水電站垂線觀測系統(tǒng)監(jiān)測與管理

蔣金磊

摘 要：根據(jù)多年來參與景洪水電站大壩及邊坡安全監(jiān)測工作實(shí)際，全面總結(jié)景洪大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目中的垂線系統(tǒng)運(yùn)行與管理經(jīng)驗(yàn)，包括垂線布置、施工安裝情況、觀測方法等，并對已有觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，提出系統(tǒng)存在的問題與維護(hù)要點(diǎn)，供廣大同行參考。

關(guān)鍵詞：景洪；垂線觀測系統(tǒng)；維護(hù)

中圖分類號： TV22 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-42-3

0 引言

景洪水電站（以下簡稱：景洪）是瀾滄江中下游河段規(guī)劃的八個梯級電站中的第六個梯級電站。樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、廠房及變電站、通航建筑物等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高108m，壩頂高程EL.612m，總裝機(jī)容量1750MW，正常蓄水位為EL.602.00m，總庫容為11.39億m3。工程于2008年4月18日下閘蓄水，同年6月19日首臺機(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，并于2009年5月底全部機(jī)組發(fā)電投產(chǎn)。

1 垂線布置與施工安裝

1.1 垂線布置

根據(jù)景洪壩址的地形地質(zhì)條件和大壩應(yīng)力穩(wěn)定分析資料，設(shè)計(jì)中選擇對右岸升船機(jī)壩段（6#壩段）、最高溢流壩段（9#壩段）、最高廠房壩段（17#壩段）、左岸廠房壩段（19#壩段）四個典型重點(diǎn)監(jiān)測壩段及2#壩段、左壩肩布置正倒垂系統(tǒng)進(jìn)行觀測，并采用作為引張線的基準(zhǔn)進(jìn)行壩段間水平位移監(jiān)測。

景洪共布置正垂線10條，分別為6#壩段2條、9#壩段2條、17#壩段3條、19#壩段3條。

由于景洪最大壩高達(dá)108米，在設(shè)計(jì)中對同一垂直斷面內(nèi)采用分段測量的方法布置正垂線，如17#壩段壩高108米，分三段布置正垂線，自上而下的正垂線長分別為C2-A17-PL-01：34米、C2-A17-PL-02：26米、C2-A17-PL-03：43米，正垂線布置范圍共計(jì)103米。

景洪共布置倒垂線6條，分別為2#壩段1條6#壩段1條、9#壩段1條、17#壩段1條、19#壩段1條、左壩肩1條。其中，四個典型重點(diǎn)監(jiān)測壩段（6#、9#、17#、19#壩段）的倒垂線用于測量壩基巖體相對于壩基深部的水平位移；在2#壩段和左壩肩布置的倒垂線，用于監(jiān)測2#壩段和左壩肩部位的水平位移，并作為引張線端點(diǎn)的測量基準(zhǔn)。6條倒垂線長度為40～67米，深入基巖最深處孔深62米，位于最大壩段17#壩段。

1.2 施工安裝

景洪正、倒垂的施工及相應(yīng)儀器的埋設(shè)與安裝調(diào)試，均由“葛洲壩·昆明院·長科院”聯(lián)營體負(fù)責(zé)。

1.2.1 正垂線及高程垂直傳遞系統(tǒng)

①正垂線和高程傳遞裝置所在壩段澆筑混凝土?xí)r，分別預(yù)埋φ400mm、管壁厚度大于7mm的PVC管，作為保護(hù)管；

②正垂線測線采用強(qiáng)度較高的不銹銦瓦絲，其直徑可保證極限拉力大于重錘重量的2倍；

③在壩頂預(yù)埋固定垂線和銦鋼帶尺的部件，待預(yù)埋件固定后，用夾線裝置將垂線固定在懸掛裝置上；

④垂線引入各層廊道觀測間內(nèi)。垂線下端吊重錘，并將重錘放入油桶內(nèi)；

⑤根據(jù)垂線位置進(jìn)行觀測墩的放樣、立模、澆筑觀測墩，并在頂部預(yù)留二期混凝土，以便安裝強(qiáng)制對中底盤，底盤對中誤差不大于0.1mm。

1.2.2 倒垂線

景洪倒垂孔均采用一種孔徑，一次成功，沒有廢孔。倒垂線的施工步驟主要可歸納為三步，各步驟中應(yīng)注意事項(xiàng)可分述如下：

1.2.2.1 造孔

①按設(shè)計(jì)要求的孔位、孔徑和孔深鉆孔，采用巖芯鉆，終孔有效孔徑應(yīng)大于274mm。應(yīng)將巖芯盡量取全，特別對于斷層、軟弱夾層（帶）應(yīng)盡量取出，按工程地質(zhì)規(guī)范進(jìn)行詳細(xì)描述，作出鉆孔巖芯柱狀圖。

②鉆孔時(shí)，選擇性能好的鉆機(jī)，在鉆孔處用混凝土澆筑鉆機(jī)底盤，預(yù)埋緊固螺栓。嚴(yán)格調(diào)平鉆機(jī)滑軌（或轉(zhuǎn)盤），其傾斜度應(yīng)小于0.1%。然后將鉆機(jī)緊固在混凝土底座上。

③孔口埋設(shè)長度3m的導(dǎo)向管，導(dǎo)向管調(diào)整垂直，其傾斜度應(yīng)小于0.1%，并用混凝土加以固結(jié)。

④鉆具上部應(yīng)裝設(shè)導(dǎo)向環(huán)，導(dǎo)向環(huán)外徑可略小于導(dǎo)向管內(nèi)徑2～4mm。鉆進(jìn)時(shí)，采用低轉(zhuǎn)速、小壓力、小水量的方法進(jìn)行。

⑤時(shí)常檢查鉆孔偏斜值，每鉆進(jìn)1～2m應(yīng)檢測一次。檢測可采用倒垂浮體組配合彈性置中器進(jìn)行，測定鉆孔不同高程處鉆孔中心線位置與孔口中心位置的偏心距。

⑥在鉆孔過程中，一旦出現(xiàn)偏斜，首先分析原因，同時(shí)采取切實(shí)可行的糾斜措施。

1.2.2.2 保護(hù)管（套管）的埋設(shè)

①保護(hù)管采用φ159mm管壁6mm厚的無縫鋼管。保護(hù)管（套管）每隔3m～8m焊接4個大小不同的U形鋼筋，組成斷面的扶正環(huán)。

②保護(hù)管應(yīng)保持平直，底部加以焊封。底部以上0.5m范圍內(nèi)，內(nèi)壁應(yīng)加工為粗糙面，以便用水泥漿固結(jié)錨塊。保護(hù)管采用絲口連接，接頭處應(yīng)精細(xì)加工，保證連接后整個保護(hù)管的平直度，安裝保護(hù)管時(shí)全部絲口連接縫用防滲漏材料密封。

③下保護(hù)管前，可在鉆孔底部先放入水泥砂漿（高于孔底約0.5m）。保護(hù)管下到孔底后略提高，但不得提出水泥砂漿面，并用鉆機(jī)或千斤頂進(jìn)行固定。

④最后，準(zhǔn)確測定保護(hù)管的偏斜值，若偏斜過大，應(yīng)加以調(diào)整，直到滿足設(shè)計(jì)要求，方可用M15水泥砂漿固結(jié)。待水泥砂漿凝固后，拆除固定保護(hù)管的鉆機(jī)或千斤頂。

1.2.2.3 倒垂線的埋設(shè)

①浮體組采用恒定浮力式或非恒定浮力式。測線采用強(qiáng)度較高的不銹銦瓦絲，其直徑的選擇應(yīng)保證極限拉力大于浮子浮力的3倍。

②埋設(shè)錨塊時(shí)，在測線下端固定好錨塊，鋼絲應(yīng)位于保護(hù)管中心，將錨塊慢慢放至孔底，沉入水泥漿深處。

③浮體組安裝，應(yīng)使浮子水平、連桿垂直，浮子應(yīng)位于浮桶中心，處于自由狀態(tài)。若采用恒力浮子，應(yīng)使整個浮子沒入液體中，但不可觸及浮桶底部；若采用其他類型浮子，則應(yīng)調(diào)整到設(shè)計(jì)浮力。

④在距離倒垂孔25～30cm的合適位置建倒垂線觀測墩，墩面與倒垂線保護(hù)管管口齊平。在墩面上用二期混凝土埋設(shè)垂線坐標(biāo)儀的基座底板。

2 垂線觀測

2.1 觀測儀器及方法

景洪正倒垂線（除升船機(jī)壩段3組正倒垂線未開始實(shí)施）共計(jì)16個測點(diǎn)，現(xiàn)在全部測點(diǎn)均已投入觀測。目前主要用RZ型電容式垂線坐標(biāo)儀配合南瑞產(chǎn)NDA1711數(shù)據(jù)采集模塊到現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。大壩安全監(jiān)測自動化實(shí)施后，將通過NDA1303智能數(shù)據(jù)采集模塊接入DAU 2000數(shù)據(jù)采集單元，并通過DAMS-IV應(yīng)用軟件對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。

由于電容感應(yīng)式垂線坐標(biāo)儀無機(jī)械傳動和跟蹤結(jié)構(gòu)，用非接觸測量方式實(shí)現(xiàn)垂線的自動監(jiān)測，故而具有精度高，長期穩(wěn)定可靠的優(yōu)點(diǎn)，相對光學(xué)垂線坐標(biāo)儀的測量（如漫灣電站采用的CG-3（3A）光學(xué)垂線儀）較為方便。

2.2 觀測注意事項(xiàng)

在使用NDA1711數(shù)據(jù)采集模塊到現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

①一條垂線上各測點(diǎn)的觀測，應(yīng)從上而下，或從下而上，依次在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成。

②垂線觀測前，必須檢查該垂線是否處在自由狀態(tài)，檢查調(diào)整浮體組的浮力，使之滿足要求。同時(shí)，需要檢查中間極引出線是否完好，若發(fā)現(xiàn)中間極引出現(xiàn)損壞，應(yīng)由專業(yè)人員及時(shí)進(jìn)行維護(hù)修理，保證測值能按時(shí)讀取。

③測量時(shí)應(yīng)檢查電容極板上的凝露等情況，對異常出現(xiàn)凝露過多的情況，需進(jìn)行處理，并采取一定措施確保垂線坐標(biāo)儀極板上水介質(zhì)均勻，使儀器測值可靠。

④測量時(shí)（自動化監(jiān)測系統(tǒng)投入使用前），將四根芯線分別對應(yīng)接到NDA1711數(shù)據(jù)采集模塊的接口上，開機(jī)后，選擇電容式傳感器測讀模式，對數(shù)據(jù)進(jìn)行測度，并分別記錄測得的兩組電容比及對應(yīng)的水平位移量。要求記錄時(shí)區(qū)分垂直、水平方向的位移，并注意數(shù)值的正負(fù)。

⑤測讀完畢，將數(shù)據(jù)電纜線放置好，要求放置于不接觸極板且不易被碰觸的地方。

3 觀測資料的初步分析

景洪于2008年4月18日下閘蓄水，在蓄水前部分垂線投入了首次觀測，到5月底16個垂線測點(diǎn)全部投入使用。

從首次觀測至今，積累了一定的垂線觀測的實(shí)測資料，從中對大壩工作性態(tài)初步分析如下：

3.1 2#壩段壩頂

向上游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大處位移向上游2.2mm；

向右岸位移蓄水后變幅不大，且在水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大位移向右岸0.9mm。

3.2 6#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大位移向下游0.84mm；

向左岸位移位移蓄水后變幅不大，且在水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大位移向左岸0.50mm。

3.3 9#壩段壩基

蓄水后向上游有微小位移0.1mm，之后隨即向下游位移，且隨水位上升呈增大趨勢，水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大位移向下游1.2mm。

蓄水后向右岸有微小位移0.20mm，之后隨即向左岸位移，最大位移達(dá)1.60mm，之后變形呈緩和趨勢。

3.4 17#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩(wěn)定后，先在0～1.2mm范圍內(nèi)呈現(xiàn)增減交替變化，之后呈緩和趨勢，最大位移向下游1.2mm；

蓄水后先是向右岸位移最大達(dá)0.60mm，之后漸漸向左岸位移，最大位移達(dá)0.60mm，隨后變形在0～1.00mm之間變化。

3.5 19#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩(wěn)定后，在1.0～2.0mm范圍內(nèi)呈現(xiàn)增減交替變化，最大位移向下游1.70mm；

向左岸位移位移蓄水后變幅不大（0～1.0mm），且在水位穩(wěn)定后，有緩和趨勢，最大位移向左岸0.80mm。

綜上，經(jīng)分析，景洪大壩部分水平位移觀測數(shù)據(jù)均在允許范圍內(nèi)。2#壩段倒垂線壩頂位移為向上游2.2mm、17#壩段位移量向下游14mm，較設(shè)計(jì)量偏大，需要進(jìn)一步分析。

4 景洪水電站垂線系統(tǒng)的主要問題及維護(hù)要點(diǎn)

4.1 景洪水電站垂線系統(tǒng)的主要問題

景洪水電站垂線系統(tǒng)的存在的主要問題主要集中在設(shè)計(jì)及施工方面，且在實(shí)施過程中均得到了及時(shí)的解決，現(xiàn)將主要問題分述如下：

4.1.1 正垂線的設(shè)置

原設(shè)計(jì)中，19#壩段為兩段三個測點(diǎn)布置，由于C2-A19-PL-02較長（56米），存在因垂線孔傾斜引起線體碰孔壁、在壩體中因串風(fēng)引起線體擺動、線體卡住等故障或測值不可靠的隱患，實(shí)施過程中將原設(shè)計(jì)進(jìn)行了更改，即將原設(shè)計(jì)中C2-A19-PL-02根據(jù)測點(diǎn)分布分為兩條正垂線，分別為C2-A19-PL-02：29米、 C2-A19-PL-03：27米。

4.1.2 倒垂孔的垂直度

在倒垂孔施工中，用于測量垂直度的彈性對中器存在一定的誤差，通常在2～3mm，為能盡早發(fā)現(xiàn)鉆孔出現(xiàn)的偏斜，以便即時(shí)進(jìn)行糾偏，提高鉆孔成功率，施工方對彈性對中器進(jìn)行有效改進(jìn)，使測量精度提高到1mm以內(nèi)。從而使倒垂孔鉆孔比較順利的進(jìn)行，有效孔徑都明顯優(yōu)于技術(shù)要求所規(guī)定的值。

4.2 垂線系統(tǒng)的維護(hù)工作

垂線系統(tǒng)的維護(hù)工作主要包括正倒垂管的保護(hù)工作、垂線坐標(biāo)儀的維護(hù)工作兩個方面：

4.2.1 垂線線體裝置的保護(hù)

①正倒垂管的保護(hù)。

景洪的正垂系統(tǒng)垂線均位于施工期間預(yù)埋在混凝土中的管道內(nèi)，且在管道安裝前對管道內(nèi)壁進(jìn)行了防銹時(shí)處理。但由于施工、時(shí)效、環(huán)境惡劣等因素影響，防銹效果不太明顯，正垂管內(nèi)經(jīng)常有掉銹渣的現(xiàn)象。

同時(shí)，由于土建施工期間，壩內(nèi)常有施工用水在廊道及觀測間內(nèi)造成較大的積水。積水漫過正垂管上測點(diǎn)的進(jìn)口，向下方的測點(diǎn)流去，造成正垂管及測量設(shè)備處于水、空氣構(gòu)成的不利環(huán)境中。

今后應(yīng)在不影響觀測工作及儀器穩(wěn)定的原則下，對運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行改善，要求盡量降低環(huán)境的濕度，避免水流通過正垂管的現(xiàn)象。

②垂線體裝置的其他維護(hù)工作。

除了正倒垂管的需注意保護(hù)外，其他需要注意的情況主要有：倒垂線在基巖錨固處固結(jié)不牢、因垂線孔傾斜引起線體碰孔壁、在壩體中因串風(fēng)引起線體擺動、線體卡住等。

因以上情況所引起的故障要及時(shí)發(fā)現(xiàn)并排除，否則測值不可靠。

4.2.2 正倒垂觀測儀器的維護(hù)

上面已經(jīng)介紹，景洪垂線觀測儀器采用RZ型電容式垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集工作，故而該部分的維護(hù)工作是正倒垂系統(tǒng)維護(hù)的重點(diǎn)。主要注意的有以下幾點(diǎn)：

①坐標(biāo)儀系列中感應(yīng)部件經(jīng)過特殊防潮工藝處理，能在相對濕度95%的壩體內(nèi)長期可靠工作，但這并不意味著坐標(biāo)儀這類精密儀器能在水等經(jīng)常流入坐標(biāo)儀情況下給出準(zhǔn)確測值。因此現(xiàn)場必須采取措施防止雨水、冷凝水等流入坐標(biāo)儀內(nèi)。安裝在大壩豎井、基礎(chǔ)的垂線坐標(biāo)儀，因豎井等環(huán)境存在冷熱空氣交換，使豎井及坐標(biāo)儀上長期存在大量冷凝水。在此惡劣環(huán)境下，需采取一定措施確保垂線坐標(biāo)儀極板上水介質(zhì)均勻，使儀器測值可靠。

②為適應(yīng)在大壩惡劣環(huán)境下可靠工作，坐標(biāo)儀內(nèi)無一電子元器件。當(dāng)坐標(biāo)儀在現(xiàn)場安裝調(diào)試完后，一般不會出現(xiàn)什么故障，不需經(jīng)常采取什么維護(hù)措施。中間極引出線是一根線徑僅0.05～0.1mm的細(xì)漆包線，要注意防止非觀測人員或參觀人員看不清此線而將其碰斷。

③RZ型電容式垂線坐標(biāo)儀設(shè)置有直徑為120mm的擋水圓盤，用于擋住上方掉下的凝結(jié)水及部分銹渣。但由于該擋水部件防護(hù)面積較小，時(shí)常有凝結(jié)水或正垂管繡渣等掉落在坐標(biāo)儀其他部位（如屏蔽罩、支墩等）上，甚至有可能影響極板的工作。因而，在日常工作中，應(yīng)注意對坐標(biāo)儀及其所在的支墩及時(shí)清理，保證測得的數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，并盡可能延長儀器壽命。