柔性測斜儀在300 m級高礫石土心墻壩沉降監(jiān)測中的應(yīng)用研究

張 坤，彭巨為

（中國電建成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610072）

1 心墻沉降監(jiān)測新方法的提出

近年來國內(nèi)水電筑壩技術(shù)發(fā)展迅速，以兩河口（壩高295 m）、糯扎渡（壩高261.5 m）、長河壩（壩高240 m）和瀑布溝（壩高186 m）等水電站為代表的一批土石壩典型工程，將礫石土心墻堆石壩壩高逐步由100 m級提升至300 m級，使我國土石壩設(shè)計理論及施工技術(shù)達到國際先進水平。但有關(guān)土石壩安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用明顯滯后于土石壩筑壩技術(shù)，許多監(jiān)測儀器的適應(yīng)性仍然停留在100 m級壩高水平，傳統(tǒng)儀器尚難以完全適應(yīng)300 m級超高土石壩對安全監(jiān)測的要求，導(dǎo)致當前高土石壩變形監(jiān)測儀器存活率普遍偏低[1]。

高土石壩的沉降變形一直是工程關(guān)注的重點，直接關(guān)系到大壩能否安全穩(wěn)定運行。目前，堆石區(qū)變形主要采用水管式沉降儀和引張線水平位移計監(jiān)測，技術(shù)已經(jīng)比較成熟，監(jiān)測成果良好[2]。心墻沉降主要采用橫梁式沉降儀、大量程桿式位移計、電磁式沉降環(huán)等監(jiān)測。橫梁式沉降儀一般成串豎向布置，受心墻土體擠壓和自身掛重影響，電纜易受損破壞，沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)容易失真，儀器存活率普遍偏低。大量程桿式位移計一般在心墻內(nèi)分高程分段埋設(shè)，以適應(yīng)土體大沉降變形監(jiān)測需要，受心墻高土壓力和水壓力影響，后期部分儀器監(jiān)測數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳動，導(dǎo)致監(jiān)測數(shù)據(jù)失真。電磁式沉降環(huán)一般與測斜管或電磁沉降導(dǎo)管配套使用，許多工程經(jīng)驗表明壩高超過160 m后，測斜管（沉降導(dǎo)管）容易出現(xiàn)擠壓破壞，導(dǎo)致沉降環(huán)報廢，因此，心墻沉降監(jiān)測一直缺乏有效的技術(shù)方法和手段。

另外，考慮到經(jīng)濟性和必要性，高土石壩傳統(tǒng)監(jiān)測儀器一般都呈豎向測線布置，而高土石壩一般位于“V”型高山峽谷中，要獲得順河向不同筑壩材料的沉降變形分布、橫河向心墻不均勻變形及其拱效應(yīng)分析、接觸粘土與礫石土的沉降變形規(guī)律等，僅靠有限的傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)手段是難以實現(xiàn)的，因此高土石壩變形關(guān)注的重點卻一直是土石壩心墻監(jiān)測的盲區(qū)。研究如何采用有效可靠的監(jiān)測手段對壩體心墻空間變形進行監(jiān)測是非常必要和急迫的。

與此同時，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，已涌現(xiàn)出一些高精度、高可靠性的新型監(jiān)測儀器，迫切需要將其應(yīng)用到高土石壩監(jiān)測領(lǐng)域，來解決高土石壩變形監(jiān)測的技術(shù)難題，這也是大勢所趨。當前柔性測斜儀、光纖陀螺儀等儀器，其技術(shù)上的突破使得這一應(yīng)用成為了可能[3]。

基于此，筆者提出了高土石壩心墻沉降監(jiān)測新型儀器——柔性測斜儀，介紹了柔性測斜儀在高土石壩中關(guān)鍵技術(shù)指標應(yīng)用研究，綜合分析了其在兩河口水電站中的工程應(yīng)用情況，認為目前柔性測斜儀總體滿足高土石壩心墻沉降變形監(jiān)測需要。

2 柔性測斜儀基本原理

陣列式位移計SAA（Shape Accel Array的縮寫，俗稱柔性測斜儀），它由多段連續(xù)節(jié)（segment）串接而成，內(nèi)部由微電子機械系統(tǒng)（MEMS）加速度計組成。每段節(jié)為一個固定的長度，一般為50 cm、100 cm。柔性測斜儀是剛性傳感陣列被柔性接頭分開，一個繩狀陣列式的傳感器和微處理器，陣列中所有的微處理器共用同一條數(shù)字通訊線路。

圖1 柔性測斜儀原理圖Fig.1 Principle of shape accel array

柔性測斜儀是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結(jié)構(gòu)內(nèi)的變形監(jiān)測傳感器，通常安裝在一個小套管中，只要使套管發(fā)生移動的任何變形，都能夠通過測量陣列式位移計的形狀變化準確得到。

柔性測斜儀基本原理是通過檢測各部分的重力場，可以計算出各段軸之間的彎曲角度θ，利用計算得到的彎曲角度和已知各段軸長度L（50 cm或100 cm），每段SAA的變形Δχ便可完全確定出來，即Δχ=θ·L，再對各段算術(shù)求和∑Δχ，可得到距固定端點任意長度的變形量χ。

柔性測斜儀具有3D測量、大量程、精度高、穩(wěn)定性高、可重復(fù)利用、自動實時采集等特點，被廣泛應(yīng)用于邊坡滑移、隧道、路基沉降、橋梁撓度、大壩位移等結(jié)構(gòu)物的變形監(jiān)測中[4]。

3 柔性測斜儀關(guān)鍵技術(shù)指標

目前國內(nèi)柔性測斜儀廠家（代理商）主要有北京博安達測控科技有限責任公司（代理加拿大Measurand Inc公司的柔性測斜儀，以下簡稱博安達）、北京盛科瑞科技有限公司（代理韓國柔性測斜儀，簡稱盛科瑞）和基康儀器（北京）股份有限公司（簡稱北京基康）三家。柔性測斜儀具有大量程、高精度、高穩(wěn)定性、自動實時采集等技術(shù)優(yōu)勢，但在高土石壩大變形、高水壓力、高土壓力等環(huán)境中的應(yīng)用仍為空白，因此對柔性測斜儀的相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)指標進行梳理分析。

3.1 適應(yīng)大變形、不均勻變形方面

柔性測斜儀各傳感器節(jié)點之間采用可自由彎曲的柔性萬向節(jié)連接，因而可以適應(yīng)監(jiān)測界面的較大變形，同時由于各柔性節(jié)點可360°自由彎曲，因而各傳感器能很好地適應(yīng)大壩的不均勻沉降。在美國明尼蘇達州克魯士頓路基沉降監(jiān)測中，柔性測斜儀監(jiān)測記錄到近2 m的路基沉降變形，仍正常工作，如圖2所示。

3.2 高耐水壓力方面

目前各儀器廠家柔性測斜儀標稱最大耐水壓2 MPa（北京基康耐水壓試驗?zāi)苓_4 MPa，其他兩家認為儀器實際可承受水壓大于2 MPa）。針對300 m級高土石壩，在2/3壩高（壩體中上部）范圍內(nèi)，儀器耐水壓基本滿足要求，但在1/3壩高（壩體中下部）范圍內(nèi)，儀器應(yīng)用仍受到一定限制。高土石壩一般在1/2壩高處沉降變形最大，因此儀器標稱耐水壓基本滿足要求，但建議廠家仍需盡快研制和驗證耐水壓為3 MPa的儀器產(chǎn)品。

圖2 路基大沉降變形監(jiān)測實例圖Fig.2 Case study of embankment deformation monitoring of roadbed

3.3 高耐土壓力方面

針對300 m級高土石壩，要求心墻內(nèi)柔性測斜儀最大耐土壓超過6 MPa，而目前各廠家儀器最大耐土壓力技術(shù)參數(shù)均未予以明確（還未有高土石壩應(yīng)用實例），因此后續(xù)需進一步開展相關(guān)性能測試試驗。

農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展所需的資金支持，通過正規(guī)金融渠道無法有效獲取，涉農(nóng)企業(yè)或農(nóng)民就會轉(zhuǎn)向民間借貸組織，但是民間借貸的利率和風險比正規(guī)金融機構(gòu)高，且缺乏必要的監(jiān)管和規(guī)范，農(nóng)民在民間借貸中承擔高風險，進而加大了涉農(nóng)企業(yè)或農(nóng)民經(jīng)營成本和交易成本，不利于農(nóng)村經(jīng)濟發(fā)展。

3.4 儀器最大長度方面

實際應(yīng)用中，目前各廠家柔性測斜儀僅博安達SAA單組最大實際安裝長度達到150 m，北京盛科瑞及北京基康柔性測斜儀單組最大實際安裝長度均未超過100 m。博安達SAA柔性測斜儀可以定制加長至300 m（適用于水平安裝，傾角不宜大于35°），北京盛科瑞及北京基康柔性測斜儀可以定制加長至150 m。

3.5 應(yīng)用經(jīng)濟性方面

鑒于柔性測斜儀為新型設(shè)備，成本較高。目前博安達SAA和盛科瑞柔性測斜儀已有0.5 m、1 m測點間距的成型產(chǎn)品，2 m的還處在研制階段，但目前還未有工程應(yīng)用；北京基康暫無法生產(chǎn)2 m測點間距的柔性測斜儀。因此不建議采用2 m測點間距的柔性測斜儀?？紤]到土石壩內(nèi)各測點布置的經(jīng)濟性，建議采用1 m間距柔性測斜儀，既可以滿足工程需要，同時也大大降低成本。

4 柔性測斜儀在高礫石土心墻壩沉降監(jiān)測中的應(yīng)用

以柔性測斜儀在兩河口水電站心墻沉降監(jiān)測中的應(yīng)用為例。兩河口水電站為一等大（1）型工程，擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，壩高295.0m，壩頂高程2 875.00 m，河床部位心墻底高程2 580.00 m。擋水大壩壩體共分為防滲體、反濾層、過渡層和壩殼四大區(qū)。防滲體采用礫石土直心墻型式，壩殼采用堆石填筑，心墻與上、下游壩殼堆石之間均設(shè)有反濾層、過渡層。心墻與兩岸壩肩接觸部位的岸坡表面設(shè)厚度為1 m的混凝土蓋板；心墻與蓋板連接處鋪設(shè)水平厚度4 m的接觸粘土。

4.1 監(jiān)測設(shè)計布置

技施圖設(shè)計階段，根據(jù)當時儀器設(shè)備發(fā)展水平，對柔性測斜儀進行監(jiān)測設(shè)計布置，具體如下：沿壩軸線監(jiān)測縱斷面，在左右岸心墻混凝土板2 775.00 m、2 742.00 m和2 675.00 m三個高程，沿縱向、水平各布設(shè)1套柔性測斜儀。柔性測斜儀端點布設(shè)在左右岸蓋板與心墻結(jié)合部位。共布置柔性測斜儀6套，每套長度為50 m。

技施階段，參建各方明確先在大壩心墻左、右岸混凝土蓋板2 641.00 m高程部位，沿心墻壩軸線各布置1套柔性測斜儀，長度40 m，測點間距1 m，開展監(jiān)測儀器性能測試和埋設(shè)試驗，為后續(xù)柔性測斜儀安裝埋設(shè)保護積累經(jīng)驗，具體布置見圖3。

4.2 安裝埋設(shè)技術(shù)要點

4.2.1 混凝土蓋板預(yù)埋鋼管

為方便柔性測斜儀電纜牽引保護和儀器安裝，需提前在混凝土蓋板處預(yù)埋鋼管（作為儀器固定點）以便與儀器安裝連接。預(yù)埋保護管采用鍍鋅鋼管，鍍鋅鋼管外徑50 mm，壁厚5 mm。在鋼管端頭的混凝土蓋板表面預(yù)留30 cm×30 cm×10 cm的孔，用于后期儀器固定端與鋼管端頭連接，鋼管在混凝土蓋板表面外露長度不小于10 cm。預(yù)埋管兩端用土工布包裹封閉，防止損壞和堵塞。

（1）待心墻填筑至2 642 m高程時，在兩岸蓋板預(yù)埋管保護位置沿心墻壩軸線開挖長×寬×高=40 m×1.3 m×1.2 m的溝槽。整平溝槽基床，溝槽內(nèi)回填20 cm厚接觸粘土，人工夯實均勻。

圖3 兩河口水電站柔性測斜儀布置圖Fig.3 Layout of shape accel array in Lianghekou hydropower station

（2）將柔性測斜儀穿50 mm PE保護管，PE管長不小于42 m且整管無接頭，PE管內(nèi)外壁涂抹黃油（或潤滑油），PE管材料采用柔性PE100級SDR11管。

圖4 混凝土蓋板預(yù)埋鋼管（作為儀器固定點）Fig.4 Embedded pipe in concrete cover as the fixed point for instrument

（3）將已穿好PE管的柔性測斜儀平整放入溝槽內(nèi)。在柔性測斜儀端頭安裝活動鉸接頭（加工定制），鉸接頭另一端與鍍鋅鋼管固定端焊接，見圖5。

（4）在儀器端頭與鋼管連接部位采用專用保護裝置，見圖6。專用保護裝置如下：在固定端與儀器連接段加裝高壓風管進行加強保護，高壓風管長度不小于2 m，外徑65 mm、壁厚7.0 mm；然后在高壓風管外側(cè)儀器連接部位安裝?110鋼筒保護，避免監(jiān)測儀器被剪切損壞；鋼筒下方開槽，以便柔性測斜儀能自適應(yīng)心墻土體沉降變形。

圖5 柔性測斜儀與鋼管固定端采用活動鉸接頭連接Fig.5 Connection of shape accel array with the fixed end of steel tube by movable hinge head

（5）儀器電纜穿入預(yù)埋鋼管牽引至2 640.00 m灌漿平洞內(nèi)進行集中保護觀測。

（6）在2 640.00 m灌漿平洞內(nèi)進行儀器性能檢查，檢查正常后對PE管底進行加蓋密封，采用錨固劑等對鍍鋅鋼管固定端管口進行封閉，采用水泥砂漿對混凝土蓋板預(yù)留孔進行全管灌漿封堵。

（7）溝槽回填。儀器周邊20 cm內(nèi)回填接觸粘土，人工夯實均勻，再回填剔除5 cm以上粒徑的原壩料，用小型碾壓設(shè)備靜碾，在填筑面高于儀器埋設(shè)高程1 m后恢復(fù)大壩正常填筑。

圖6 儀器固定端安裝專用保護裝置Fig.6 Special protection device installed at the fixed end of the instrument

4.3 監(jiān)測成果

左、右岸柔性測斜儀分別于2017年11月12日和2017年11月8日安裝完成，筆者引用截至2018年5月29日的監(jiān)測數(shù)據(jù)，其監(jiān)測成果詳見圖7～12。圖7、圖8、圖10、圖11橫坐標表示各測點離混凝土蓋板的距離，圖9、圖12中5 m、10 m、20 m、30 m、40 m測點表示離混凝土蓋板距離分別為5 m、10 m、20 m、30 m、40 m的測點。

左岸2 641 m高程柔性測斜儀IN-R1實測大壩心墻累計沉降量在330.16 mm以內(nèi)，沉降量最大點距左岸蓋板40 m。從圖7可以看出，離蓋板0～4 m接觸粘土區(qū)域出現(xiàn)較大的錯動位移（127.93 mm），該部位曲線斜率較大，表明該區(qū)域錯動位移較大，接觸粘土起到了很好的協(xié)調(diào)礫石土心墻變形效果。

4～8 m礫石土區(qū)域相比接觸粘土出現(xiàn)少量抬升，主要與兩者接觸部位騎縫碾壓施工相關(guān)。8～40 m區(qū)域各測點沉降量逐漸增大，說明從蓋板沿壩軸線方向，在空間分布上，心墻累積沉降變形沿程呈逐漸增大趨勢，這符合心墻壩變形一般規(guī)律。從圖9可以看出，在時間分布上，隨大壩填筑高程增大，柔性測斜儀各測點沉降量呈逐漸增長趨勢，且越靠近心墻中部，沉降量增幅相對更大，累積沉降量也更大，心墻沉降量與大壩心墻填筑呈明顯正相關(guān)性。

右岸2 641 m高程柔性測斜儀IN-R2實測大壩心墻沉降累計在337.21 mm以內(nèi)，沉降量最大點距右岸蓋板38 m。離蓋板0～4 m接觸粘土區(qū)域出現(xiàn)錯動位移122.45 mm，左、右岸測得沉降量量級基本一致，心墻沉降量分布及變化規(guī)律基本一致。

總體來看，從混凝土蓋板沿壩軸線埋設(shè)的2套柔性測斜儀監(jiān)測成果很好地反映出礫石土心墻沿壩軸線沉降空間分布規(guī)律和累計沉降量時間變化規(guī)律，同時很好地印證了高礫石土心墻壩采用接觸粘土或者高塑性粘土來協(xié)調(diào)大壩心墻變形的作用，填補了國內(nèi)高土石壩心墻沿壩軸線沉降分布及變化規(guī)律的盲區(qū)。

圖7 心墻左岸2 641 m高程柔性測斜儀各測點沉降過程線Fig.7 Graphs of settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall

圖8 心墻左岸2 641 m高程柔性測斜儀各測點累積沉降柱狀圖（2018年5月29日）Fig.8 Column diagram of accumulated settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall(29thMay,2018)

圖9 心墻左岸2 641 m高程柔性測斜儀10 m、20 m、30 m、40 m測點沉降時間過程線Fig.9 Graphs of settlement by the measuring points whose distance from concrete cover are 10 m,20 m,30 m and 40 m of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall

圖10 心墻右岸2 641 m高程柔性測斜儀IN-R2各測點沉降過程線Fig.10 Graphs of settlement by each measuring point of shape accel array IN-R2 on elevation 2 641 m on the left right of core wall

圖11 心墻右岸2 641 m高程柔性測斜儀各測點累積沉降柱狀圖（2018年5月30日）Fig.11 Column diagram of accumulated settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the right bank of core wall(30thMay,2018)

圖12 心墻右岸2 641m高程柔性測斜10 m、20 m、30 m、40 m測點沉降時間過程線Fig.12 Graphs of settlement by the measuring points whose distance from concrete cover are 10 m,20 m,30 m and 40 m of shape accel array on elevation 2 641 m on the right bank of core wall

5 結(jié)語

（1）柔性測斜儀在兩河口水電站高土石壩中已正常工作近7個月，儀器埋設(shè)試驗情況總體良好。儀器具有高精度、高穩(wěn)定性、大量程等技術(shù)優(yōu)勢，總體滿足高土石壩變形監(jiān)測的需要。鑒于柔性測斜儀在兩河口水電站應(yīng)用情況良好，后續(xù)準備擴大柔性測斜儀的使用范圍和規(guī)模。

（2）后續(xù)可以進一步開展研究，采用柔性測斜儀對心墻內(nèi)部分層沉降進行全斷面連續(xù)線性監(jiān)測，以及上游堆石區(qū)施工期、蓄水期、運行期的全階段沉降變形監(jiān)測（包括濕化變形監(jiān)測），以填補國內(nèi)外高土石壩變形監(jiān)測中存在的不足。

（3）柔性測斜儀監(jiān)測成果連續(xù)可靠，較好地反映了礫石土心墻壩沉降變化規(guī)律，很好地印證了高礫石土心墻壩采用接觸粘土或者高塑性粘土來協(xié)調(diào)大壩心墻變形的作用，填補了國內(nèi)高土石壩心墻沿壩軸線沉降分布及變化規(guī)律的盲區(qū)，對同類工程具有很好的借鑒意義，在高土石壩監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，建議在同類工程推廣使用。