糯扎渡水電站水管式沉降儀安裝試驗研究

韓建東，張 琛

（中國水利水電建設(shè)工程咨詢西北公司，陜西 西安 710075）

0 引言

大壩沉降變形監(jiān)測作為糯扎渡水電站建設(shè)過程原型監(jiān)測內(nèi)容之一，對于充分認(rèn)識大壩內(nèi)部沉降變形狀況、鑒定大壩施工質(zhì)量、確保土石壩安全運行具有重要作用，為大壩填筑進度控制、施工期安全評價、變形預(yù)測及參數(shù)反演提供重要數(shù)據(jù)支持。目前，國內(nèi)外對水管式沉降儀大壩變形監(jiān)測進行了大量研究和實踐[1-5]，但是，以往研究都是基于特定大壩、特定環(huán)境，對于水管式沉降儀器在土石壩中的應(yīng)用沒有普遍的指導(dǎo)作用。

本文以糯扎渡水電站水管式沉降儀的應(yīng)用為研究對象，結(jié)合糯扎渡電站工程建設(shè)實際，按照特定施工環(huán)境、氣候條件下水管沉降儀的穩(wěn)定性和適應(yīng)性要求，模擬大壩堆石體施工條件開展水管沉降安裝埋設(shè)試驗，重點對試驗布置、材料要求、安裝埋設(shè)方法及壩料回填方法進行研究。

1 水管式沉降儀工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 水管式沉降儀器原理及結(jié)構(gòu)

水管式沉降儀是以連通原理為基礎(chǔ)，用于監(jiān)測結(jié)構(gòu)體內(nèi)部沉降變形的一種儀器，在堆石壩垂直變形監(jiān)測中應(yīng)用廣泛，主要由沉降包、進水管、連通管、排氣管、平衡裝置、量測裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 水管式沉降儀結(jié)構(gòu)

玻璃管和沉降測點水杯通過通水管連接，通氣管使沉降測點和外界大氣相通，補水裝置由進水管給玻璃管和水杯加水，根據(jù)連通器原理，當(dāng)水杯充滿水并溢流后，玻璃管水位應(yīng)與水杯液面等高，這樣，測得的玻璃管內(nèi)水位的變化量就是壩內(nèi)測點相對于觀測房的垂直位移量。應(yīng)用水準(zhǔn)測量等方法測量出觀測房的絕對沉降后，即可計算出壩內(nèi)測點的絕對沉降。水管式沉降儀主要用于測量建筑物內(nèi)部的垂直位移。監(jiān)測讀數(shù)時，水或蒸餾水通水測試應(yīng)把握液面的穩(wěn)定，每次需進行2個測回以上測試，且2個測回的讀數(shù)差不超過設(shè)計或規(guī)程規(guī)范規(guī)定時，2次讀數(shù)的平均值為監(jiān)測值。

1.2 沉降監(jiān)測計算原理

水管式沉降儀器進行大壩沉降變形監(jiān)測，沉降測頭端、測量管端保持在同一平面內(nèi)，通過讀取觀測房內(nèi)一個端口的測點高程，就可以了解壩體內(nèi)部測點液面高程，不同時間點監(jiān)測高程之差，即為壩體內(nèi)部監(jiān)測點沉降量。

計算被測結(jié)構(gòu)的沉降量計算公式：

式中，△H為各測點的實測沉降值；Hx為各測點實際監(jiān)測值；H0為各測點的基準(zhǔn)值。

在實際數(shù)據(jù)監(jiān)測過程中，考慮到觀測房本身沉降變形及氣溫變化等因素影響，需要對該公式進行修正。

式中，H為各測點的實際沉降值；H測點為監(jiān)測房沉降變形值。

2 水管式沉降儀安裝試驗

2.1 試驗布置及材料

2.1.1 實驗布置

試驗場地選擇火燒寨溝堆石碾壓試驗場，碾壓試驗場由防滲土料、大壩反濾料、堆石料及圍堰過渡料組成，水管式沉降儀試驗場地的要求如下：

水管式沉降儀現(xiàn)場埋設(shè)場地為反濾料和粗堆石料，反濾料場地長12 m寬2 m，總厚度6 m；堆石料場地長20 m寬6 m，總厚度4 m，場地外圍采用同等材料做成1∶1的斜坡。儀器布設(shè)水管式沉降儀1套，兩個測點，測點SY-V-01位于離地面1.6 m高的心墻摻礫土料中，離觀測房30 m；測點SY-V-02位于離地面1.4 m高的粗堆石料中，離觀測房12 m，實驗儀器布設(shè)如圖2所示。

圖2 實驗儀器布設(shè)

2.1.2 試驗材料

糯扎渡水電站下游壩殼區(qū)水管式沉降儀現(xiàn)場試驗材料主要包括心墻摻礫土料、反濾料、粗細(xì)堆石體料、河灘料。

為了有效的提高現(xiàn)場模擬實驗的精度和代表性，能真實的反應(yīng)實際大壩填筑過程中水管式沉降儀安裝埋設(shè)，在儀器埋設(shè)回填的過程中，對混合土料、摻礫土料、Ⅰ區(qū)粗堆石料、Ⅱ區(qū)粗堆石料、反濾Ⅰ、反濾Ⅱ都要求達(dá)到一定的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，各種填筑料的顆粒級配要求也要按照大壩填筑料碾壓試驗的實際結(jié)果，選取最優(yōu)的參數(shù)。不同料源回填部位采用不同的施工工藝和方法，結(jié)合碾壓試驗，選擇最優(yōu)碾壓參數(shù)，對于靠近儀器安裝的特殊部位，采用專項碾壓措施，具體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)及參考參數(shù)見表1、2。

表1 各種填筑料設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)

表2 碾壓參考參數(shù)

2.2 試驗步驟及方法

心墻堆石壩水管式沉降儀器安裝埋設(shè)模擬試驗主要有基床帶開挖、管線及儀器的安裝埋設(shè)、各種壩料的運輸和回填、場地清理和碾壓、取初值等6個主要步驟，在模擬大壩填筑環(huán)境下進行試驗，各環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照設(shè)計要求及DL/T 5129—2001《碾壓式土石壩施工規(guī)范》、SL 60《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》的要求開展工作。

（1）基床帶開挖及管路鋪設(shè)。機床帶開挖是水管式沉降儀器安裝的主要環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系著水管式沉降儀器安裝的外部環(huán)境，開挖的深度、寬度對埋設(shè)過程中及埋設(shè)后的回填都有重要影響。根據(jù)糯扎渡水電站高心墻堆石壩實際特點，模擬實驗機床帶開挖按照以下標(biāo)準(zhǔn)進行：在粗堆石料填筑2 m后以反鏟挖出一條從反濾料到臨時觀測站的溝，溝深2 m，寬2.5 m。在溝底鋪填一層最大粒徑300 mm的細(xì)堆石料，厚50 cm，以振動碾碾壓5遍，再鋪一層50 cm厚的河灘料，鋪層表面剔除大于5 mm粒徑顆粒，以振動碾碾壓3～5遍，基床帶表面起伏差≤5 mm。在水管式沉降儀旁以人工挖一條50 cm寬的溝，溝底以1%坡度朝向臨時觀測站，做好溝底由粗向細(xì)的 “反濾”保護。沿溝蛇形排放進水管、出水管和排氣管并用膠帶纏緊成一束，然后穿入φ50 mm硬塑料保護管，把進水、出水和排氣管管端連接到沉降測頭。

（2）儀器的安裝埋設(shè)。水管安裝過程中，首先要連接測線上所有沉降測頭，其次將一條測線上所有沉降測頭的硬塑料保護管的下游端穿入觀測房，各保護管內(nèi)的進水、出水管與觀測房內(nèi)讀數(shù)板上各編號的豎立讀數(shù)玻璃管和充水閥門連接，最后對其進行加固。

（3）蒸餾水充水及測頭固定。充水是檢驗管路連通性的方法之一，整個系統(tǒng)安裝完成后，運用充水裝置，即蒸餾水裝置、氣壓罐、水壓罐按照物理方法進行檢查、調(diào)試。同時，運用土標(biāo)號不小于C25混凝澆筑在測頭周圍10 cm范圍內(nèi)對測頭進行固定。

（4）溝槽回填。先沿基床帶鋪一層包裹測線的河灘料，該層河灘料須剔除大于5 mm粒徑的顆粒并以人工搗實，鋪層沿管線的厚度為50 cm，在測頭混凝土墩處需加厚，必須包裹住混凝土測頭。然后在河灘料上鋪兩層50 cm厚最大粒徑300 mm的細(xì)堆石料，每層都以振動碾靜壓6遍。接著在細(xì)堆石料上鋪一層厚80 cm的堆石料，以振動碾靜壓6遍，之后再正?；靥?～2層粗堆石料，并進行振動碾壓。

（6）取初始值。在觀測房內(nèi)，將各測頭的管路對號就位連接到量測板上，打開各測頭通氣管路上的閥門，依次用脫氣水給各測頭的量測管充水排氣，氣泡排盡后開通向玻璃量管的閥門，使其水位升高一點，關(guān)緊水閥，待管內(nèi)水位穩(wěn)定后，讀出水面刻尺數(shù)值，即為測頭初始讀數(shù)，同時測出量測管安裝基面的高程。

3 實驗結(jié)果及分析

糯扎渡水電站水管式沉降儀模擬實驗過程中，安裝1套水管式沉降儀，SY-V-01、SY-V-02兩個測點，測點SY-V-01位于離地面1.6 m高的心墻摻礫土料中，離觀測房30 m；測點SY-V-02位于離地面1.4 m高的粗堆石料中，離觀測房12 m。2011年08月15日安裝完成，8月17日取得基準(zhǔn)值，對2011年8月15日～2011年9月15日監(jiān)測數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 水管式沉降儀實驗測點監(jiān)測成果過程線

根據(jù)SY-V-01、SY-V-02實驗水管沉降儀測點監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)果：

（1）從整體變化上分析，摻礫土料中測點的沉降量明顯大于堆石料中測點的沉降量。

（2）2011年8月15日～2011年8月21日， 水管沉降儀器接近碾壓面，SY-V-01、SY-V-02水管測點沉降速率較大，隨著壩體填筑的不斷升高，試驗部位兩水管測點沉降速率逐漸趨于平穩(wěn)。

（3）整個實驗觀測期，從初值取得到9月13日，測點SY-V-01的最大沉降量為145 mm，測點SY-V-02的最大沉降量為37 mm。

（4）水管SY-V-02在2011年8月 27日～2011年9月8日呈現(xiàn)波動性變化，初步分析是由于觀測期間處于雨季，填筑料受降雨和太陽暴曬影響，產(chǎn)生膨脹和收縮，導(dǎo)致測值不穩(wěn)。

通過對2011年8月15日～2011年9月13日監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，測點SY-V-01、SY-V-02最大沉降量分別為145 mm、37 m，變化過程穩(wěn)定，符合填筑期間變化規(guī)律。糯扎渡水電站高心墻堆石壩水管式沉降儀安裝埋設(shè)過程工藝合理，方法正確，對提高高心墻堆石壩水管式沉降儀成活率及監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性具有重要的實踐意義。

［1］ 鄧念武，黃小紅，李芳水.平垂直位移計在水布埡面板堆石壩中的應(yīng)用［J］.2010， 12（2）:125.

［2］ 張福良.土石壩水管式沉降儀的故障分析與處理方法［J］.福建電力與電工， 2007， 12（4）:52.

［3］ 貢保臣，劉愛梅，陸聲鴻，等.堆石壩內(nèi)部沉降觀測方法淺析［J］.水力發(fā)電， 2008， 23（10）:98-99.

［4］ 杜雪珍，朱錦杰.芹山大壩水管式沉降儀測值突變原因分析［J］.Dam and Safety，2009:42-44.