堆石壩壩體沉降監(jiān)測方法的對比分析

賀愛軍，張利軍，王彥華，劉鳳成

（1.北京翔鯤水務(wù)建設(shè)有限公司，北京，100192；2.中國電建集團北京勘測設(shè)計研究院有限公司，北京，100024）

1 壩體沉降監(jiān)測方法

中國的面板堆石壩內(nèi)部沉降變形多采用水管式沉降儀監(jiān)測，自公伯峽水電站面板堆石壩首次引進了水管式沉降儀和電磁式沉降儀相結(jié)合的方法監(jiān)測壩體內(nèi)部沉降變形后，目前越來越多的面板堆石工程采用了該方法［1］。隨著振弦式儀器在工程上的普遍應(yīng)用，壩體沉降監(jiān)測方法也采用振弦式分層沉降儀，同時結(jié)合布置電磁式沉降儀。

1.1 振弦式分層沉降儀

振弦式分層沉降儀用來測量不同點之間的沉降。振弦式分層沉降儀采用挖溝槽方法埋設(shè)，電纜和通液管應(yīng)各自單獨埋設(shè)。振弦式分層沉降儀的壓力傳感器安裝到位于沉降區(qū)域的沉降盤上，傳感器通過兩根充液管連接到一個固定在遠離沉降區(qū)域的儲液灌（基準點）上，傳感器再通過通液管感應(yīng)液體的壓力并且換算為液柱的高度，由此可以實現(xiàn)在儲液罐和傳感器之間測量出不同高程的任意測點的高度，即測點相對于觀測房儲液罐的沉降量，傳感器通過電纜延伸到讀數(shù)處的方式來讀取數(shù)字。再通過外部變形觀測測出觀測房的沉降量，就可計算出測點的實際沉降量。該方法測量原理簡單，安裝監(jiān)測方便，可實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

1.2 電磁式沉降儀

電磁式沉降儀利用沉降測斜管和管外磁環(huán)，在孔中監(jiān)測壩體不同高程點處的沉降變形。電磁式沉降儀包括：ABS沉降測斜管、伸縮節(jié)和測量裝置。沉降測斜管在巖基以下采用鉆孔方式，孔底深入基巖以下≥3.5 m，壩基高程以上隨壩體填筑施工不斷向上接長測斜管，采用壩面埋設(shè)法（非坑式埋設(shè)）。磁環(huán)有各種不同的類型可供選擇，有適合鉆孔安裝的沉降環(huán)和適合填筑埋設(shè)的沉降盤。它們都是按規(guī)定的間隔（取決于地質(zhì)條件）安裝在測斜管上，伸縮節(jié)上面有固定的凹槽可適合測斜管軸向的位移。每一塊沉降板為一個帶有永久磁鐵的錨固點，磁性位移計穿過一條易接近的測量孔導(dǎo)管的軸線，一個讀數(shù)開關(guān)放入這管道中，在有刻度鋼尺的末端，也帶有兩個導(dǎo)體，當探頭通過每個錨固點時，將會使讀數(shù)開關(guān)閉合，然后會引起在地表的鋼尺轉(zhuǎn)軸上的蜂鳴器發(fā)音。當蜂鳴器發(fā)音時，通過讀取管道上邊對面的有刻度的鋼尺上的讀數(shù)來得到錨固點的深度。鉆孔底部的沉降板位于基巖內(nèi)，并通過灌漿將其固定，從而提供了一個穩(wěn)定的水準點，使其他的錨固點可以用相對于基準點的絕對位移（即沉降量）來計算。電磁式沉降管測點沿垂線方向布置，可以監(jiān)測到壩體和覆蓋層沉降變形。該方法測量方法簡單，受環(huán)境影響較小，較易獲得沉降全變形。

2 壩體沉降監(jiān)測方法的對比分析

2.1 巖石壩基堆石壩

2.1.1 工程概況

某電站裝機容量為1 200 MW（4×300 MW），上水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，壩頂高程1 494.5 m，壩頂軸線長度401.16 m，最大壩高50 m，壩頂寬度10 m，上游壩坡1∶2，下游壩坡1∶1.7，最大橫斷面底寬約200 m。主壩填筑分區(qū)有排水棱體、主堆石、下游堆石、過渡層、碎石墊層、下游壩面干砌石護坡等項目。

主壩堆石體內(nèi)部豎向位移采用振弦式分層沉降儀觀測，選擇主壩最大壩高斷面樁號0+086.000 m，沿高程1 448.0 m、1 460.0 m、1 472.0 m和1 485.0 m設(shè)四層；在主壩壩頂下游側(cè)設(shè)置1根沉降測斜管，用于電磁式沉降儀觀測，選擇主壩平行壩軸線樁號為0+006.200 m、垂直壩軸線樁號為0+092.000 m位置設(shè)置。

2.1.2 壩體沉降監(jiān)測成果分析

上水庫主壩上、下游堆石料主要利用庫區(qū)開挖的灰?guī)r和少量白云巖，壩體從上游到下游依次分為墊層區(qū)（2A區(qū)）、過渡層（3A區(qū)）、上游堆石（3B區(qū)）、下游堆石（3C區(qū)）和壩基過渡排水區(qū)（3F區(qū)）、下游壩坡干砌石護坡（3D區(qū)）及下游主溝部位的下游堆石（3E區(qū)）。主壩分區(qū)布置見圖1。

2.1.2.1 振弦式分層沉降儀

振弦式分層沉降儀實測壩體填筑完成時的主壩壩體沉降變形過程曲線見圖2。最大沉降部位位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，對應(yīng)壩體高程為1 472 m，填筑完成時最大沉降值265.3 mm（TC3-4），沉降變形主要發(fā)生在壩體填筑期。

2.1.2.2 電磁式沉降儀

電磁式沉降儀實測主壩壩體測點沉降變形過程曲線和沉降值隨高程的分布圖見圖3。觀測到的壩體最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，對應(yīng)壩體高程為1 470.14 m，與振弦式分層沉降儀對應(yīng)時間即壩體填筑完成時的最大沉降值354 mm（ES1-7），目前最大沉降值692mm（ES1-7）。沉降變形主要發(fā)生在壩體填筑期及穩(wěn)定初期，沉降變形與庫水位無明顯相關(guān)性，進入初蓄期和運行期，壩體沉降變化減小，逐漸呈現(xiàn)收斂趨勢。

2.1.2.3 平面二維計算結(jié)果

計算分析的目的是通過壩體和面板的平面和三維應(yīng)力、應(yīng)變分析，論證筑壩材料的允許范圍，為壩基開挖、壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計、筑壩料分區(qū)及填筑標準、防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計等提供設(shè)計參考依據(jù)，其中計算分析研究的重點是上水庫防滲護面下巖層軟硬相間情況和壩基溶洞對防滲護面結(jié)構(gòu)應(yīng)力、變形的影響。圖4為離分層沉降儀器布置很近的一個剖面的平面二維分析計算結(jié)果，從圖中可看出最大沉降發(fā)生在整個壩軸線最大壩高處的中部附近。

2.1.2.4 沉降監(jiān)測方法對比分析

圖1 上水庫主壩分區(qū)布置Fig.1 Layout of main dam of the upper reservoir

圖2 上水庫壩體振弦式分層沉降儀沉降變形曲線Fig.2 Deformation of upper reservoir dam measured by VW settlement sensor

圖3 上水庫壩體測點沉降分布和變形過程曲線Fig.3 Settlement distribution and deformation process of an observation point on upper reservoir dam

圖4 上水庫壩體沉降平面二維計算圖(m)Fig.4 2-D calculating diagram of settlement plane of upper reservoir dam

（1）振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀：

①沉降值分布規(guī)律：兩種監(jiān)測方法觀測的沉降值沿高程分布規(guī)律一致，壩體最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近。

②沉降值大?。簤误w填筑完成時，電磁式沉降儀觀測到的最大沉降值略大于振弦式分層沉降儀觀測到的最大沉降值，具體比較見表1。從表中可以看出，電磁式沉降儀埋設(shè)及監(jiān)測時機較振弦式分層沉降儀要早[2]，較易獲得全變形，振弦式分層沉降儀開始工作時電磁式沉降儀已經(jīng)監(jiān)測到壩體沉降107 mm；同期兩種儀器監(jiān)測沉降值基本相當。

表1 上水庫壩振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀沉降值比較表Table 1 Comparison between the measured values by VW settlement sensor and electromagnetic settlement sensor for upper reser?voir dam

（2）實測與計算成果：實測沉降值沿高程分布規(guī)律是最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，計算結(jié)果最大沉降也是發(fā)生在整個壩高的中部附近，實測與計算結(jié)果一致。

2.2 覆蓋層壩基堆石壩

2.2.1 工程簡況

某電站裝機容量為1 200 MW（4×300 MW），下水庫主壩為瀝青混凝土面板堆石壩，庫區(qū)范圍大面積為第四系崩坡積、沖洪積覆蓋層，開挖后厚度一般為10～70 m。壩頂高程840.0 m，壩頂寬10 m，上游壩坡1∶2，下游壩坡1∶1.7，最大壩高97 m，堆石壩壩頂軸線長537 m，庫頂軸線長1 722 m。

下水庫主壩選擇壩體0+238.0 m和0+365.0 m斷面（最大壩高及壩基深覆蓋層），沿不同高程各設(shè)置4層振弦式分層沉降儀和水平位移計，測量壩體堆石體內(nèi)部沉降變形和水平位移，聯(lián)合構(gòu)成水平垂直位移計；選擇壩體0+244.5 m和0+357.8 m樁號壩頂下游側(cè)各設(shè)置3根沉降測斜管，同時在0+512.0 m樁號壩下游靠近壩頂部位設(shè)置1根沉降測斜管，用于電磁式沉降儀觀測。

2.2.2 壩體沉降監(jiān)測成果分析

下庫主壩壩體從上游到下游依次分為墊層區(qū)（2A區(qū)）、過渡層（3A區(qū)）、上游堆石（3B區(qū)）、下游堆石（3C區(qū)）和壩基過渡排水區(qū)（3F區(qū)）、下游壩坡干砌石護坡（3D區(qū)）及下游主溝部位的下游堆石（3E區(qū)）。下庫主壩分區(qū)布置見圖5。

2.2.2.1 振弦式分層沉降儀

振弦式分層沉降儀實測主壩壩體沉降變形過程曲線見圖6。觀測到的壩體最大沉降部位位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，對應(yīng)壩體高程為783～802 m高程，壩體填筑完成時最大沉降值為1 259 mm（TCⅡ2-5），目前最大沉降值1 259 mm（TCⅡ2-5）。沉降變形主要發(fā)生在壩體填筑期和蓄水前，沉降變形與庫水位無明顯相關(guān)性，進入初蓄期和運行期，壩體沉降變化減小，逐漸呈現(xiàn)收斂趨勢。

2.2.2.2 電磁式沉降儀

電磁式沉降儀實測主壩壩體測點沉降變形過程曲線和沉降值隨高程的分布圖見圖7，觀測到的壩體最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，對應(yīng)壩體高程為781～801 m，目前最大沉降值1 314 mm（ES-4-18），其中壩基覆蓋層的沉降量為251 mm，占總沉降量的19%。2006年9月30日剛填筑完成時觀測到的沉降量為914 mm、2008年5月28日蓄水時觀測到的沉降量為1 089 mm、2010年9月1日蓄水完成時觀測到的壩體沉降量為1 250 mm，沉降變形主要發(fā)生在壩體填筑期和蓄水前，沉降變形與庫水位無明顯相關(guān)性，進入初蓄期和運行期，壩體沉降變化減小，逐漸呈現(xiàn)收斂趨勢。

圖5 下水庫主壩分區(qū)布置Fig.5 Layout of main dam of lower reservoir

圖6 下水庫壩體振弦式分層沉降儀沉降變形曲線Fig.6 Deformation of lower reservoir dam measured by VW settlement sensor

圖7 下水庫壩體測點沉降分布和變形過程曲線Fig.7 Settlement distribution and deformation process of the observation point on lower reservoir dam

2.2.2.3 平面二維計算結(jié)果

大壩填筑結(jié)束后，對下水庫瀝青混凝土面板主堆石壩進行了二維的非線性應(yīng)力變形靜力分析，壩體堆石料、覆蓋層碎石土料及瀝青混凝土面板計算模型采用鄧肯E-B模型，地基中的各類巖石材料采用線彈性模型，二維靜力計算均對堆石壩竣工情況與庫內(nèi)蓄水位為正常運行時的最高蓄水位838 m情況進行計算。下庫主壩最大斷面竣工期壩體沉降等值線圖見圖8，壩體在竣工期的最大沉降為1 490 mm，蓄水期的最大沉降位置不變，最大沉降為1 500 mm，最大沉降受覆蓋層厚度的影響，接近壩體的中部。

2.2.2.4 沉降監(jiān)測方法對比分析

（1）振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀：

①沉降值分布規(guī)律：兩種監(jiān)測方法觀測的沉降值沿高程分布規(guī)律一致，壩體最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近；兩種監(jiān)測方法觀測的沉降值隨時間的變化過程基本一致，沉降變形主要發(fā)生在壩體填筑期和蓄水前，沉降變形與庫水位無明顯相關(guān)性，進入初蓄期和運行期，壩體沉降變化減小，逐漸呈現(xiàn)收斂趨勢。

②沉降值大?。弘姶攀匠两祪x觀測到的蓄水時、目前的最大沉降值略大于振弦式分層沉降儀觀測到的最大沉降值，具體比較見表2。

圖8 下水庫壩最大斷面竣工期壩體沉降初步計算圖(單位：m)Fig.8 Initial calculation of settlement on the largest section of lower reservoir main dam in completion period

（2）實測與計算成果

①沉降值分布規(guī)律：實測沉降值沿高程分布規(guī)律是最大沉降點位于壩軸線最大壩高處壩體中部附近，計算結(jié)果是壩體在竣工期的最大沉降值受覆蓋層厚度的影響，接近壩體中部。實測最大沉降點位置比計算結(jié)果略高，規(guī)律性基本一致。

②沉降值大?。簩崪y壩體最大沉降值1 314 mm，計算壩體最大沉降值1 490 mm，實測沉降值小于計算結(jié)果最大沉降值。

3 結(jié)語

通過對振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀監(jiān)測成果及與計算結(jié)果的對比分析，歸納主要結(jié)論如下：

（1）振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀作為壩體沉降監(jiān)測手段，振弦式分層沉降儀在平面上布置測點較多，電磁式沉降儀在高程上布置測點較多。在同一工程上相結(jié)合布置的方式，能對面板堆石壩壩體沉降進行全方位監(jiān)測，可獲得較完整、全面的監(jiān)測資料，并且監(jiān)測結(jié)果之間可相互校驗、互補。

（2）電磁式沉降儀沿高程布置，隨壩體填筑埋設(shè)沉降環(huán)，在時間上受施工影響較多；振弦式分層沉降儀沿平面布置，需要大量開挖和回填，在范圍上受施工影響較多。

（3）振弦式分層沉降儀與電磁式沉降儀監(jiān)測方法同時應(yīng)用在堆石壩壩體沉降監(jiān)測，監(jiān)測到的壩體沉降分布規(guī)律基本一致；基于同部位電磁式沉降儀的埋設(shè)時機早于振弦式分層沉降儀，扣除時間因素影響，兩種方法監(jiān)測的沉降值基本相當。

（4）電磁式沉降儀隨壩體填筑而埋設(shè)沉降環(huán)，埋設(shè)及監(jiān)測時機較振弦式分層沉降儀要早，較易獲得全變形。

（5）振弦式分層沉降儀能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，電磁式沉降儀目前不能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，但電磁式沉降儀測量相對較簡單。

[1]陳念水，陳樹聯(lián)，王衛(wèi)國.電磁式沉降管在公伯峽面板堆石壩變形觀測中的應(yīng)用[J].西北水電，2007，(4):82-86.

[2]顧永明，陳樹聯(lián)，王偉.面板堆石壩壩體沉降監(jiān)測方法技術(shù)總結(jié)[J].西北水電，2011，(1):67-70.