高土石壩水平垂直位移計安裝方案探討

張坤

（中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610072）

0 引言

當(dāng)前，中國水電工程建設(shè)主要集中在西南高山峽谷地區(qū)，受地形條件和交通條件限制，特別是針對深厚覆蓋層壩基、地質(zhì)條件較差、地震烈度較高、場地條件較差等特殊地形地質(zhì)條件，大壩擋水建筑物主要采用土質(zhì)防滲體土石壩為主。土石壩因其就地取材方便、對不同壩址地基適應(yīng)性好、抗震性好獲得了廣泛的工程應(yīng)用[1]。同時隨著土質(zhì)防滲體高土石壩的理論研究、科學(xué)試驗、設(shè)計水平和施工筑壩技術(shù)的不斷發(fā)展和工程經(jīng)驗的積累，土石壩壩高也不斷加大，從魯布革水電站（心墻壩，壩高103.8m）發(fā)展到雙江口水電站（礫石土心墻壩，壩高314 m，世界在建最高土石壩）。

根據(jù)大量工程實踐經(jīng)驗，過大變形、不均勻沉降變形和滲透破壞是危及土石壩安全的主要因素。過大的變形和不均勻變形會導(dǎo)致大壩產(chǎn)生裂縫，心墻拱效應(yīng)過大，形成滲漏通道，心墻容易出現(xiàn)水力劈裂，危及大壩安全[1]。同時過大的沉降變形還可能使壩頂高程不足，加大洪水漫頂風(fēng)險，導(dǎo)致土石壩潰壩失事。此外，壩體內(nèi)心墻滲流滲壓異常常伴隨著管涌及流土現(xiàn)象的出現(xiàn)，壩體浸潤線過高容易使大壩壩坡出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，危及大壩安全。因此大壩變形和滲流監(jiān)測一直是土石壩監(jiān)測的重點。

土石壩壩體內(nèi)部變形監(jiān)測分為壩體垂直位移（沉降）監(jiān)測和水平位移監(jiān)測，國內(nèi)土石壩壩體內(nèi)部變形監(jiān)測多采用水管式沉降儀和引張線式位移計。DL/T 5259-2010《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中也明確說明“內(nèi)部變形監(jiān)測采用水平分層布置方式時，宜采用水管式沉降儀和引張線式位移計”。水管式沉降儀因其原理簡單、測量直觀方便，可以直觀地反映壩體不同筑壩材料內(nèi)各測點沉降量，分析土石壩壩體內(nèi)沉降分布規(guī)律。引張線式位移計一般與水管式沉降儀配合安裝埋設(shè)，用于監(jiān)測土石壩壩體水平方向位移。水管式沉降儀和引張線式位移計結(jié)構(gòu)簡單、觀測方便、能夠適應(yīng)土石壩大變形、可實現(xiàn)自動化觀測，在土石壩中獲得廣泛應(yīng)用[2]。

1 水平垂直位移計原理簡介

1.1 水管式沉降儀基本原理

水管式沉降儀主要用來測量土石壩壩體內(nèi)部沉降位移，由沉降測頭、進(jìn)水管、排水管、通氣管、保護(hù)管、玻璃管量測裝置、連通液體等組成。水管式沉降儀玻璃管量測裝置和沉降測頭內(nèi)水杯通過進(jìn)水管連接；通氣管一端與沉降測頭相連，另一端置于壩外觀測房內(nèi)，使得沉降測頭與觀測房處于同一大氣壓下。根據(jù)U型連通器原理，當(dāng)沉降測頭內(nèi)水杯充滿水并溢流后（通過排水管排出），玻璃管水位應(yīng)與水杯液面等高，觀測房玻璃管內(nèi)水位即代表沉降測頭高程。當(dāng)沉降測頭發(fā)生沉降位移時，測量玻璃管內(nèi)水位也相應(yīng)下降，玻璃管內(nèi)水位的變化量即為壩體內(nèi)沉降測點相對于觀測房的垂直位移量。應(yīng)用水準(zhǔn)測量等方法測量出觀測房的絕對沉降后，即可計算出壩體內(nèi)測點的絕對沉降量[3]。水管式沉降儀結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 水管式沉降儀結(jié)構(gòu)原理圖Fig.1 Structure diagram of hydraulic overflow settlement gauge

1.2 引張線式位移計基本原理

引張線式位移計主要用于測量土石壩壩體內(nèi)部水平位移，由錨固板（測點）、銦鋼絲、保護(hù)管、伸縮接頭、張緊裝置和測量裝置等組成。在設(shè)計測點高程近似水平鋪設(shè)帶伸縮接頭（能自由伸縮）并經(jīng)防銹處理的鍍鋅保護(hù)鋼管，從設(shè)計測點高程的錨固板（測點）處引出線膨脹系數(shù)很小的不銹銦瓦合金鋼絲，通過保護(hù)鋼管引至壩體上、下游坡面的觀測房內(nèi)，經(jīng)導(dǎo)向滑輪，在引出線的末端懸掛一定重量的砝碼。當(dāng)測點有水平位移時，帶動銦鋼絲移動，產(chǎn)生水平向位移，在張緊裝置鋼絲上的標(biāo)點也隨之發(fā)生移動，此時在測量裝置上用游標(biāo)卡尺讀出標(biāo)點移動的距離，銦鋼絲移動距離即為測點相對于觀測房的水平位移。再通過壩體表面外部變形觀測墩，采用邊角交會等方法測量出觀測房的絕對水平位移后，就可求得測點的絕對位移量[4]。引張線式位移計結(jié)構(gòu)原理見圖2。

圖2 引張線式位移計結(jié)構(gòu)原理圖Fig.2 Structure diagram of horizontal displacement guage of tensional wire

2 土石壩監(jiān)測條帶施工方案

圖3 高土石壩典型監(jiān)測條帶布置圖Fig.3 Typical monitoring strip layout of high embankment dam

在高土石壩內(nèi)部位移監(jiān)測中，監(jiān)測條帶一般分層布置（如圖3所示），即沿不同高程設(shè)置監(jiān)測條帶，在各監(jiān)測條帶內(nèi)布置水管式沉降儀和引張線式位移計來監(jiān)測高土石壩分層沉降和水平位移。條帶內(nèi)安裝的第一個測點一般深入心墻1 m左右，之后按一定坡比（0.5%～2%）分別在反濾層、過渡層及下游堆石區(qū)不同筑壩材料區(qū)分別布置測點，可以監(jiān)測不同筑壩材料的沉降量。

2.1 管路開挖設(shè)計

按施工方式不同，條帶管路（引張線式位移計管路和水管式沉降儀管路）埋設(shè)方式可分為槽式法、溝式法、溝槽混合法[5]。

（1）槽式法：當(dāng)壩面填筑到低于管路埋設(shè)高程0.8～1.5 m時，直接用壩料堆筑兩道梗，中間鋪設(shè)管路，管路埋設(shè)剖面呈馬鞍形，如圖4所示。

圖4 條帶開挖（槽式法）Fig.4 Strip excavation(grooving method)

（2）溝式法：當(dāng)壩填筑到高于沉降測頭埋設(shè)高程0.8～1.2 m后，沿埋設(shè)剖面線按設(shè)計坡比挖溝，在溝底回填細(xì)料形成設(shè)計要求的坡降，使管路沿溝中間敷設(shè)，之后回填細(xì)料，采用人工或機(jī)械壓實，如圖5所示。

圖5 條帶開挖（坑式法）Fig.5 Strip excavation(digging hole method)

（3）溝槽混合法：根據(jù)壩面填筑情況，在一條埋設(shè)剖面線上同時采用溝式法和槽式法。

槽式法的主要缺點是采用塊石堆砌體，管路旁的斜坡坡面不易形成或者條帶斷面過大（工程量增大），同時管路坡降很難按設(shè)計要求嚴(yán)格控制，施工困難，同時管路回填碾壓主要靠人工夯實，施工效率和質(zhì)量得不到保證。溝式法的優(yōu)點是易于保護(hù)管路、管路坡降可以嚴(yán)格控制、回填料容易壓實、可以機(jī)械化施工、效率較高。目前條帶施工主要采用溝式法。

2.2 管路坡降設(shè)計

水管式沉降儀管路一般采用均勻坡降法、局部坡降法、分段坡降法三種方式。引張線式位移計管路一般呈水平布置或者與水管式沉降儀同坡降布置。

均勻坡降法，顧名思義就是整個條帶管路采用固定坡降（1%～2%）進(jìn)行埋設(shè)。局部坡降法是在距沉降測頭約10～20 m的一段管路上設(shè)置較大坡降（0.5%～15%），其余部分采用水平埋設(shè)。分段坡降就是根據(jù)土石壩各分區(qū)沉降量不同，將管路分成幾段，每段采用不同的坡降進(jìn)行埋設(shè)。

由于高土石壩水管式沉降儀和引張線式位移計一般是結(jié)合起來布置，引張線式位移計安裝埋設(shè)一般要求條帶基床平順，若采用局部坡降法和分段坡降法，引張線式位移計安裝實施難度較大。因此現(xiàn)在針對高土石壩條帶管路一般采用均勻坡降法。

2.3 高土石壩管路開挖坡降設(shè)計

已建的糯扎渡、瀑布溝、長河壩等300 m級高土石壩監(jiān)測成果表明，高土石壩最大沉降量已經(jīng)大于1%壩高（土石壩沉降經(jīng)驗值），部分高土石壩最大監(jiān)測沉降量甚至超過4 m。因此，條帶開挖坡降需要進(jìn)一步加大，如長河壩水電站礫石土心墻壩（壩高240 m）、兩河口水電站礫石土心墻壩（壩高295 m）條帶開挖坡降均達(dá)到1.3%，糯扎渡水電站礫石土心墻壩（壩高261.5 m）條帶開挖坡降也達(dá)到1%～2%。同時高土石壩監(jiān)測條帶長度也明顯加長（最長超過500 m），一般土石壩水平垂直位移計安裝方法已不適用于高土石壩。因此，針對高土石壩水平垂直位移計安裝方案進(jìn)行了專門系統(tǒng)的歸納和總結(jié)。

3 高土石壩水平垂直位移計安裝方案及分析

主要結(jié)合國內(nèi)已建和在建的高土石壩（糯扎渡、長河壩、兩河口水電站），闡述分析高土石壩水平垂直位移計安裝方案。

3.1 方案一（基床開挖坡降為0，管路開挖溝槽坡降為1%～2%）

在壩體填筑超過儀器埋設(shè)高程2 m后以反鏟挖出一條自上游第一個測點至觀測房的溝，溝深2 m，寬2.5 m。在溝底鋪填一層細(xì)堆石料，厚50 cm，振動碾壓密實，再鋪一層50 cm厚的細(xì)料，振動碾壓密實。碾壓完成后鋪設(shè)引張線式位移計及其管路。之后在水平位移管路旁人工開挖一條50 cm寬的溝，溝底以1%～2%坡度朝向觀測房，溝內(nèi)安裝水管式沉降儀管路，見圖6。

此設(shè)計方法條帶基床開挖坡降為0（水平開挖），即引張線式位移計管路坡降為0，條帶開挖土建量相對較小。同時引張線和水管式沉降儀管路不在同一高程，使得引張線管路可以從下游觀測房第二層出露，水管式沉降儀管路從觀測房第一層出露（高土石壩條帶過長時要求觀測房分兩層設(shè)置，以滿足管路高差要求），可以降低觀測房的橫河向?qū)挾?，使其更靈活、方便地布置引張線和水管式沉降儀測量設(shè)備。但由于高礫石土心墻壩從心墻到下游壩坡，同一高程各部位沉降量沿程逐漸減小，因此采用此種方案靠近心墻部位沉降量大，靠近下游壩坡部位沉降量相對較小，會造成引張線出現(xiàn)一定程度回縮，使得監(jiān)測成果較大壩真實水平位移量偏小。

圖6 方案一水平垂直位移計安裝平面簡圖Fig.6 Installation of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 1

此外，由于條帶基床碾壓采用大壩填筑碾壓標(biāo)準(zhǔn)，碾壓密實度高，在水平位移管路旁人工開挖水管式沉降儀管路溝效率較低。同時高土石壩條帶管路一般設(shè)計坡降大于1%，高土石壩條帶最大長度一般超過400 m，這就意味著從第一個測點到下游觀測房開挖高差超過4 m，已超過帶條基床開挖及回填料的高度，采用人工開挖溝槽實施難度極大。

3.2 方案二（基床開挖坡降1.3%，開挖溝槽坡降1.3%）

在壩體填筑超過儀器埋設(shè)高程1.5 m后用機(jī)械開挖出一條自上游第一個測點至觀測房的溝，溝底以1.3%坡度朝向觀測房，溝深2 m，溝底寬3.5 m。開挖平整后，在溝底回填過渡料，厚30 cm，用振動碾碾壓密實，再回填反濾料（細(xì)砂），厚40 cm，用振動碾碾壓密實。之后在溝中心線兩側(cè)各開挖深20～30 cm、寬40～60 cm及深20～30 cm、寬80～120 cm的溝槽來分別安裝引張線和水管式沉降儀管路。溝中心線位置安裝水管式沉降儀測頭，見圖7。

由于各水管式沉降儀測頭基床高程沿管路降低，因此各水管式沉降儀測頭安裝高程設(shè)計主要有以下兩種方式：

（1）各測頭高程高于測頭基床高程某一定值，即各測頭安裝高程沿管路下降，測頭下部的漿砌石墩或者混凝土墩為某一固定值。

（2）各測頭高程為固定值，由于條帶管路首尾高差較大，可以將首部前幾個測頭設(shè)置為一相對較高高程，尾部后幾個測點設(shè)置為一相對較低高程。此方案各測頭下部的漿砌石墩或者混凝土墩高度沿程增加。

若選擇各測頭安裝高程為某一定值，各測頭基礎(chǔ)的混凝土墩或漿砌石墩沿程增高。此設(shè)計方法將測頭高程分為兩個高程值，在觀測房內(nèi)容易測讀出測頭沉降量，但墩高過高影響自身穩(wěn)定性，加之受較大堆石壓力作用，測頭長期穩(wěn)定性也不易保證，從而使得測量誤差也較大。而選擇各測頭安裝高程高于基礎(chǔ)某一定值，各測頭基礎(chǔ)的混凝土墩高度可以大大減?。梢越档偷?0～30 cm），大大加強了測頭基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，減少混凝土或漿砌石用量，使測頭觀測到的沉降量更接近土石壩真實沉降量。盡管觀測房內(nèi)觀測屏各測頭高程均不一致，但不影響正常測讀。因此針對高土石壩，建議采用測頭安裝高程高于基礎(chǔ)某一定值這一方案。

圖7 方案二水平垂直位移計安裝典型剖面示意圖Fig.7 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 2

此設(shè)計方案條帶管路溝槽開挖工程量較小，條帶基床開挖后的回填料碾壓可以更精確控制設(shè)計坡降，同時測頭基礎(chǔ)墩高也可以大大降低。由于此方案條帶基礎(chǔ)開挖沿程高度加大，開挖量較方案一增大，但條帶基礎(chǔ)開挖可以實現(xiàn)機(jī)械化施工，施工效率高。引張線和水管式沉降儀管路基本在同一高程，使得引張線管路和水管式沉降儀管路在觀測房同一高程出露，觀測房內(nèi)引張線和水管式沉降儀測量裝置設(shè)備布置相對緊湊。由于引張線與水管式沉降儀同設(shè)計坡降，受大壩心墻部位沉降量大、靠近下游壩坡部位沉降量相對較小的沉降規(guī)律影響，引張線會出現(xiàn)一定程度延伸變形，使得監(jiān)測成果較大壩真實水平位移量偏大。

此外，采用人工開挖水管式沉降儀管路溝和引張線管路溝，由于條帶基床碾壓密實度高，使得人工開挖管路溝槽效率也較低。

3.3 方案三（基床開挖坡降1.3%，不開挖管路溝槽）

如圖8所示，設(shè)計方案三與方案二基本類似，只是在回填反濾料時分兩層填筑。首先在左右半幅回填第一層反濾料碾壓密實，在左半幅回填第二層反濾料碾壓密實，之后分別在左半幅第二層反濾料頂安裝引張線管路，在右半幅第一層反濾料頂安裝水管式沉降儀管路，這樣就避免了引張線和水管式沉降儀管路開挖工序。

與方案二相比，增加了一道反濾料回填碾壓工序，但避免了人工開挖管路溝槽效率低的問題，極大地方便了條帶施工。與方案二相同的是，該方案可以更精確實現(xiàn)設(shè)計坡降，測頭基礎(chǔ)墩高也可大大降低，條帶開挖量較大，觀測房內(nèi)儀器測量設(shè)備布置較緊湊，引張線監(jiān)測成果較大壩真實水平位移量偏大。

3.4 方案四（基床開挖坡降0.8%～1.3%，不開挖管路溝槽）

方案四與方案三基本類似，只是針對條帶基礎(chǔ)開挖進(jìn)行了調(diào)整。即在壩體填筑高程超過儀器埋設(shè)高程150 cm后開挖一條自上游第一個測點至觀測房的條帶溝，上游第一個測點處溝深200 cm，溝底以0.8%坡度朝向觀測房，溝底寬400 cm；在右半幅開挖溝槽，溝底以1.3%坡度朝向觀測房。其他與方案三相同，如圖9所示。

與方案三相比，方案四條帶只有半幅按1.3%坡降開挖，另外半幅按0.8%（甚至更小）的坡降開挖，這樣就減少了土建開挖量。而且引張線式位移計按0.8%坡降安裝埋設(shè)，更大限度地減小監(jiān)測條帶管路沿程沉降量不同對引張線式位移計監(jiān)測成果的影響，使得引張線式位移計監(jiān)測成果更接近大壩真實水平位移。同時引張線和水管式沉降儀管路在觀測房不同高程出露，這樣觀測房內(nèi)測量設(shè)備布置更為靈活。但此方案對條帶左右半幅采用不同的開挖坡降，且越靠近下游觀測房，左右半幅高差越大，增加了開挖工序，同時越靠近下游開挖難度越大，施工難度較大。

圖8 方案三水平垂直位移計安裝典型剖面示意圖Fig.8 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 3

圖9 方案四水平垂直位移計安裝典型剖面示意圖Fig.9 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 4

總體來看，方案四較方案三只是提升了引張線式位移計的測量準(zhǔn)確性和觀測房內(nèi)測量設(shè)備的布置靈活性，但是這種測量準(zhǔn)確性的提升相比于大壩水平位移量級基本可以忽略不計；觀測房設(shè)備布置的靈活性實際上可以通過適當(dāng)加寬觀測房橫河向?qū)挾葋斫鉀Q，而方案四加大了條帶開挖及回填施工的難度，因此，與方案三相比顯得有些“因小失大”。

3.5 各方案對比

表1給出了四種設(shè)計方案的優(yōu)缺點，通過各方案的對比分析可以得到，方案四結(jié)合了其他三種方案的優(yōu)點，但因其條帶土建開挖難度大，因而在工程中應(yīng)用較少。而相比方案三，方案四對大壩水平位移觀測準(zhǔn)確性和觀測房內(nèi)設(shè)備布置靈活性的提升相比施工難度大而言也顯得“微不足道”，土建開挖量的減少也因可以機(jī)械開挖施工而顯得不那么重要。因此方案三基本抓住了高土石壩條帶施工的關(guān)鍵矛盾點，避免了人工開挖溝槽，可以精確控制設(shè)計坡降，全過程可以機(jī)械化施工，提升了效率，因此建議目前高土石壩監(jiān)測條帶設(shè)計采用設(shè)計方案三。

目前兩河口水電站監(jiān)測條帶設(shè)計采用該方案，通過現(xiàn)場實施情況來看，相比同類類似工程，該方案施工效率大大提高，同時極大地減小了施工干擾，實施效果良好。當(dāng)然隨著施工精細(xì)化技術(shù)水平的提升及各參建單位配合水平的提升，相信未來可以實現(xiàn)方案四的條帶施工方法。

4 結(jié)語

水平垂直位移計——引張線式位移計和水管式沉降儀一般布置在監(jiān)測條帶內(nèi)，作為土石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的主要手段，在國內(nèi)應(yīng)用成熟、廣泛，而傳統(tǒng)的一般土石壩（壩高150 m以下）水平垂直位移計安裝方法已漸漸不適用于高土石壩。因此系統(tǒng)歸納總結(jié)了國內(nèi)已建和在建高土石壩水平垂直位移計主要安裝方法，對比分析了其各自的優(yōu)缺點，并提出了高土石壩水平垂直位移計推薦安裝方案，形成了如下結(jié)論：

表1 高土石壩水平垂直位移計安裝方案優(yōu)缺點對比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of each installation method of horizontal and vertical displacement meter for high embankment dam

（1）水平垂直位移計具有原理簡單、觀測方便、能夠適應(yīng)土石壩大變形、可實現(xiàn)自動化觀測等優(yōu)點，在土石壩中應(yīng)用廣泛，也是規(guī)范推薦的土石壩變形監(jiān)測的主要技術(shù)手段。

（2）隨著機(jī)械施工水平和效率的提高，目前高土石壩監(jiān)測條帶施工主要采用溝式法，管路采用均勻坡降法。

（3）通過對方案一～方案四的對比分析，方案三采用監(jiān)測條帶開挖坡降1.3%、不開挖管路溝槽的設(shè)計方法，基本抓住了高土石壩條帶施工的關(guān)鍵矛盾點，避免了人工開挖溝槽，可以精確控制設(shè)計坡降。同時，該方案全過程可以機(jī)械化施工，提升了效率，因此建議目前高土石壩水平垂直位移計安裝采用方案三。

（4）隨著施工精細(xì)化水平的提升，若能解決方案四（基床開挖坡降0.8%～1.3%，不開挖管路溝槽的設(shè)計方法）開挖難度大的不足，方案四是較理想的水平垂直位移計安裝方案。