300 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)探討

秦　朋，譚愷炎，胡升偉，張志奎，張金杰（.葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，44300；.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，6007）

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300 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)探討

秦朋1，譚愷炎1，胡升偉2，張志奎1，張金杰1
（1.葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，443002；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都，610072）

摘要：中國混凝土面板堆石壩正在向300 m級(jí)壩高突破發(fā)展。壩高的突破必然導(dǎo)致安全監(jiān)測系統(tǒng)升級(jí)。通過總結(jié)200 m面板壩安全監(jiān)測施工經(jīng)驗(yàn)，提出了適用于300 m級(jí)面板壩的改進(jìn)措施。300 m級(jí)面板壩安全監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)積極引用新型監(jiān)測技術(shù)，并通過“數(shù)字化”大壩平臺(tái)充分利用監(jiān)測指導(dǎo)施工的工程效益。

關(guān)鍵詞：300 m級(jí)高面板壩；安全監(jiān)測；沉降；水平位移；新型技術(shù)；指導(dǎo)施工

混凝土面板堆石壩在中國已近30年的發(fā)展歷史，無論壩高和工程規(guī)模，還是技術(shù)難度都處于世界前列。中國混凝土面板堆石壩已具備200 m級(jí)壩高成熟技術(shù)，正在向300 m級(jí)壩高突破發(fā)展［1］。

堆石體這種巖土結(jié)構(gòu)的變形具有復(fù)雜性、不確定性［2］。隨著面板堆石壩壩高增加，壩高200 m級(jí)與100 m級(jí)壩體變形特性有較大不同，300 m級(jí)也不可避免會(huì)產(chǎn)生一些迥異于100 m、200 m級(jí)的變形新特性［3］。尋求可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)，及時(shí)掌握壩體性態(tài)變化顯得十分必要。隨著國內(nèi)高面板堆石壩筑壩技術(shù)的發(fā)展，安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷提高。當(dāng)前面板堆石壩安全監(jiān)測出現(xiàn)的主要問題是監(jiān)測儀器生產(chǎn)廠家對(duì)監(jiān)測儀器的結(jié)構(gòu)開發(fā)和監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)側(cè)重于理論，缺乏安全監(jiān)測施工現(xiàn)場的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。通過總結(jié)多個(gè)高面板堆石壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的施工經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合儀器結(jié)構(gòu)原理和現(xiàn)場施工工藝，筆者分析了一些主要監(jiān)測儀器在200 m級(jí)面板壩應(yīng)用中遇到的問題，并提出適用于300 m級(jí)面板壩的改進(jìn)措施。在完善常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的同時(shí)，300 m級(jí)面板壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)注重開發(fā)和采用新型監(jiān)測技術(shù)，以分布式監(jiān)測彌補(bǔ)點(diǎn)式監(jiān)測的不足，為大壩提供更加全面的安全監(jiān)測系統(tǒng)。

作為大壩變形耳目，安全監(jiān)測目的不僅在于運(yùn)行期的穩(wěn)定性判斷［4］，還應(yīng)在施工期發(fā)揮重要的指導(dǎo)作用。受人工觀測及時(shí)性和全面性的局限，監(jiān)測指導(dǎo)施工目前在工程應(yīng)用中并未體現(xiàn)出該有的工程效益。300 m級(jí)面板壩可以考慮提前整體規(guī)劃監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化，隨著大壩施工完善自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測施工期的指導(dǎo)作用，提高大壩施工質(zhì)量。

1　壩體沉降監(jiān)測

1.1水管式沉降儀

水管式沉降儀測量原理簡單，應(yīng)用廣泛。相對(duì)于其他沉降觀測儀器，水管式沉降儀更適用于大粒徑堆石體沉降觀測，且能有效避免沉降代表性問題。因此，水管式沉降儀成為了面板堆石壩首選的沉降變形觀測手段。在高面板堆石壩的應(yīng)用中，這種儀器主要問題是超長監(jiān)測斷面導(dǎo)致的觀測滯后現(xiàn)象和大幅度不均勻沉降可能引起的水管堵塞。

某壩高200 m級(jí)別面板堆石壩，最長監(jiān)測斷面近500 m，水管式沉降儀系統(tǒng)采用內(nèi)徑8 mm水管；經(jīng)測試，水管觀測端加20 cm防凍液后，需靜置1～2 h才能滿足讀數(shù)要求的誤差范圍。為探究觀測滯后規(guī)律，筆者采用數(shù)學(xué)積分和水力學(xué)模型對(duì)加液過程進(jìn)行模擬演算，最后結(jié)合演算成果與測試結(jié)果得到修正后的模型。300 m級(jí)面板堆石壩監(jiān)測斷面必然更長，為防止觀測滯后產(chǎn)生的誤差并滿足蓄水高峰期設(shè)計(jì)觀測頻次，水管式沉降儀系統(tǒng)應(yīng)采用管徑更大水管。上述修正模型計(jì)算得到，300 m級(jí)面板壩（最長監(jiān)測斷面近900 m）水管式沉降儀使用內(nèi)徑不小于20 mm的水管時(shí)，測量精度滿足現(xiàn)行規(guī)范要求。

水管堵塞現(xiàn)象發(fā)生在多個(gè)200 m級(jí)面板壩中，該現(xiàn)象并非在施工過程中發(fā)生，而是發(fā)生在壩體產(chǎn)生一定變形后，且多發(fā)生在測頭距安裝面較高的測點(diǎn)。造成該現(xiàn)象的外因是壩體的不均勻沉降，但儀器本身的缺陷也是重要的因素。為保證埋設(shè)后的水管式沉降儀測頭穩(wěn)定牢固，安裝前需預(yù)澆混凝土墩作為測頭底座，這種結(jié)構(gòu)本身對(duì)測點(diǎn)接頭區(qū)域的水管會(huì)造成一定曲折變形。此外，水管材質(zhì)也存在不足，如圖1（左）所示，通液水管通常采用抗壓強(qiáng)度較大的聚四氟乙烯管，選材忽略了水管的柔韌性，這種管材具有耐壓、耐腐蝕、水流阻力小等優(yōu)點(diǎn)，但柔韌性太差，20 cm樣品彎曲超過90°即曲折，具有“寧折不彎”的特性。一旦較大幅度的不均勻沉降發(fā)生在該薄弱環(huán)節(jié)，就可能導(dǎo)致水管曲折堵塞，儀器失效。吸取前者的教訓(xùn)，水管式沉降儀在300 m級(jí)面板壩應(yīng)用中，測點(diǎn)的混凝土墩結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)一步改善，可延長接地斜面長度，有效控制接頭區(qū)域水管的本身曲率；另外，水管材料的選取也應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化，如圖1（右）所示，成本相近的聚氨酯管同樣具有耐磨、重量輕、彈性好、耐老化等優(yōu)點(diǎn)，更重要的是良好的柔韌性，20 cm樣品局部彎曲大于180°，管路依然通暢。增加一定壁厚，其抗壓強(qiáng)度可與聚四氟乙烯管達(dá)到同一水平。

1.2振弦式沉降儀

振弦式沉降儀是近期從其他領(lǐng)域引進(jìn)的一種新型沉降監(jiān)測儀器，由埋入的測頭和儲(chǔ)液罐組成，兩者由雙路通液通氣管（簡稱雙路管）連接，通過兩者水位差變化獲得測點(diǎn)沉降變化，有兩種埋入方式，如圖2所示。

圖1　水管材質(zhì)對(duì)比Fig.1 The comparison of different pipe materials

圖2　振弦式沉降儀Fig.2 Vibrating wire settlement sensors

水平埋設(shè)系統(tǒng)的雙路管較長，在壩內(nèi)采用鋼管保護(hù)，埋設(shè)完工后再回填細(xì)砂和墊層料作為過渡保護(hù)層。垂直埋設(shè)方法可以用于觀測壩基位移，也可觀測壩體分層沉降。兩種埋設(shè)方法存在同一個(gè)技術(shù)問題，傳感器接頭和儲(chǔ)液罐接頭容易遭到破壞，導(dǎo)致系統(tǒng)漏液，儀器失效。儀器漏液會(huì)導(dǎo)致儀器測頭感應(yīng)的水壓偏小，水平埋設(shè)測點(diǎn)將出現(xiàn)測值偏小，垂直埋設(shè)則偏大。如某面板壩個(gè)別水平埋設(shè)的弦式沉降儀持續(xù)出現(xiàn)較大的沉降負(fù)值；某土石壩多個(gè)垂直埋設(shè)的弦式沉降儀埋設(shè)不久即出現(xiàn)1～2 m的沉降測值。300 m級(jí)面板壩變形更大，對(duì)儀器結(jié)構(gòu)破壞性更強(qiáng)。改進(jìn)儀器接頭處理，水平埋設(shè)的弦式沉降儀仍然適用，但需增加保護(hù)層厚度，每層不能少于40～50 cm。垂直埋設(shè)系統(tǒng)的雙路管沒有護(hù)管保護(hù)，容易受到土體擠壓，且系統(tǒng)是密閉結(jié)構(gòu)，擠壓外力對(duì)系統(tǒng)測值影響較大。如某工程監(jiān)測壩基位移的多個(gè)弦式沉降儀測值規(guī)律性差，測值出現(xiàn)跳動(dòng)現(xiàn)象。垂直埋設(shè)的弦式沉降儀應(yīng)與水平埋設(shè)采取相同的保護(hù)措施，排除外力擠壓影響。

1.3桿式位移計(jì)

桿式位移計(jì)主要用于監(jiān)測壩基變形，通過沉降盤壓縮測桿收縮獲得測點(diǎn)沉降變形。一些工程將這類儀器用于監(jiān)測壩體分層沉降，如圖3所示。

圖3　桿式位移計(jì)Fig.3 Rod displacement extensometers

兩種監(jiān)測系統(tǒng)儀器結(jié)構(gòu)相同，儀器測桿外套隔離管，保證沉降盤能夠順暢下降。但兩者安裝方法和應(yīng)用環(huán)境卻完全不同。壩基沉降系統(tǒng)安裝需要預(yù)先在壩基面鉆孔，孔深入基巖，在孔內(nèi)完成安裝后回填膨潤土漿；壩體沉降系統(tǒng)是在填筑區(qū)埋設(shè)，采用局部細(xì)沙料保護(hù)。這種儀器的不足在于，測桿周圍的堆石體較大的水平位移變形容易導(dǎo)致測桿在套管內(nèi)不居中，產(chǎn)生阻力，甚至堵塞。相對(duì)壩基，施工期壩體水平位移變形更大，且土建作業(yè)配合的細(xì)沙料的覆蓋呈錐形上升，保護(hù)層不均勻，易出現(xiàn)缺陷段。因而，壩基沉降系統(tǒng)較壩體沉降更加適用。某面板壩工程的桿式位移計(jì)在壩基沉降監(jiān)測系統(tǒng)中應(yīng)用情況較好，施工期的測值與測點(diǎn)填筑高程變化相關(guān)系數(shù)均在0.95以上；但壩體的分層沉降系統(tǒng)則出現(xiàn)多個(gè)測點(diǎn)監(jiān)測的沉降量偏小，少量測點(diǎn)在填筑過程中沉降量始終保持在在2～5 mm之間，測值異常。以測桿伸縮結(jié)構(gòu)監(jiān)測沉降變化的儀器仍然適用于300 m級(jí)面板壩的壩基位移監(jiān)測，但若用于壩體分層沉降觀測，還需對(duì)儀器的測桿結(jié)構(gòu)進(jìn)一步改進(jìn)，埋設(shè)工藝也需完善。

2　水平位移

面板堆石壩常規(guī)水平位移監(jiān)測仍然采用銦鋼絲引張線水平位移技術(shù)，通過連接壩體內(nèi)部測點(diǎn)的銦鋼絲傳遞測點(diǎn)的水平位移，結(jié)合壩體外部端頭的外觀測量信息獲得壩體內(nèi)部絕對(duì)水平位移。銦鋼絲引張線隨著壩體填筑至相應(yīng)高程埋設(shè)，采用普通鋼管作為保護(hù)裝置，各節(jié)鋼管之間用法蘭盤連接，但法蘭盤與鋼管為活動(dòng)連接，保證連接的管道之間具有一定柔性，不會(huì)對(duì)抗壩體的不均勻沉陷。通常一根鋼管內(nèi)安裝多根銦鋼絲，為防止鋼絲在管內(nèi)打絞，保證各測點(diǎn)的銦鋼絲平行牽引，公母法蘭盤之間鑲嵌了分線盤，如圖4（左）。這種施工方法存在較多不足，主要表現(xiàn)在：（1）施工時(shí)，以測點(diǎn)為起點(diǎn)，將盤起的銦鋼絲逐個(gè)穿入鋼管和相應(yīng)分線盤的孔位，直至最后一節(jié)鋼管，每節(jié)鋼管與銦鋼絲的安裝必須在上一節(jié)鋼管安裝完成后才能進(jìn)行，施工方法不能實(shí)現(xiàn)流水線作業(yè)；（2）為防止鋼絲打絞，在安裝過程中，測點(diǎn)端盤起的銦鋼絲需要人工釋放，一根鋼絲配備一名施工員，施工要求消耗較多人力資源；（3）銦鋼絲在分線盤中的移動(dòng)摩擦屬于滑動(dòng)摩擦，容易造成較大摩擦阻力。

圖4　水平位移計(jì)施工裝置Fig.4 Installation device for the horizontal displacement gauge

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)不足，筆者發(fā)明了一種用于監(jiān)測大壩內(nèi)部水平位移引張線的安裝施工裝置（專利號(hào)：201520550633X），如圖4（右）所示。該裝置由保護(hù)槽頂槽、光圓桿、銷釘、滑輪、滑輪槽、螺紋桿、保護(hù)槽底槽、套槽底槽等部件組成。與現(xiàn)有施工方法不同的是，引張線安裝無需逐個(gè)穿入，而是從下往上依次分層施工。安裝的流水線作業(yè)順序依次為：（1）利用銷釘將滑輪固定在滑輪槽內(nèi)，形成整體配件結(jié)構(gòu)；（2）利用螺紋桿通過保護(hù)槽底槽的下孔位將滑輪槽串聯(lián)，調(diào)整好滑輪槽位置后插入底槽的下孔位并在底槽外側(cè)用螺帽擰緊固定；（3）鋪設(shè)保護(hù)槽底槽，調(diào)整位置，分別將兩節(jié)保護(hù)槽底槽連接端頭置于套槽的底槽，一次從監(jiān)測斷面起點(diǎn)端鋪至尾端；（4）將盤起的銦鋼絲引張線全部釋放后拉直，將每根鋼絲分別放入滑輪上側(cè)凹槽后，在保護(hù)槽底槽上孔位插入光圓桿，鎖住鋼絲；（5）最后蓋上保護(hù)槽頂槽和套槽的頂槽。

引張線安裝作業(yè)中步驟（1）、（2）可在室內(nèi)提前生產(chǎn)，大幅度縮短現(xiàn)場施工時(shí)間，減少對(duì)大壩填筑施工影響。整個(gè)過程為流水線作業(yè)，可以交叉施工，節(jié)約了人力資源，并極大提高了施工效率。與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，引張線的移動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦，減小了摩擦阻力，提高了測量精度。

3　面板撓度

蓄水后，面板堆石壩的面板撓度變形可以直接反映大壩安全運(yùn)行狀況。水布埡工程采用電解式傾斜儀監(jiān)測面板撓度。在面板澆筑前，將儀器綁縛在相應(yīng)鋼筋結(jié)構(gòu)上。實(shí)踐表明，以這種方式安裝的儀器容易遭到混凝土變形破壞，存活率不高，應(yīng)用效果不理想［5］。吸取水布埡工程教訓(xùn)，某同類工程在擠壓邊墻與面板間預(yù)埋測斜管，將傾斜儀等距安裝在測斜管內(nèi)，增加了儀器保護(hù)力度，可為300 m級(jí)面板壩監(jiān)測提供借鑒。

4　新型監(jiān)測技術(shù)

隨著大壩安全監(jiān)測的發(fā)展，常規(guī)監(jiān)測技術(shù)累計(jì)了豐富的經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用范圍也在擴(kuò)大，逐漸與現(xiàn)行規(guī)范匹配，但其仍然無法克服監(jiān)測成果“以點(diǎn)代面”，儀器穩(wěn)定性差，失效等缺陷。近期發(fā)展的光纖陀螺儀面板撓度和壩體沉降監(jiān)測技術(shù)、光纖光柵滲流監(jiān)測技術(shù)在水布埡等多個(gè)工程中的應(yīng)用得到了業(yè)內(nèi)認(rèn)可。某壩高223 m面板堆石壩不僅采用上述兩項(xiàng)技術(shù)，更引進(jìn)了磁慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行面板撓度和壩體水平垂直位移監(jiān)測。從技術(shù)的角度分析，新型監(jiān)測技術(shù)通常是分布式或者準(zhǔn)分布式觀測，往往一種監(jiān)測技術(shù)包含了多個(gè)觀測項(xiàng)目，監(jiān)測范圍較常規(guī)儀器更廣；從經(jīng)濟(jì)的角度分析，新型監(jiān)測技術(shù)的性價(jià)比更高；從施工的角度分析，新型監(jiān)測技術(shù)的儀器埋設(shè)更加簡單。

5　完善“數(shù)字大壩”PDCA循環(huán)

在施工期，大壩安全監(jiān)測儀器的測值會(huì)隨著部位的結(jié)構(gòu)變化發(fā)生一定規(guī)律的反映，挖掘測值的規(guī)律性可以判斷施工質(zhì)量的好壞。例如，通過沉降量判斷可能發(fā)生的不均勻沉降，通過沉降量演算壓縮模量實(shí)時(shí)判斷碾壓質(zhì)量，通過帷幕前后滲透水壓判斷帷幕的防滲效果等［6］。監(jiān)測指導(dǎo)施工對(duì)數(shù)據(jù)采集及時(shí)性要求較高，“數(shù)字化”大壩的實(shí)現(xiàn)為這一思路提供了發(fā)展平臺(tái)。“數(shù)字化”大壩是基于高精度GPS技術(shù)，使用大壩施工信息PDA采集系統(tǒng)，對(duì)填筑施工進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以提高施工質(zhì)量［7］。該系統(tǒng)的不足在于沒有通過大壩監(jiān)測系統(tǒng)對(duì)施工質(zhì)量的分析判斷，缺乏“C（檢查）”步驟。300 m級(jí)面板壩施工期，應(yīng)及時(shí)將監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化，配合大壩施工期信息PDA采集系統(tǒng)，完善PDCA循環(huán)，進(jìn)一步提高施工質(zhì)量的過程控制。

6　結(jié)語

（1）一些體積較小的監(jiān)測儀器，如滲壓計(jì)、土壓力計(jì)、測縫計(jì)等，由于其施工簡單、技術(shù)成熟，仍然適用于300 m級(jí)面板堆石壩安全監(jiān)測。體積較大的儀器，如水管式沉降儀、銦鋼絲位移計(jì)、桿式位移計(jì)等還需作進(jìn)一步改進(jìn)。

（2）針對(duì)300 m級(jí)面板壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的改進(jìn)措施必然會(huì)增加施工難度，專業(yè)的施工隊(duì)伍和一流的施工技術(shù)是系統(tǒng)可靠性的保障。

（3）新型監(jiān)測技術(shù)在200 m級(jí)面板堆石壩的成功應(yīng)用為300 m級(jí)面板壩提供了借鑒?！疤岢珓?chuàng)新，敢于創(chuàng)新”是300 m級(jí)面板壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)理念。

（4）提前安全監(jiān)測系統(tǒng)自動(dòng)化安裝，發(fā)揮監(jiān)測系統(tǒng)指導(dǎo)施工的作用，是300 m面板堆石壩安全監(jiān)測的發(fā)展方向。

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Title:Researchofmonitoringtechnologyfor 300mhighconcretefaceslabrockfilldam//byQINPeng，TAN Kai-yan，HUSheng-wei，ZHANGZhi-kuiandZHANGJin-jie//ChinaGezhoubaGroupTestingCo.，Ltd.

Abstract:In China，the construction of 300 m high concrete face slab rockfill dams is in progress.The monitoring system must be upgraded to adapt to higher dams than ever.This paper summarizes the moni?toring technology used on 200 m high concrete face slab rockfill dams in China，and conducts special studies on the improvement of main monitoring technology for 300 m high dams.New monitoring tech?nology should be adopted in construction of 300 m high concrete face slab rockfill dams.And，by taking the advantages of“digital dams”，the monitoring results should be used to instruct construction to en?hance the construction quality.

Key words:300 m high concrete face slab rockfill dam；safety monitoring；settlement；horizontal dis?placement；new technology；instructing construction

中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1092（2016）01-0057-04

收稿日期：2015-11-20；修回日期：2015-12-17

作者簡介：秦 朋（1987-），男，湖北黃岡人，碩士，助理工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。