黃登水電站超高碾壓混凝土重力壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

胡靈芝 張 帥 覃珊珊

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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黃登水電站超高碾壓混凝土重力壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

胡靈芝 張 帥 覃珊珊

(中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南 昆明 650051)

為了確保黃登水電站超高碾壓混凝土重力壩的安全性，對(duì)該大壩布置了相對(duì)完善和有針對(duì)性的安全監(jiān)測(cè)體系，并闡述了大壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容和項(xiàng)目，介紹了幾種監(jiān)測(cè)新技術(shù)，提高了監(jiān)測(cè)的精度及效率。

水電站，安全監(jiān)測(cè)體系，壩基，應(yīng)力

1 概述

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。水庫(kù)正常蓄水位為1 619.00 m，其相應(yīng)庫(kù)容為15.49×108m3，校核洪水位為1 622.73 m，其相應(yīng)庫(kù)容為16.70×108m3，調(diào)節(jié)庫(kù)容為8.28×108m3，水庫(kù)具有季調(diào)節(jié)性能，電站裝機(jī)容量1 900 MW(4×475 MW)。工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、泄洪放空底孔、左岸折線壩身進(jìn)水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)等部分組成。

黃登水電站大壩為世界在建的最高碾壓混凝土重力壩，壩高203 m，工程地形地質(zhì)條件復(fù)雜、壩高、泄洪功率大、技術(shù)難度高，存在很多超越現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范的技術(shù)應(yīng)用，其管理和運(yùn)行均無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。針對(duì)以上特點(diǎn)，黃登安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)工作開展了大量的研究分析和論證工作，對(duì)大壩布置了相對(duì)完善和有針對(duì)性的安全監(jiān)測(cè)體系，為全面有效的監(jiān)控大壩安全以及工程科學(xué)調(diào)度奠定了重要的基礎(chǔ)。

2 設(shè)計(jì)布置原則和重點(diǎn)、難點(diǎn)

2.1 設(shè)計(jì)布置原則

安全監(jiān)測(cè)體系主要目的是監(jiān)控建筑物安全、為信息化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)參數(shù)、掌握運(yùn)行規(guī)律、指導(dǎo)施工和運(yùn)行、反饋設(shè)計(jì)[1]。大壩安全監(jiān)測(cè)布置以監(jiān)控大壩實(shí)際安全為主，同時(shí)兼顧設(shè)計(jì)、施工、科研的需要。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的選擇和監(jiān)測(cè)儀器布置，緊密結(jié)合工程特點(diǎn)及實(shí)際情況，突出重點(diǎn)，統(tǒng)籌考慮，配合布置，盡可能滿足安全監(jiān)測(cè)資料成果分析、反饋的要求。

選用的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備應(yīng)耐久、可靠、實(shí)用、有效和先進(jìn)。

2.2 設(shè)計(jì)布置的重點(diǎn)和難點(diǎn)

黃登水電站大壩是位于高山峽谷區(qū)的200 m級(jí)超高碾壓混凝土重力壩，河谷狹窄、兩岸岸坡陡峻[2]，壩基開挖復(fù)雜且側(cè)向坡比較大，故對(duì)壩體變形及其變形協(xié)調(diào)性、滲流、抗震、側(cè)向穩(wěn)定、應(yīng)力以及混凝土溫控的監(jiān)測(cè)布置作為監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

同時(shí)，黃登水電站校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為擋水建筑物最大下泄流量約13 854 m3/s，總泄洪功率約17 500 MW，最大單寬流量約250 m3/(m·s)，具有河谷窄、水頭高、大流量、高流速等特點(diǎn)。故將泄洪消能建筑物的結(jié)構(gòu)及水力學(xué)監(jiān)測(cè)作為監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一。

3 安全監(jiān)測(cè)體系布置

3.1 環(huán)境量監(jiān)測(cè)

1)上下游水位。在水庫(kù)上游水流平穩(wěn)壩段和下游尾水后分別設(shè)置水尺和自記水位計(jì)，對(duì)水庫(kù)上下游水位的變化情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2)水溫。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段上游壩面沿水深上密下疏布置溫度計(jì)監(jiān)測(cè)水庫(kù)水溫變化。在尾水出口混凝土襯砌表面布置4支溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)尾水出口水溫。

3)氣象監(jiān)測(cè)。在壩區(qū)左右岸各設(shè)置1座簡(jiǎn)易氣象監(jiān)測(cè)站，采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)壩區(qū)氣溫、降水量等氣象條件。

4)壩前淤積和壩后沖刷。壩前淤積地形測(cè)量范圍：大壩上游面至上游索道橋的上游200 m，高程1 625 m以下的區(qū)域(包含河流水下地形)，河道長(zhǎng)度約1.0 km，地形測(cè)量面積約0.5 km2。

下游河道沖刷測(cè)量范圍：壩后水墊塘至黃登大橋下游100 m，高程測(cè)至兩岸底線公路，河道長(zhǎng)度約1.0 km，地形測(cè)量面積約0.25 km2。

地形圖測(cè)量比例尺為1∶500。

3.2 樞紐區(qū)變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)

1)平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)。平面位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)共由21個(gè)平面網(wǎng)點(diǎn)組成，包括6個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)組和13個(gè)工作基點(diǎn)組，監(jiān)測(cè)網(wǎng)等級(jí)為專一等，測(cè)角中誤差為±0.5″，測(cè)距精度為±(1.0 mm+1.0 ppm×D)。

2)垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)。垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)由19個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)組成，包含3個(gè)平硐基準(zhǔn)點(diǎn)、16個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)。等級(jí)為一等，水準(zhǔn)測(cè)量的偶然中誤差為±0.45 mm/km，水準(zhǔn)測(cè)量的全中誤差為±1.0 mm/km。

3.3 變形監(jiān)測(cè)

大壩變形監(jiān)控系統(tǒng)采用“7豎3橫”的布置方式：“7豎”為7個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面(右壩肩，6號(hào)，8號(hào)，11號(hào)，14號(hào)，17號(hào)，左壩肩)，“3橫”為1 479 m高程檢查廊道、1 532 m高程檢查廊道和壩頂。

1)水平位移。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段布置正倒垂線組，左岸壩肩布置倒垂線。同時(shí)考慮14號(hào)壩段為轉(zhuǎn)折壩段，并兼顧其他監(jiān)測(cè)設(shè)施的布置，大壩壩頂從右至左共布置了2套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，監(jiān)測(cè)壩頂水平位移和垂直位移。

在中間高程檢查廊道各布置1條引張線，監(jiān)測(cè)壩體順河向位移。

為滿足人工比測(cè)、施工期監(jiān)測(cè)和特殊條件下人工輔助監(jiān)測(cè)的要求，在每個(gè)壩段的壩頂和1 581 m高程壩后馬道各布置1個(gè)表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

2)垂直位移。在每個(gè)壩段壩頂、1 532 m高程廊道及壩基帷幕灌漿廊道內(nèi)各布置1個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩體壩基垂直位移，根據(jù)真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)、靜力水準(zhǔn)的布置，在右岸壩肩，8號(hào)，14號(hào)，17號(hào)壩段及左岸壩肩倒垂孔旁布置雙金屬標(biāo)。

在8號(hào)～14號(hào)壩段1 479 m高程檢查廊道、8號(hào)～17號(hào)壩段的1 532 m高程檢查廊道內(nèi)，分別布置1套橫河向靜力水準(zhǔn)，監(jiān)測(cè)壩體不同壩段和不同高程的垂直位移。

3)壩基變形。壩基深部壓縮變形主要采用多點(diǎn)位移計(jì)和基巖變形計(jì)，根據(jù)壩基巖體分布和壩段特點(diǎn)，選擇典型壩段的壩踵、壩中、壩趾處分別布置1套多點(diǎn)位移計(jì)；以及壩踵、壩趾處分別布置1套基巖變位計(jì)，監(jiān)測(cè)基巖的深部變形。

4)壩體接縫及裂縫。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段的壩踵、壩趾的混凝土與基巖接觸面布置測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)接縫開合度變化情況。在大壩壩踵重點(diǎn)部位布置裂縫計(jì)，對(duì)運(yùn)行期壩體混凝土可能的開裂情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在側(cè)向坡比較大的壩段基礎(chǔ)和壩體接觸面上布置單向測(cè)縫計(jì)，監(jiān)測(cè)接縫開合度變化情況，評(píng)價(jià)壩段的側(cè)向穩(wěn)定問(wèn)題。

3.4 滲流監(jiān)測(cè)

1)壩基揚(yáng)壓力。沿上游基礎(chǔ)灌漿及排水基礎(chǔ)廊道每個(gè)壩段的排水幕上，分別布置1支壩基測(cè)壓管構(gòu)成揚(yáng)壓力第一縱向監(jiān)測(cè)主斷面，監(jiān)測(cè)上游壩基帷幕的防滲情況；沿下游側(cè)帷幕灌漿及排水廊道在每個(gè)壩段的排水幕前，分別布置1支壩基測(cè)壓管構(gòu)成揚(yáng)壓力第二縱向監(jiān)測(cè)主斷面，監(jiān)測(cè)下游壩基帷幕的防滲情況。

在監(jiān)測(cè)壩段壩基利用橫向排水廊道布置3支以上測(cè)壓管或者沿建基面順河向在帷幕前后分別布置多支滲壓計(jì)，構(gòu)成揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)橫斷面，監(jiān)測(cè)大壩蓄水后揚(yáng)壓力實(shí)際分布情況。

2)滲透壓力。選擇在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段1 550 m高程以下，高程上間隔30 m～50 m，在壩體上游側(cè)豎向排水管前后的碾壓混凝土澆筑層面上埋設(shè)滲壓計(jì)，監(jiān)測(cè)混凝土施工縫上的層間滲水壓力，評(píng)價(jià)混凝土的施工質(zhì)量和防滲效果。

3)滲流量。在大壩壩基壩體排水廊道、壩基集水井前和兩岸灌漿、排水洞出口處建三角形量水堰，分區(qū)測(cè)量壩體及壩基滲水流量，評(píng)價(jià)壩基和壩體防滲情況。

4)繞壩滲流。在左右壩肩邊坡各布置12個(gè)～13個(gè)水位孔、在兩岸各層灌漿洞內(nèi)共埋設(shè)12個(gè)測(cè)壓管監(jiān)測(cè)兩岸繞壩滲流狀況。

5)水質(zhì)監(jiān)測(cè)。庫(kù)區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)取樣點(diǎn)選擇河床壩段、左右岸泄洪放空底孔及溢流壩段、下游尾水和兩岸灌漿洞內(nèi)，以監(jiān)測(cè)壩體、壩基及岸坡的水質(zhì)變化，分析庫(kù)區(qū)水質(zhì)化學(xué)成分和壩基滲漏水水質(zhì)分析進(jìn)行綜合比較判別。

3.5 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)

1)應(yīng)力應(yīng)變。選擇在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段，沿高程方向間隔約40 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)截面，在監(jiān)測(cè)斷面的壩體上游、壩中、下游部位布置五向應(yīng)變計(jì)組，監(jiān)測(cè)壩體混凝土的應(yīng)力應(yīng)變大小；在典型壩段受力條件較為明確的低高程壩踵和壩趾布置單向應(yīng)變計(jì)組，監(jiān)測(cè)其應(yīng)變大小。

在布置壩體應(yīng)力應(yīng)變的相同監(jiān)測(cè)壩段的壩踵、壩中、壩趾建基面上布置壓應(yīng)力計(jì)，監(jiān)測(cè)壩踵、壩中、壩趾處的壓應(yīng)力大小和變化。

2)溫度。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段斷面，沿高程方向間隔約20 m～25 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)截面，在監(jiān)測(cè)截面上以15 m～20 m左右間距呈網(wǎng)格狀布置溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)大壩的溫度場(chǎng)。在各重點(diǎn)觀測(cè)斷面下游壩坡布置表面溫度計(jì)觀測(cè)坡面混凝土溫度的變化。

在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)壩段基巖面內(nèi)鉆豎直孔，每孔內(nèi)布置4支溫度計(jì)，監(jiān)測(cè)基巖的溫度及其蓄水前后的溫度變化。

3.6 地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)

1)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)。在7號(hào)，12號(hào)，17號(hào)壩段的基礎(chǔ)灌漿廊道、壩體檢查廊道及壩頂分別布置強(qiáng)震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，對(duì)地震工況下建筑物的動(dòng)力放大系數(shù)、地震的振型和相位等進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在大壩下游區(qū)及左右壩肩邊坡布置強(qiáng)震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)左右岸壩肩及下游壩基的地震動(dòng)多點(diǎn)和多維輸入情況。

2)橫縫開度動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于轉(zhuǎn)折壩段受力、體型情況均較為復(fù)雜，在地震工況下橫縫開度變化直接影響止水的工作狀態(tài)，因此有必要對(duì)轉(zhuǎn)折壩段橫縫在地震工況下開度進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，采用在轉(zhuǎn)折壩段橫縫布置光纖光柵測(cè)縫計(jì)作橫縫開度監(jiān)測(cè)。

3)應(yīng)力動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。選擇在8號(hào)，11號(hào)和14號(hào)轉(zhuǎn)折壩段的上游壩面、壩踵、上游起坡點(diǎn)、上下游壩頭等體型變化部位抗震鋼筋上布置光纖光柵鋼筋計(jì)，監(jiān)測(cè)地震工況下鋼筋應(yīng)力。

3.7 水力學(xué)監(jiān)測(cè)

黃登大壩泄水建筑物水力學(xué)監(jiān)測(cè)主要包括遺留表孔、泄洪放空底孔、水墊塘以及下游護(hù)岸等。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置有水流流態(tài)及水面線、泄流水舌軌跡、動(dòng)水壓力、底流速、空穴監(jiān)聽、不平整度及空蝕調(diào)查、振動(dòng)與下游霧化等。

4 監(jiān)測(cè)新技術(shù)的研究和應(yīng)用

在滿足現(xiàn)行有關(guān)規(guī)范的前提下，為更加全面和高效地監(jiān)測(cè)大壩安全，黃登大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了大量的調(diào)研工作，并對(duì)監(jiān)測(cè)新技術(shù)和手段進(jìn)行了研究和應(yīng)用，主要有如下幾個(gè)方面：

1)采用分段埋設(shè)雙金屬標(biāo)進(jìn)行高程傳遞。對(duì)于混凝土壩，目前通用的做法是在大壩壩體內(nèi)設(shè)置專門的豎井或豎向監(jiān)測(cè)孔，沿豎井或豎向監(jiān)測(cè)孔懸掛銦鋼尺進(jìn)行高程傳遞。

對(duì)此，黃登大壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行了創(chuàng)新，采用雙金屬標(biāo)進(jìn)行高程傳遞，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，保證數(shù)據(jù)的及時(shí)性和實(shí)時(shí)性提供了解決辦法。具體為在8號(hào)及14號(hào)從壩頂至壩基廊道分段布置雙金屬標(biāo)，將壩外的水準(zhǔn)高程傳遞至壩內(nèi)。壩基廊道內(nèi)雙金屬標(biāo)點(diǎn)作為水準(zhǔn)工作基點(diǎn)，日常觀測(cè)時(shí)不需要校核，當(dāng)懷疑有位移和水準(zhǔn)網(wǎng)需年度復(fù)測(cè)時(shí)，利用8號(hào)及14號(hào)壩段雙金屬標(biāo)從壩頂進(jìn)行校核。

2)采用光纖光柵監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行地震工況下的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。由于轉(zhuǎn)折壩段受力、體型情況均較為復(fù)雜，在地震工況下橫縫開度變化和應(yīng)力變化直接影響大壩的工作狀態(tài)，因此采用在轉(zhuǎn)折壩段橫縫布置光纖光柵測(cè)縫計(jì)和鋼筋計(jì)作地震工況下動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

3)采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)監(jiān)測(cè)壩體變形。變形作為大壩工作狀態(tài)最重要和最直觀的指標(biāo)之一，高精度和實(shí)時(shí)的變形監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。由于傳統(tǒng)的表面變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，且垂線布置數(shù)量有限制，為彌補(bǔ)上述不足，在大壩壩頂布置了真空激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、高精度地監(jiān)測(cè)大壩變形。

5 結(jié)語(yǔ)

黃登水電站大壩為世界在建的最高碾壓混凝土重力壩，壩高超過(guò)200 m，存在很多超越現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范的技術(shù)應(yīng)用，其管理和運(yùn)行均無(wú)經(jīng)驗(yàn)可循。為全面有效的監(jiān)控大壩安全，更好地為工程建設(shè)運(yùn)行服務(wù)，黃登大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)開展了大量的研究分析和論證工作，布置了相對(duì)完善和有針對(duì)性的安全監(jiān)測(cè)體系；同時(shí)，針對(duì)工程特點(diǎn)，對(duì)部分監(jiān)測(cè)新技術(shù)和手段進(jìn)行了研究和應(yīng)用。目前，黃登水電站大壩安全監(jiān)測(cè)正是實(shí)施高峰階段，已取得的工程安全監(jiān)測(cè)成果為掌握大壩形態(tài)及驗(yàn)證工程措施實(shí)施效果提供了較為重要的依據(jù)。

[1] 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應(yīng)用[M].北京:高等教育出版社,2003.

[2] 張萬(wàn)奎，王文遠(yuǎn)，黃德凡.黃登水電站大型不良地質(zhì)體勘察研究[J].云南水力發(fā)電,2015,31(5)：82-83.

On safety supervision design of ultra-high rollercompacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station

Hu Lingzhi Zhang Shuai Tan Shanshan

(Kunming Survey and Design Instittute Co., Ltd, Power Construction Corporation China, Kunming 650051, China)

In order to ensure the safety of ultra-high roller compacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station, the paper allocates the safety inspection system at the dam, illustrates the main contents and programs in the dam supervision design, and introduces some monitoring techniques, so as to improve the accuracy of the supervision.

hydropower station, safety monitoring system, dam foundation, stress

1009-6825(2016)34-0208-03

2016-09-24

胡靈芝(1980- )，女，高級(jí)工程師

TV642.3

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