劉世煌
試談安全評(píng)價(jià)中的安全監(jiān)測(cè)資料分析
劉世煌
通過安全評(píng)價(jià)和安全鑒定的工作實(shí)踐,探討安全監(jiān)測(cè)資料分析在安全評(píng)價(jià)中的作用及基本要求,并通過實(shí)例探討異常監(jiān)測(cè)資料的分析方法,以及通過這些異常資料分辨工程運(yùn)行性態(tài)并實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的重要性。
安全評(píng)價(jià);安全監(jiān)測(cè)資料;風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控
安全監(jiān)測(cè)是對(duì)工程運(yùn)行現(xiàn)狀實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控的有效手段,是指導(dǎo)工程施工和運(yùn)行管理的依據(jù),也是安全鑒定、安全評(píng)價(jià)、大壩定期安全檢查、大壩安全登記、下閘蓄水、工程驗(yàn)收等工作的重要憑據(jù);安全監(jiān)測(cè)還是對(duì)設(shè)計(jì)成果的檢驗(yàn),是反饋設(shè)計(jì)和修編規(guī)范的基礎(chǔ);安全監(jiān)測(cè)同時(shí)還是實(shí)施無人值守、少人管理、遠(yuǎn)程操作的基礎(chǔ)。
實(shí)踐證明:安全監(jiān)測(cè)工作不是簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)采集,更不是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的單純統(tǒng)計(jì)分析,而是在數(shù)據(jù)采集和資料分析基礎(chǔ)上異?,F(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)、異常原因的探討和發(fā)展趨勢(shì)的分析,是工程安全性的初步評(píng)判,還是處理意見的依據(jù)。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo),安全監(jiān)測(cè)工作應(yīng)努力達(dá)到下述要求。
(1)除精通觀測(cè)規(guī)程規(guī)范外,尚應(yīng)了解相關(guān)工程的設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范。
安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)是工程設(shè)計(jì)的重要組成部分,安全監(jiān)測(cè)資料是建筑物運(yùn)行性態(tài)的表征,安全監(jiān)測(cè)資料分析是對(duì)設(shè)計(jì)成果的驗(yàn)證。為了能很好地分析監(jiān)測(cè)資料并對(duì)建筑物運(yùn)行性態(tài)做出正確評(píng)判,安全監(jiān)測(cè)工作不僅要精通觀測(cè)規(guī)程規(guī)范,還應(yīng)了解相關(guān)工程的設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范。
石門拱壩為我國(guó)20世紀(jì)70年代修建的最高的雙曲薄拱壩,最大壩高88.6 m,壩頂弧長(zhǎng)254 m,底寬27.3 m,L/H=2.87,B/H=0.31,壩基為石英巖,巖性脆硬,裂隙發(fā)育。施工期間在河床壩段壩基與壩體接觸部位埋設(shè)6支測(cè)縫計(jì),不久相繼破壞,僅保留分別距上游壩面1 m和5 m的H4和H5測(cè)縫計(jì)。1972年水庫下閘蓄水,1975年汛后,上述測(cè)點(diǎn)測(cè)值猛增,從微壓狀態(tài)到張開2.66~3.018 mm,同時(shí)左岸及河床壩段的揚(yáng)壓力及滲水量也出現(xiàn)一個(gè)以年為周期的孤峰現(xiàn)象,且8號(hào)壩段壩踵部位的3個(gè)應(yīng)變片組的拉應(yīng)變也上升了一個(gè)臺(tái)階,這表明壩踵己經(jīng)拉開,但尚未拉斷距壩踵5 m的H5,帷幕尚未拉斷;同時(shí)由于右岸壓力引水隧洞漏水,右壩肩地下水位大面積大幅度上升,大壩視準(zhǔn)線測(cè)值表明:右壩頭側(cè)向位移增大6 mm,威脅著大壩安全。如果不熟悉拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范和拱壩受力特點(diǎn),就很難正確分析拱壩壩踵的應(yīng)力狀態(tài)及壩肩地下水位對(duì)壩體安全的影響。
貴州大河外摻氧化鎂碾壓混凝土雙曲拱壩,壩高105 m,弧高比L/H=3.61,厚高比B/H=0.297,壩基為泥盆系砂巖和泥巖互層。由于壩基巖體變形模量較低,拱壩弧高比較大,拱梁分載、三維線彈性有限元及三維非線性有限元計(jì)算成果:壩體最大徑向變位分別為38.88 mm、67.5 mm和70.0 mm,相對(duì)于100m級(jí)高度的雙曲拱壩,該徑向變位偏大。為了減少右壩肩的開挖工程量,擬將右壩頭拱肩槽的開挖方式由削坡開挖改為窯洞式開挖,窯洞開挖線與右壩頭間距僅20 cm。該變更雖可減少拱壩徑向變位,節(jié)省開挖工程量,但該變更不是一個(gè)簡(jiǎn)單的施工方法變更,它可能加大開挖邊坡的失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn),也可能影響右壩頭的溫度場(chǎng)及MgO的外摻量,當(dāng)右壩頭與窯洞壁澆筑一體時(shí),還可能改變拱壩的約束條件、特征尺寸及水荷載,可能較大改變拱壩應(yīng)力狀態(tài)……若不熟悉拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范,就很難利用監(jiān)測(cè)資料指導(dǎo)施工期的溫度控制,也很難合理確定不同部位混凝土中MgO的外摻量,還很難正確提出監(jiān)控指標(biāo),更難對(duì)拱壩真實(shí)工作性態(tài)做出科學(xué)的評(píng)判。
(2)了解工程地質(zhì)背景、工程特點(diǎn)及主要工程問題,明確對(duì)安全監(jiān)測(cè)工作的基本要求。了解觀測(cè)設(shè)計(jì)意圖及重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,明確主要監(jiān)控指標(biāo)。
水利水電工程都具有較強(qiáng)的個(gè)性,不了解該工程特點(diǎn)及相應(yīng)的主要工程問題,就無法正確理解設(shè)計(jì)意圖及對(duì)監(jiān)測(cè)的基本要求,也就無法明確監(jiān)控指標(biāo),從而很難正確判別“正?!薄爱惓!薄拔kU(xiǎn)”,并實(shí)施有效的風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控。
小浪底攔河大壩為建筑在70 m深覆蓋層上的160m高的斜心墻壤土心墻壩,兩岸三疊系砂巖產(chǎn)狀較緩,傾角8°~12°,層間發(fā)育有泥化夾層、順河斷裂及垂直節(jié)理。本工程的主要問題是:深覆蓋層變形(徐變)對(duì)斜心墻堆石壩應(yīng)力應(yīng)變的影響,左岸單薄分水嶺水文地質(zhì)條件及壩基滲漏,平緩砂巖中大型地下洞群圍巖穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)抗震及高含砂水流的泄洪與消能……圍繞這些問題進(jìn)行深入研究和精心設(shè)計(jì),相應(yīng)布置了3 261支觀測(cè)儀器,其中大壩及壩基共布置了內(nèi)外部觀測(cè)儀器658支,但由于覆蓋層及壩體的較大變形,46%的壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器因超量程和電纜拉斷等原因而失效,其中監(jiān)測(cè)壩體內(nèi)部沉降變形的儀器幾乎全部失效。水庫蓄水后,壩頂上下游兩條視準(zhǔn)線測(cè)值出現(xiàn)較大差異,壩頂出現(xiàn)長(zhǎng)627 m、深3.9 m、最大寬15 cm的裂縫,同時(shí)左岸地下廠房排水洞出現(xiàn)14 532 m3/d滲水(遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)滲漏量)……如果不了解小浪底工程的地質(zhì)條件和主要工程問題,就很難找到蓄水后壩體大變形、壩頂開裂、壩基較大滲漏的原因,也就很難對(duì)小浪底大壩的工作性態(tài)做出正確判斷。
(3)精選監(jiān)測(cè)設(shè)備,合理選擇儀器量程及埋設(shè)方法;重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目要有幾種監(jiān)測(cè)手段相互驗(yàn)證,要能保證實(shí)施長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè)。
小浪底大壩監(jiān)測(cè)設(shè)備大量失效,其中壩體內(nèi)部沉降變形監(jiān)測(cè)儀器全部失效,說明對(duì)深覆蓋層及心墻堆石壩體的變形認(rèn)識(shí)不足,儀器的量程和電纜埋設(shè)方法不適應(yīng)這種變形。
南水北調(diào)中線穿黃隧洞采用內(nèi)外襯砌聯(lián)合結(jié)構(gòu),其中外襯為厚40 cm的C50鋼筋混凝土預(yù)制管片,內(nèi)襯為厚45 cm的后張法有粘結(jié)C40預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),要求內(nèi)外襯砌“結(jié)構(gòu)聯(lián)合,功能獨(dú)立”,即內(nèi)外襯砌分別獨(dú)立承受內(nèi)水壓力和外圍水土壓力。為實(shí)現(xiàn)各自獨(dú)立承載并及時(shí)排水的要求,內(nèi)外襯砌之間設(shè)排水墊層,要求排水墊層內(nèi)滲壓水位不得超過高程90 m,因而排水墊層滲壓監(jiān)測(cè)就成為確保整個(gè)工程安全的重要監(jiān)控手段。鑒于該工程為一等工程,設(shè)計(jì)使用期為150年,滲壓計(jì)的有效使用壽命為20年,為保證對(duì)排水墊層內(nèi)的滲壓實(shí)施長(zhǎng)期有效的監(jiān)測(cè),必須提供可更新滲壓計(jì)的條件。鑒于在確保內(nèi)襯安全受力條件下打穿45 cm預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土內(nèi)襯更新滲壓計(jì)頗為困難,滲壓計(jì)長(zhǎng)期有效監(jiān)測(cè)已成為該工程一大難題。
(4)安全監(jiān)測(cè)必須與巡視相結(jié)合。
當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)儀器都采用單點(diǎn)監(jiān)測(cè)的方法,雖然監(jiān)測(cè)資料能反映各建筑物相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的工作狀態(tài),但監(jiān)測(cè)部位很難恰恰是大壩出事點(diǎn),相應(yīng)也就不能及時(shí)捕捉到建筑物異常事件的發(fā)生和發(fā)展過程,往往會(huì)丟失搶險(xiǎn)的最佳時(shí)間。如1971年美國(guó)提堂土壩右岸一個(gè)較窄的斷層突然發(fā)生管涌,不到6 h土壩就潰壩,而監(jiān)測(cè)儀器對(duì)此卻沒有記錄。因此,只有儀器監(jiān)測(cè)是不夠的,必須同時(shí)開展巡視檢查。
巡視檢查是監(jiān)視工程安全運(yùn)行性狀的重要組成部分,有時(shí)也是監(jiān)測(cè)資料的重要補(bǔ)充。岸坡的開裂、變位,可以在巡視中及時(shí)發(fā)現(xiàn);大壩一些異?,F(xiàn)象,如裂縫產(chǎn)生、新增滲漏點(diǎn)、壩體和壩基的滲流破壞、混凝土沖刷和凍融、壩基析出物、局部變形等等,這些缺陷常無法在監(jiān)測(cè)資料中反映,但可在巡視中發(fā)現(xiàn)。當(dāng)巡視發(fā)現(xiàn)異?,F(xiàn)象急劇變化時(shí),往往意味著事故即將發(fā)生。因而在加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)工作的同時(shí),應(yīng)根據(jù)工程運(yùn)行的特點(diǎn),加強(qiáng)巡視檢查工作,特別加強(qiáng)開挖施工期、初期蓄水期、洪水期、暴雨期等的巡視檢查工作。
(5)關(guān)注安全評(píng)價(jià)的綜合評(píng)判要求。
當(dāng)前安全監(jiān)測(cè)工作常分為安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)資料分析及安全評(píng)價(jià)等五個(gè)部分,在監(jiān)測(cè)資料分析中又往往分監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可靠性和完備性檢查以及安全監(jiān)測(cè)資料分析兩部分。上述五個(gè)工作,本應(yīng)當(dāng)由監(jiān)測(cè)資料分析單位統(tǒng)一匯總專項(xiàng)分析,但由于種種原因,上述工作常各自分割,分別由不同單位和不同人員承擔(dān)。由于資料分析人員常不熟悉工程特點(diǎn)及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)意圖,不了解監(jiān)測(cè)資料的地質(zhì)背景和工程施工質(zhì)量,真正意義上的分析工作常轉(zhuǎn)嫁到安全評(píng)價(jià)人員身上,這種分割和轉(zhuǎn)嫁,加大了安全評(píng)價(jià)工作難度,并對(duì)安全評(píng)價(jià)人員提出了很高的技術(shù)要求。鑒于安全評(píng)價(jià)人員往往并非監(jiān)測(cè)專業(yè)人員,海量的監(jiān)測(cè)資料、復(fù)雜的工程背景及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)間錯(cuò)綜復(fù)雜的關(guān)系,真正讀懂監(jiān)測(cè)資料分析報(bào)告本已不易,而要在此基礎(chǔ)上對(duì)建筑物安全性做出正確評(píng)判,可能更難。為了能科學(xué)地做出評(píng)價(jià)結(jié)論,除了繼續(xù)發(fā)揚(yáng)評(píng)價(jià)人員高度的責(zé)任心外,還應(yīng)根據(jù)不同問題,提供較為充足的檢驗(yàn)及綜合分析資料的時(shí)間。
一個(gè)水利水電工程往往埋設(shè)數(shù)百甚至數(shù)千支監(jiān)測(cè)設(shè)備,擁有海量數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)是各自獨(dú)立的,有時(shí)是紊亂的,資料分析前必須對(duì)監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行檢查,必須去偽存真,保證資料的可靠性和完整性。
2.1 數(shù)據(jù)檢查
應(yīng)首先對(duì)比人工監(jiān)測(cè)成果與自動(dòng)監(jiān)測(cè)成果,檢查數(shù)據(jù)是否缺失、連續(xù),對(duì)異常數(shù)據(jù)宜首先赴工地檢查,區(qū)分是儀器問題還是監(jiān)測(cè)的問題。如果是監(jiān)測(cè)問題,可通過現(xiàn)場(chǎng)檢查及時(shí)修正,如是儀器問題,則應(yīng)盡力查明原因及時(shí)更換。更換儀器后需注意測(cè)值的銜接,努力消除系統(tǒng)誤差。
2.1.1努力查明數(shù)據(jù)缺失原因
蜀河水電站位于漢江中游,裝6臺(tái)45 MW貫流發(fā)電機(jī)組,N=270 MW,重現(xiàn)期1 000年洪峰流量Q=38 000 m3/s,壩址處河谷寬高比為3.2。為適應(yīng)狹窄河谷大流量泄洪要求,采用貫流機(jī)組廠房?jī)?nèi)泄洪方式布置,即除貫流機(jī)組頂部設(shè)流道泄洪外,在廠房左側(cè)設(shè)5個(gè)12 m×21.5 m泄洪表孔,單扇閘門總推力50 360 kN,略小于三峽弧門推力,需在4.5 m寬的閘墩中布置30束3 000 kN級(jí)錨索,其中主索拉拔系數(shù)2.38,次索拉拔系數(shù)2.54。相應(yīng)主錨索設(shè)計(jì)永存噸位4 100 kN,次錨索設(shè)計(jì)永存噸位3 850 kN。為監(jiān)測(cè)預(yù)應(yīng)力閘墩的工作性態(tài),在1號(hào)和5號(hào)閘墩中共布置20支預(yù)應(yīng)力錨索測(cè)力計(jì)。目前1號(hào)閘墩測(cè)力計(jì)全部失效,僅存5號(hào)閘墩9支測(cè)力計(jì),測(cè)力計(jì)成功率45%。蓄水后,截至2014年12月,殘存的9支測(cè)力計(jì)中實(shí)測(cè)拉力:主錨索的平均值為4 052 kN,最小為3 589 kN,小于設(shè)計(jì)永存噸位;次錨索平均測(cè)值為3 532 kN,低于設(shè)計(jì)永存噸位3 850 kN;即主索預(yù)應(yīng)力損失11.09%~21.97%,次索 8.54%~45.82%,明顯大于規(guī)范規(guī)定的允許損失值10%,小于設(shè)計(jì)的永存噸位,且仍未收斂。根據(jù)實(shí)測(cè)最小拉力的三維有限元計(jì)算成果,5號(hào)閘門必須在低于正常蓄水位下2 m啟閉,才能保證閘墩安全。鑒于此事關(guān)系重大,5號(hào)閘墩工作性態(tài)可能代表其他閘墩工作狀態(tài),為此不僅需要查明5號(hào)閘室已壞測(cè)力計(jì)損壞原因,還需查明1號(hào)閘室10支測(cè)力計(jì)損壞原因,還要分析近年來閘室實(shí)際啟閉與泄洪狀態(tài),還得查明各閘墩混凝土及預(yù)應(yīng)力錨索施工狀況及閘墩中鋼筋計(jì)應(yīng)力和混凝土閘墩裂縫狀態(tài)……綜合閘墩施工及歷年運(yùn)行狀況,考慮原設(shè)計(jì)拉拔系數(shù)及鋼筋工作狀況,考慮截至目前未見裂縫的現(xiàn)實(shí)狀況,最后認(rèn)為目前蜀河閘墩運(yùn)行正常,但需加強(qiáng)觀測(cè)。
2.1.2正確處理中斷數(shù)據(jù)
城東水庫2009年蓄水,閘基為超固結(jié)粘土狀強(qiáng)風(fēng)化泥巖,在滲透水流作用下,閘基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)孔出現(xiàn)不同程度的淤堵,其中6號(hào)孔的滲壓水位超過庫水位,其他滲壓測(cè)值紊亂無規(guī)律,同時(shí)由于業(yè)主的變更,被迫停測(cè),最后重新補(bǔ)打測(cè)壓管。鑒于測(cè)值中斷12年,監(jiān)測(cè)點(diǎn)、觀測(cè)儀器和觀測(cè)人員都發(fā)生了變化,中斷的資料很難恢復(fù),原則上不能再把數(shù)據(jù)整合起來統(tǒng)一分析,但可分段分析變位量和揚(yáng)壓力的折減系數(shù)。
2.1.3正確處理異常數(shù)據(jù)
受小動(dòng)物或人為擾動(dòng),監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)短時(shí)間波動(dòng),但很快恢復(fù),或雖不可恢復(fù),但不影響前后時(shí)段正常監(jiān)測(cè),可刪除該波動(dòng)段數(shù)據(jù),修正后正常分析。
圖1 城東電站水平變位資料中斷12年,無法分析變化發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 12-year monitoring data lacked,resulting in incapability of development trend analysis
圖2 瀑布溝下游壩坡TP22測(cè)值連續(xù)但反常Fig.2 Abnormalmonitoring data by TP22 on the downstream slope of Pubugou dam
瀑布溝水電站礫石土心墻壩下游壩坡的TP22測(cè)點(diǎn),因人為動(dòng)過,在2011年9~10月間,垂直變位異常,由原來沉降變?yōu)樘?,并向上游變位,該?shù)據(jù)無法直接利用,但變動(dòng)后測(cè)值仍然連續(xù),變化規(guī)律仍符合正常規(guī)律,可將其2011年9~10月數(shù)據(jù)刪除,并按總的變化規(guī)律修正,修正后的2011年10月后測(cè)值仍可繼續(xù)使用。
2.1.4努力消除系統(tǒng)誤差
石門拱壩在原始觀測(cè)數(shù)據(jù)整編中,曾經(jīng)把帶有系統(tǒng)誤差的位移資料提供給計(jì)算分析,得出壩基“異動(dòng)”之說,考證清楚消除系統(tǒng)誤差后,才得出正確結(jié)論。
2.2 去偽存真
(1)對(duì)測(cè)值連續(xù)、但受到某些影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)無法直接應(yīng)用時(shí),不要輕易否定,宜綜合其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及建筑物運(yùn)行性態(tài),努力對(duì)建筑物運(yùn)行性態(tài)做出宏觀評(píng)判。
金康水電站的閘壩建于堰塞湖尾的覆蓋層上,2005年10月在閘壩頂部安裝了引張線。蓄水后,閘壩發(fā)生了較大水平變位,2007年1~9月引張線碰壁,壩體水平變位測(cè)值幾乎不變,調(diào)整管道后繼續(xù)使用,2012年再次碰壁。嚴(yán)格講兩次碰壁后資料系統(tǒng)性不好,很難直接使用,但兩次碰壁反映出變位很大,綜合右壩頭壩體的斷裂、左壩肩與廠房進(jìn)水口結(jié)構(gòu)縫張開2~5 cm的變位,可判斷閘壩向下游方向發(fā)生較大變位,變形速率不小于8 mm/a,且尚未收斂。
(2)測(cè)值連續(xù)可信,但由于某原因,計(jì)算成果違反常規(guī),無法使用,宜努力查找原因,確實(shí)無法挽回時(shí),宜按規(guī)定封存處理。
海甸峽碾壓混凝土重力壩布置兩個(gè)壩體應(yīng)力監(jiān)測(cè)斷面,共埋設(shè)8組五向應(yīng)變片及無應(yīng)力計(jì),蓄水后各應(yīng)變片的測(cè)值連續(xù)性較好,且均為壓應(yīng)變,但6個(gè)測(cè)點(diǎn)的計(jì)算應(yīng)力均為拉應(yīng)力,即重力壩3/4范圍均為拉應(yīng)力,且最大拉應(yīng)力1.36 MPa,該成果明顯不符合重力壩設(shè)計(jì)原則,分析認(rèn)為與無應(yīng)力計(jì)埋設(shè)有關(guān)。雖然應(yīng)力計(jì)算值無法使用,但應(yīng)變計(jì)所反映的壓縮變形及其壓應(yīng)變的變化規(guī)律仍可使用。
3.1 重視環(huán)境量監(jiān)測(cè),全面了解監(jiān)測(cè)成果相應(yīng)的環(huán)境條件
圖3 金康EX6測(cè)點(diǎn)從2006年4月1日~2011年4月1日水平變形監(jiān)測(cè)成果Fig.3 Monitoring data of horizontaldeformation by EX 6 of Jinkang dam from April 1 2006 to April 1 2011
任何一組監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都是在特定外部環(huán)境下對(duì)建筑物運(yùn)行性態(tài)的反映,離開外部環(huán)境僅做數(shù)據(jù)分析就會(huì)失去具體工程含義。重視環(huán)境量監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)資料分析時(shí)注明與此相關(guān)的環(huán)境量,如測(cè)點(diǎn)位置、地質(zhì)條件、監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)條件、上下游水位、平均氣溫、氣溫驟降或持續(xù)高溫、降水、水溫等,才能與設(shè)計(jì)成果對(duì)比,便于對(duì)建筑物運(yùn)行性態(tài)進(jìn)行評(píng)判。
3.2 提出合理監(jiān)控指標(biāo)
3.2.1明確監(jiān)控指標(biāo)
監(jiān)測(cè)資料分析之前必須明確相應(yīng)的監(jiān)控指標(biāo)。監(jiān)控指標(biāo)可以來自于規(guī)程規(guī)范,如土石壩沉降變形不宜超過壩高的1%、土基上水閘累計(jì)沉降不宜大于15 cm,不均勻沉降不宜大于5 cm等;監(jiān)控指標(biāo)也可來自計(jì)算成果,如允許應(yīng)力、允許變位等;監(jiān)控指標(biāo)更多可來自工程實(shí)踐,如庫容小于500萬m3無自然補(bǔ)充水源的抽水蓄能電站,上庫年滲漏量宜小于庫容的0.2‰~0.5‰,根據(jù)40多座土石壩滲漏及運(yùn)行狀況,提出土石壩滲漏量不宜大于10 L/萬m2等,也可作為監(jiān)控指標(biāo)。
表1 土石壩體滲漏量控制指標(biāo)Table 1 Control indexes for seepage of earth and rockfilldam
需要注意的是,由于計(jì)算成果往往取決于計(jì)算假定及計(jì)算參數(shù),問題較為復(fù)雜,在安全評(píng)價(jià)和鑒定中,計(jì)算成果往往只能是評(píng)判的重要參考。另外還需要注意的是,每一個(gè)指標(biāo)都對(duì)應(yīng)于具體條件,無視條件的差異就會(huì)引起判斷的錯(cuò)誤。如仙游抽水蓄能電站上庫庫容1 706萬m3,自然來水0.155 m3/s,水庫蓄水后大壩漏水48.25 L/s,處理后仍漏水30 L/s。對(duì)于一般抽水蓄能電站,需要加大抽水來維持正常運(yùn)行,顯然不能接受,但對(duì)于有0.155 m3/s自然來水的上庫,卻不再是抽水的問題,而是完善壩體壩基防滲,問題的性質(zhì)和要求均不一樣了。
目前,安全評(píng)價(jià)和安全鑒定中監(jiān)控指標(biāo)尚不完善,同一個(gè)問題往往會(huì)有不同評(píng)價(jià)結(jié)論,因而深入實(shí)際,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),積累資料,逐步完善監(jiān)控指標(biāo),可能是進(jìn)一步提升安全評(píng)價(jià)和安全鑒定工作的需要。
3.2.2嚴(yán)格區(qū)分不同問題質(zhì)的界限
在當(dāng)前資料分析中,常常碰到不同質(zhì)的異?,F(xiàn)象,常需要判斷這些異?,F(xiàn)象的質(zhì)的界限,區(qū)別“異?!焙汀拔kU(xiǎn)”。
(1)區(qū)分揚(yáng)壓力測(cè)值異常的原因:揚(yáng)壓力的測(cè)值超標(biāo)是常見的現(xiàn)象,可由帷幕缺陷、測(cè)壓管或滲壓計(jì)淤堵及承壓水等原因造成,其表現(xiàn)形式不同,影響不同,處理方法也不同,宜嚴(yán)格區(qū)分。
(2)變形異常、結(jié)構(gòu)開裂及徐變與失穩(wěn):水工建筑物中常見到結(jié)構(gòu)變形異常和結(jié)構(gòu)開裂等現(xiàn)象,應(yīng)嚴(yán)格區(qū)分是徐變還是結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的前兆,并分別采取相應(yīng)觀測(cè)、補(bǔ)強(qiáng)、加固等處理措施。
表2 測(cè)壓管測(cè)值超標(biāo)原因分析及處理Table 2 Reason analysis for the overrange data monitored by the piezometer and its treatment
表3 建筑物失穩(wěn)與徐變分析表Table 3 Analysis on instability and creeping of the structure
(3)滲漏與滲流破壞:幾乎所有與水接觸的水工建筑物都會(huì)有一定量的滲漏,只要滲漏不危及工程安全和嚴(yán)重影響經(jīng)濟(jì)效益,允許一定的滲漏。滲流破壞是可能危及工程安全的危險(xiǎn)因素,不同建筑材料滲流破壞的發(fā)展速度和危害程度不一樣,相應(yīng)給予的搶險(xiǎn)時(shí)間不一樣,宜區(qū)別對(duì)待。
表4 滲漏與滲流破壞分析表Table 4 Analysis on seepage and seepage failure
3.3 既關(guān)注變化量,也關(guān)注變化速率,還要關(guān)注對(duì)建筑物的影響
金康電站閘壩最大高度20 m,覆蓋層最大厚度92 m,為監(jiān)測(cè)大壩變位,在壩頂上游側(cè)布置一條引張線。2006年水庫蓄水,監(jiān)測(cè)成果表明:所有水平變位測(cè)值無明顯突變現(xiàn)象,監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可信。十個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)值與水位關(guān)系不密切,與時(shí)間關(guān)系密切,均表現(xiàn)出明顯流變特性,且至2012年尚未收斂,其中3號(hào)重力壩段左側(cè)EX6點(diǎn),2006年4月1日~2011年4月1日,向下游變位42.73 mm,變化速率為8.54 mm/a。其水平變位量值和變化速率遠(yuǎn)大于耿達(dá)、映秀灣及其他覆蓋層上的閘壩,在我國(guó)屬較大的典型徐變。與此同時(shí),由于右岸基巖與覆蓋層的不均勻變形,右岸重力壩段發(fā)生斜向貫穿裂縫,該裂縫從上游貫穿至下游,從壩頂貫穿至壩基,致使該壩段解體。由于覆蓋層的徐變,因水壓力作用方向不同,與閘壩斜交的電站進(jìn)水口與閘壩間的結(jié)構(gòu)縫最大張開5 cm,金康閘壩的水平變位不僅量大,且未收斂,而且已造成壩體解體,必須立即處理。
3.3.1正確判斷“正常”、“異常”、“危險(xiǎn)”
(1)根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn),設(shè)計(jì)提出:冶勒和茅坪溪瀝青混凝土心墻壩中瀝青混凝土壓應(yīng)變≤10 000με。蓄水后,冶勒瀝青混凝土心墻實(shí)測(cè)最大拉應(yīng)變?yōu)? 129με,實(shí)測(cè)最大壓應(yīng)變?yōu)?5 050με,且下游側(cè)應(yīng)變?cè)隽看笥谏嫌蝹?cè)應(yīng)變?cè)隽?。茅坪溪瀝青混凝土心墻101~116 m高程處實(shí)測(cè)壓應(yīng)變?yōu)?4 000~59 000με,均明顯超過設(shè)計(jì)要求,屬于異常現(xiàn)象??紤]到瀝青混凝土心墻比較單薄,澆筑碾壓時(shí)溫度較高,無法像普通混凝土結(jié)構(gòu)那樣埋設(shè)應(yīng)變計(jì)組,冶勒只能在心墻5個(gè)剖面的上下游面每5 m垂直向布設(shè)一支應(yīng)變計(jì),并用錨固板將應(yīng)變計(jì)固定在心墻上下游壁上。應(yīng)變計(jì)距心墻側(cè)面尚有5~10 cm距離,實(shí)際埋設(shè)于過渡層中,這樣埋設(shè)方式所反映的瀝青混凝土心墻應(yīng)變狀態(tài)只能供參考,不能簡(jiǎn)單地以“異?!碧幚怼?/p>
(2)小浪底1999年蓄水至2008年,心墻內(nèi)未形成穩(wěn)定的浸潤(rùn)線。心墻內(nèi)11支滲壓計(jì)測(cè)值均處于高值,其中B-B剖面180 m高程的P116、P117、P118測(cè)值均高于同期庫水位,其中2002年高于庫水位約50 m。幾年后,孔隙水壓力隨庫水位上升而緩慢增加,但超過同期庫水位的數(shù)值在減少,如P116測(cè)值2006年僅高于庫水位10 m。除C-C剖面P152隨時(shí)間增加有消散外,其余10個(gè)測(cè)值尚無消散跡象。
心墻內(nèi)滲壓計(jì)實(shí)測(cè)水位高于同期庫水位50 m,該現(xiàn)象有可能被認(rèn)為是“異?!保@正反映了壤土心墻的滲流特點(diǎn)及孔隙水壓力逐步消散的過程,也正展示著心墻的拱效應(yīng)及水力劈裂的復(fù)雜性。
圖4 冶勒0+220斷面心墻SX22測(cè)點(diǎn)應(yīng)變過程線圖Fig.4 Graph of strain monitored by SX 22 of the core wallof section 0+220 of Yele dam
圖5 小浪底心墻B-B剖面180 m高程附近P116實(shí)測(cè)孔隙水壓力曲線Fig.5 Pore water pressure monitored by P116 of the core wall on section B-B on elevation 180 m
(3)小浪底水庫蓄水以來,左右岸壩基及壩后水塘最大漏水56 506 m3/d,其中左岸30號(hào)平洞內(nèi)單孔漏水量約10 L/s。壩體開裂,裂縫長(zhǎng)627 m,深3.9m,最大裂縫寬15 cm,但未見兩者之間有直接聯(lián)系,且所有滲水均為清水,未見滲流破壞現(xiàn)象,壩頂雖然開裂,但為淺層裂縫,逐步收斂。上述現(xiàn)象均屬異常,但并不屬險(xiǎn)情,在加強(qiáng)監(jiān)測(cè)適當(dāng)處理情況下,大壩仍可正常工作,實(shí)踐證明這個(gè)判斷是正確的。
3.3.2慎重對(duì)待異常數(shù)據(jù)
三峽水庫蓄水至175 m高程后,重力壩垂直和水平變位雖有發(fā)展趨勢(shì),但變位較小,最大水平變位22.69 mm,最大沉降25.97 mm,壩基總滲量7.9 L/s,揚(yáng)壓力折減系數(shù)為0.23,大壩運(yùn)行正常。實(shí)測(cè)資料表明,蓄水后壩踵壓應(yīng)力雖有所減小,但三峽右廠17號(hào)壩段壩踵壓應(yīng)力4.13 MPa,壩趾應(yīng)力為2.66 MPa,壩踵應(yīng)力仍大于壩趾應(yīng)力,同時(shí)縱縫未閉合,該結(jié)果不符合蓄水后重力壩壩基應(yīng)力分布規(guī)律。對(duì)這種現(xiàn)象有多種解釋:如壩體混凝土濕脹影響、大壩縱縫未閉合水荷載尚未完全傳遞至全壩、庫盆沉降、還有的認(rèn)為材料力學(xué)計(jì)算結(jié)果不符合高重力壩,也不能排除蓄水前混凝土初凝階段塑性變形、后澆塊自重對(duì)監(jiān)測(cè)儀器的影響……鑒于目前壩基應(yīng)力均為壓應(yīng)力,尚未超過壩基承載能力,不影響大壩安全,且計(jì)算表明,縱縫雖尚未閉合,但不影響大壩抗震性能,決定加強(qiáng)觀測(cè)及分析研究。
3.3.3努力查找異常原因
城東電站正常蓄水位450 m,2012年重新施工揚(yáng)壓力觀測(cè)孔??⒐げ痪?,15個(gè)測(cè)壓管中有7個(gè)實(shí)測(cè)揚(yáng)壓力折減系數(shù)大于設(shè)計(jì)采用值,其中Up1-1、Up4-1測(cè)值較高,揚(yáng)壓力折減系數(shù)分別為0.522和0.925,且一直分別維持在444 m高程和449 m高程左右,與庫水位變化無關(guān),但孔底的水質(zhì)為強(qiáng)堿水,似乎與承壓水位有關(guān)。考慮承壓水尚難查清,更難控制,在不危及工程安全的前提下,原則上不要擾動(dòng),加強(qiáng)觀測(cè)。而Up5-1、Up5-2、Up6-1和Up6-2測(cè)值較高,揚(yáng)壓力折減系數(shù)超標(biāo)(0.452~0.603),滲壓水位與庫水位關(guān)系密切,幾乎同步。由于該電站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目少,僅壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)和壩頂外部變位監(jiān)測(cè),無法得知滲漏水量,也無法看到析出物,但Up5-1、Up5-2、Up6-1、Up6-2孔底的水質(zhì)與庫水相近,似乎說明防滲帷幕的防滲效果欠佳,帷幕可能需補(bǔ)強(qiáng)灌漿。
4.1 分析影響因素、判斷發(fā)展趨勢(shì)
監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是既定地質(zhì)條件下,建筑物在可變荷載作用下的工作性態(tài)的表現(xiàn),影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可變因素主要是水荷載及溫度和時(shí)效,分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí),除利用多元相關(guān)數(shù)學(xué)模型法外,還必須切實(shí)關(guān)注地質(zhì)因素及上述因素的綜合影響。
圖6 城東Up4-1測(cè)壓管水位測(cè)值與庫水位變化無關(guān)Fig.6 Water levelmonitored by piezometer Up4-1 is irrelevant to reservoir level
圖7 城東Up5-1測(cè)壓管水位測(cè)值與庫水位變化關(guān)系密切Fig.7 Water levelmonitored by piezometer Up5-1 is closely related to reservoir level
(1)小灣電站壩基巖體為黑云母花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖,巖石堅(jiān)硬~極堅(jiān)硬,飽和抗壓強(qiáng)度大于90 MPa,變形模量16~22 GPa,地應(yīng)力8~17 MPa。開挖過程中壩基淺表部巖體出現(xiàn)較為嚴(yán)重的卸荷現(xiàn)象,為此975 m高程以下巖體采取二次開挖、超前錨固、及時(shí)預(yù)應(yīng)力錨固處理,同時(shí)還加強(qiáng)清基、加強(qiáng)固結(jié)灌漿,相應(yīng)最低建基面高程從953 m降至950.5m(降低2.5 m)。另外最大開挖寬度30.5 m的地下主廠房圍巖變形雖已收斂,但最大變位116 mm,閘門井圍巖變位77.27 mm,泄洪洞圍巖變位42.88 mm,該圍巖卸荷回彈變形在國(guó)內(nèi)屬較大的,為此在分析上述監(jiān)測(cè)資料時(shí),不僅要關(guān)注上述測(cè)點(diǎn)附近的地質(zhì)條件,同時(shí)要關(guān)注黑云母花崗片麻巖和角閃斜長(zhǎng)片麻巖的巖層裂隙走向、卸荷特性等。
(2)陳村重力拱壩壩高76.3 m,1968年建成。2000年以來,壩體徑向位移存在著整體向上游增大的趨勢(shì),2000~2007年倒垂實(shí)測(cè)極值為5.25 mm,大于1973~1999年27年極值3.74 mm,增值1.53 mm,相應(yīng)左側(cè)的8號(hào)壩段和右側(cè)的26號(hào)壩段極值分別為5.62 mm和3.25 mm,分別大于1973~1999年27年極值1.05 mm和0.07 mm。下游壩面105 m高程X18-1裂縫開度加大,最大為4.29 mm,比1987年增大1.02 mm……綜合裂縫深度物探資料,某科研單位認(rèn)為陳村大壩已前傾變形,大壩壩頂裂縫與壩體內(nèi)105 m高程裂縫相交,已將壩體切割成壩塊,在縫內(nèi)滲水壓力和地震作用下,該塊體將失穩(wěn)并要掉落水庫中,威脅整個(gè)大壩安全,需對(duì)穿預(yù)應(yīng)力錨索加固。
但進(jìn)一步分析看到:2000~2007年恰逢高溫枯水年,庫水位平均107.85 m,較1974~2007多年平均水位降低2.53 m,平均氣溫16.58℃,較1974~2007多年平均氣溫15.9℃高0.68℃,這可能是這幾年內(nèi)壩體徑向變位增大的主要原因。如果把2000~2007年實(shí)測(cè)資料納入40多年長(zhǎng)系列資料一并分析,這幾年徑向變位的增大仍處于正常范圍。經(jīng)對(duì)關(guān)鍵裂縫鉆孔檢查,上述裂縫并未貫通,虛驚一場(chǎng)。
圖8 陳村壩體正垂徑向變位、裂縫與橫縫開度實(shí)測(cè)變化曲線Fig.8 Monitored radialdisplacement and the opening of cracks and transverse joint of Chencun dam
該實(shí)例證明:監(jiān)測(cè)資料分析不是簡(jiǎn)單的數(shù)字統(tǒng)計(jì)分析,必須結(jié)合地質(zhì)、氣溫、水荷載等影響因素,區(qū)分原委,綜合評(píng)判。
(3)拉西瓦電站右岸進(jìn)水口上游500~1 700 m水庫正常高水位以上約500 m處,有果卜岸坡坐落體,該坐落體頂3 000 m高程有一平臺(tái),長(zhǎng)750 m,寬50~290 m,面積11.5萬m2,后緣有20 m高坐落陡坎,臺(tái)上有多道拉裂縫及落水洞,坐落體總方量約3 000萬m3??碧狡陂g認(rèn)為該坐落體與庫水無聯(lián)系,且已處于穩(wěn)定狀態(tài)。
2009年3月拉西瓦水庫下閘蓄水,2010年2月水庫水位達(dá)2 400 m。巡視發(fā)現(xiàn):果卜平臺(tái)及岸坡多處發(fā)現(xiàn)裂縫及較大變位,岸坡前緣局部崩塌破壞,自2009年8月15日~2015年8月23日,頂部平臺(tái)前緣K1點(diǎn)綜合變位39.894 m,果卜主變形區(qū)的變形速率受庫水位抬升影響明顯,且與庫水位變化規(guī)律一致。暴雨對(duì)果卜岸坡的表面變形影響較大,一般3 d左右變形速率達(dá)到最大值,之后逐漸減小,暴雨對(duì)岸坡的影響大于平臺(tái),對(duì)表面影響大于內(nèi)部。2015年8月綜合速率18.2 mm/d,其中水平向變形速率14.0 mm/d,垂直向-11.6 mm/d。隨著庫水位抬升,變形速率有逐步平緩趨勢(shì)。
圖9 果卜3號(hào)梁綜合變位圖Fig.9 Comprehensive displacement of the beam No.3
果卜岸坡最大綜合坐落變形39.894 m,變形速率18.22 mm/d,但岸坡并未發(fā)生大范圍滑塌,這在國(guó)內(nèi)外均為罕見。圍繞果卜岸坡的坐落變形,邀請(qǐng)十余家大專院校及科研單位,多次召開研討會(huì),共同探討果卜岸坡變形的機(jī)制、觸發(fā)因素、穩(wěn)定條件、變形預(yù)測(cè)等。分析認(rèn)為:拉西瓦高地應(yīng)力地區(qū)卸荷裂隙發(fā)育,可與庫水相交,但與底部基巖相連,緩傾結(jié)構(gòu)面不發(fā)育,岸坡內(nèi)密度大的NE向結(jié)構(gòu)面是岸坡產(chǎn)生傾倒變形的決定性構(gòu)造條件,NNW-SE向陡傾岸內(nèi)的結(jié)構(gòu)面是產(chǎn)生拉張陷落變形的構(gòu)造條件,上述因素共同構(gòu)成果卜岸坡可隨庫水位變化、坐落但未發(fā)生大面積滑塌的原因。
圖10 果卜坐落體地質(zhì)剖面圖Fig.10 Geology of the Guobo section
4.2 綜合水文、地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行及有關(guān)的監(jiān)測(cè)成果科學(xué)判斷
彭水水電站地下廠房裝機(jī)1 750 MW,主廠房尺寸252 m×30 m×76.5 m,圍巖為奧陶系南津關(guān)組灰?guī)r,巖層產(chǎn)狀NE 25°、NW∠68-70°,傾向上游,圍巖中共揭露出8條軟弱夾層,多為弱風(fēng)化頁巖,其中巖錨梁上游邊墻上出露404、402、305軟弱夾層。為避開巖溶系統(tǒng),地下廠房軸線平行巖層走向,巖錨梁緊貼軟弱夾層布置。巖錨梁寬2.0 m,高2.8m,C30二級(jí)配混凝土。按規(guī)范要求,巖錨梁按靜力平衡原理計(jì)算,并參照同類工程設(shè)計(jì),采用兩排? 36、長(zhǎng)12 m、間排距0.5 m的錨桿將巖錨梁錨固于圍巖上。
施工期間,地下廠房施工期圍巖變形最大達(dá)4 cm左右。由于巖錨梁附近軟弱夾層等影響,在0+070~0+204段(約130 m)、高程229.5~232 m巖錨梁附近的圍巖垮塌100~150 m3。
為監(jiān)測(cè)巖錨梁的工作性狀,在巖錨梁上布置38根錨桿應(yīng)力計(jì)、17支測(cè)縫計(jì)和17支位錯(cuò)計(jì)。測(cè)縫計(jì)中,除一個(gè)測(cè)點(diǎn)外,其余16個(gè)測(cè)值都表明巖錨梁與基巖結(jié)合面呈張開狀態(tài),至2013年開度尚未收斂,其中5號(hào)機(jī)組段0+36.2上游側(cè)、233.4 m高程測(cè)縫計(jì)開度1.46 mm,且以0.14 mm/a變化速率發(fā)展。而17支位錯(cuò)計(jì)測(cè)值均不同程度表明巖錨梁與巖壁間已發(fā)生錯(cuò)位,最大位錯(cuò)發(fā)生于0+215.5 m下游側(cè)233.4m高程處(W03ZCA),為0.54 mm,也尚未收斂,最大變形速率為0.08 mm/a。巖錨梁的錨桿應(yīng)力計(jì)成功率較低,有相當(dāng)多的錨桿測(cè)力計(jì)損壞。考慮到地下廠房軸線平行巖層走向,巖錨梁附近圍巖中陡傾角軟弱夾層發(fā)育,受圍巖卸荷回彈變形影響,巖錨梁與圍巖間存在錯(cuò)位及錨桿應(yīng)力計(jì)損壞的可能,為此建議業(yè)主現(xiàn)場(chǎng)仔細(xì)檢查巖錨梁及附近巖體縱向裂縫發(fā)展情況,分析眾多錨桿應(yīng)力計(jì)失效原因,并委托設(shè)計(jì)單位,根據(jù)地質(zhì)、設(shè)計(jì)、監(jiān)測(cè)成果及巖壁梁的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài),分析原因、評(píng)價(jià)圍巖穩(wěn)定狀況,提出警戒值及處理建議。業(yè)主已接受該建議,已委托有關(guān)單位調(diào)查并提出相應(yīng)處理方案。
安全監(jiān)測(cè)是了解工程運(yùn)行性狀的耳目,安全監(jiān)測(cè)資料是安全鑒定和安全評(píng)價(jià)的重要依據(jù),安全監(jiān)測(cè)資料分析不是簡(jiǎn)單的數(shù)理統(tǒng)計(jì),而是在數(shù)據(jù)采集和分析基礎(chǔ)上的異常現(xiàn)象的辨識(shí),也是對(duì)異常原因和發(fā)展趨勢(shì)的分析,還是對(duì)處理意見的建議,同時(shí)還是對(duì)工程安全性的初步評(píng)判。為了確保工程安全,必須切實(shí)加強(qiáng)安全監(jiān)測(cè)和資料分析工作。 ■
[1]水利部水規(guī)總院,中國(guó)水科院.小浪底水利樞紐工程竣工前補(bǔ)充安全鑒定報(bào)告[R].2002.
[2]烏江彭水水電站安全驗(yàn)收評(píng)價(jià)報(bào)告水電咨詢公司.彭水水電站大壩安全定檢報(bào)告[R].2013.
[3]劉世煌,汪振,王友春.城東電站大壩壩基安全性評(píng)價(jià)[R].2016.
作者郵箱:liushihuang3320@sina.com
Discussion on safety monitoring data analysis during safety assessment
by LIU Shi-huang
Based on engineering practice of safety assessment,this paper discusses the basic require?ment and function of safety monitoring data analysis during safety assessment.Then,combined with some cases,the paper studies the method ofabnormalmonitoring data analysis.Furthermore,itconveys the importance ofimplementing safety and risk monitoring,as wellas the importance ofidentification of projectoperation status by this abnormalmonitoring data.
safety assessment;safety monitoring data;risk control
TV698.1
A
1671-1092(2017)01-0034-10
2016-07-19;
2016-12-07
劉世煌(1941-),男,江蘇南京人,教授級(jí)高級(jí)工程師,從事水利水電工程勘測(cè)、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、研究、設(shè)計(jì)審查、工程咨詢、安全評(píng)價(jià)和安全鑒定等工作。