèi)最大累計(jì)位移為465.70 mm，實(shí)測(cè)分段位移在3～8 m段達(dá)到最大174.16 mm；右岸土體位移計(jì)組45 m范圍內(nèi)最大累計(jì)位移為443.93 mm，分段位移在0～3 m段達(dá)到最大195.53 mm。目前共埋設(shè)4組土體位移計(jì)，各分段變形均在儀器量程范圍之內(nèi)，工作狀態(tài)良好，且已經(jīng)受了初期蓄水考驗(yàn)。

圖5 心墻與混凝土墊層間土體位移計(jì)組位移分布

3.6 下游堆石體沉降監(jiān)測(cè)

下游堆石體沉降監(jiān)測(cè)通常采用水管式沉降儀，該儀器在土石壩中應(yīng)用廣泛，在300 m以內(nèi)的管線中有較好的應(yīng)用案例。對(duì)于高壩300 m以上的管線，水管式沉降儀在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中常常出現(xiàn)因線路過(guò)長(zhǎng)帶來(lái)精度下降、觀測(cè)困難等難題。

為提高儀器精度和可靠性，糯扎渡下游堆石體水管式沉降儀將傳統(tǒng)3管式改進(jìn)為4管式，即由傳統(tǒng)1根進(jìn)水管、1根進(jìn)氣管和1根排水管改進(jìn)為2根進(jìn)水管、1根進(jìn)氣管和1根排水管，改進(jìn)后的管路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①2根進(jìn)水管同時(shí)觀測(cè)的情況下，觀測(cè)房中2根水管水位之差應(yīng)為恒定值，同步觀測(cè)可以減少人為誤差，提高精度；②2根進(jìn)水管可以相互備份，即當(dāng)其中1根進(jìn)水管堵塞，另1根進(jìn)水管可以替代，提高了儀器可靠性；③當(dāng)觀測(cè)系統(tǒng)最薄弱的環(huán)節(jié)-排氣管堵塞，傳統(tǒng)3管式便無(wú)法觀測(cè)，但采用兩根進(jìn)水管的情況下可以將其中1根進(jìn)水管作為排氣管，大大提高整條管線的可靠性。

糯扎渡下游堆石體觀測(cè)房為內(nèi)及嵌式，埋設(shè)4層共46套水管式沉降儀，最大位移區(qū)集中于堆石體中部的660 m高程，最大沉降為1 640.03 mm，目前下游堆石體最大填筑高度為203.6 m，最大沉降占堆石高度的比例為0.81%，測(cè)值可靠性和規(guī)律性均較好，下游堆石體典型水管式沉降儀過(guò)程曲線見(jiàn)圖6。

圖6 下游堆石體典型水管式沉降儀過(guò)程曲線

4 結(jié) 論

本文針對(duì)高心墻堆石壩的大變形、高應(yīng)力和高水頭對(duì)監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布置、儀器設(shè)備選型和施工帶來(lái)的難題，在糯扎渡心墻堆石壩的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，對(duì)心墻、上下游堆石體以及界面錯(cuò)動(dòng)變形、應(yīng)力監(jiān)測(cè)等方面進(jìn)行了一系列改進(jìn)和創(chuàng)新，以全面適應(yīng)超高壩的工作特性。從應(yīng)用情況來(lái)看，糯扎渡心墻堆石壩監(jiān)測(cè)儀器經(jīng)歷了4個(gè)填筑期的考驗(yàn)，初期蓄水期間各監(jiān)測(cè)儀器工作狀態(tài)正常，在工程安全評(píng)價(jià)、反饋設(shè)計(jì)、指導(dǎo)施工等方面發(fā)揮了重要作用，相關(guān)經(jīng)驗(yàn)可作為同類工程借鑒參考。

［1］ 張啟岳，熊國(guó)文.魯布革壩的原型觀測(cè)［J］.水利水運(yùn)科學(xué)研究，1994（3）:211-230.

［2］ 宗志堅(jiān)，林秀山等.工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005:6-58.

［3］ 涂揚(yáng)舉，王文濤等.瀑布溝礫石土心墻堆石壩施工期監(jiān)測(cè)分析［J］.水力發(fā)電， 2010， 36（6）:71-74.

［4］ DL/T 5259—2010 土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.