黑河水庫溢洪道閘室段變形監(jiān)測

楊昆侖，趙軍平

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院測繪分院，陜西 西安 710002）

0 引言

水庫溢洪道對于水庫大壩的安全運行、和發(fā)電及安全供水具有非常重要的作用。近年來隨著黑河水庫運行時間的延長，溢洪道閘室段混凝土表面出現(xiàn)了一些裂縫，特別是2015 年以來，裂縫長度增加，縫寬擴大，閘室頂部混凝土產(chǎn)生變形，給溢洪道閘門的正常啟閉帶來一定影響。需要對溢洪道閘室段整體穩(wěn)定進行分析、盡快查明溢洪道閘室段混凝土表面裂縫產(chǎn)生的原因及危害程度并提出針對性的處理方案、為此，應(yīng)對溢洪道閘室段進行變形監(jiān)測。項目的設(shè)計及實施遵照“以監(jiān)測為基礎(chǔ)，以分析為手段，以預(yù)報為目”的變形監(jiān)測理念[1]。

1 工程概況

黑河水庫位于陜西省西安市周至縣秦嶺山中，黑河峪口以上約1.5 km 處，距西安市86 km。是一項以城市供水為主，兼有農(nóng)灌、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程。水庫壩高130 m，水庫面積4.55 km2，總庫容2 億m3。是西安市的主要供水來源。

2 監(jiān)測依據(jù)及監(jiān)測的精度指標(biāo)

工程測量規(guī)范[2]中表8.4.6 對于弧形門、人字門安裝平面允許偏差為±2.0 mm，高程允許偏差為±3.0 mm；表10.6.2 混凝土構(gòu)筑物的裂縫觀測平面位移量中誤差±1.0 mm；表10.6.3壩體的支墩壩水平和垂直位移測量中誤差均為±1.0 mm。

水利水電工程施工測量規(guī)范[3]中表8.1.4 對于弧形門、人字門安裝測量項目相對安裝軸線，其測點中誤差平面±2 mm～±3 mm，高程±1 mm～±3 mm；表8.2.4 安裝專用控制網(wǎng)內(nèi)及安裝軸線點間相對點位限差不應(yīng)超過±2 mm，高程基點間的高差測量限差為±2 mm。

綜上所述，結(jié)合本工程設(shè)計要求，閘室段位移監(jiān)測設(shè)計精度指標(biāo)為：水平位移在監(jiān)測斷面方向線上的測量中誤差、垂直位移測量中誤差及裂縫觀測平面位移量中誤差均為±1.0 mm。

3 水平位移變形監(jiān)測

3.1 監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

在大壩左岸布設(shè)了1 個基準(zhǔn)點，編號為：JZD，用于測量監(jiān)測點的變化及變化量；在溢洪道閘室段布設(shè)3 條閘槽監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面位置的左、右閘槽頂面各布設(shè)了1 個監(jiān)測點，建造具有強制對中基座的混凝土觀測墩，用于測量閘槽頂端三條斷面長度的變化及變化量。水平位移監(jiān)測點編號：J11、J12、J21、J22、J31、J32。監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)圖詳見圖1。

圖1 水平距離監(jiān)測示意圖

3.2 觀測方案

測量基準(zhǔn)點與各監(jiān)測點之間的精密距離和三條斷面之間的精密距離，說明水平位移監(jiān)測點的變化及變化量。

3.3 外業(yè)觀測及驗算

觀測使用Leica TS60 智能全站儀（多測回測角軟件），可以實現(xiàn)自動尋找目標(biāo)與照準(zhǔn)、自動觀測、自動記錄、自動檢測各項限差。

斜距往返各12 個測回，每測回讀數(shù)4 次，限差設(shè)置按照工程測量規(guī)范[2]中表10.2.6 的規(guī)定；天頂距觀測與斜距觀測同步自動觀測，其限差設(shè)置按照表1 的規(guī)定；儀器高和覘標(biāo)高觀測前后各量取一次，并精確至1 mm，取其中數(shù)作為最終高度。

表1 天頂距測量的技術(shù)要求

外業(yè)觀測數(shù)據(jù)驗算，測量的斜距經(jīng)氣象和儀器加、乘常數(shù)改正后再化歸為水平距離。往返測距較差均應(yīng)小于±2(a+bD)；平均測距中誤差應(yīng)小于1.0 mm。

4 垂直位移變形監(jiān)測

4.1 監(jiān)測網(wǎng)的布設(shè)

基準(zhǔn)點采用黑河大壩交通洞內(nèi)I 黑基06。監(jiān)測點標(biāo)志鑲嵌不銹鋼水準(zhǔn)標(biāo)志，編號：JHi(i=1,2,…，6)。以上6 個垂直位移監(jiān)測點與I 黑基06 點構(gòu)成一等垂直位移監(jiān)測網(wǎng)。詳見圖2。

圖2 垂直位移監(jiān)測示意圖

4.2 外業(yè)觀測

使用Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀及配套的條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺，外業(yè)觀測的各項限差及技術(shù)要求按工程測量規(guī)范[2]中表10.3.3 和表10.3.4 一等水準(zhǔn)測量方法和限差要求執(zhí)行。

4.3 外業(yè)成果的計算和驗算

水準(zhǔn)標(biāo)尺長度改正和溫度改正按照分別按照國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范[4]中D.2.1 和D.2.2 章節(jié)執(zhí)行。

水準(zhǔn)測量測站高差中誤差的計算，采用經(jīng)過標(biāo)尺長度改正和標(biāo)尺溫度改正后的測段往返測高差不符值計算的每站高差中誤差應(yīng)小于限差±0.07 mm；環(huán)線閉合差應(yīng)小于±1.08 mm（垂直位移監(jiān)測線路及長度已確定）。

4.4 數(shù)據(jù)處理

垂直位移監(jiān)測網(wǎng)平差采用間接平差法進行，按測段的測站數(shù)定權(quán)，采用《工程測量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)（NASEW）》軟件進行平差。平差后最弱點高程中誤差應(yīng)小于限差±0.3 mm。

5 裂縫監(jiān)測

根據(jù)裂縫走向和長度，在閘槽右岸山坡坡腳處設(shè)立1 處基線觀測點，在閘槽兩岸設(shè)立12 處觀測點。基線觀測點編號：JX，裂縫觀測點編號：LF(i=1,2,…，12)。

采用游標(biāo)卡尺進行測量。觀測2 測回，每測回讀數(shù)4 次，讀數(shù)較差及測回差均應(yīng)于0.2 mm。取其平均值作為當(dāng)期裂縫寬度監(jiān)測成果。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

6.1 對每期觀測數(shù)據(jù)精度指標(biāo)進行統(tǒng)計

分別計算每一期的精度指標(biāo)。水平位移方面計算平均測距中誤差mD；垂直位移方面計算每千米水準(zhǔn)測量偶然中誤差M⊿、每站高差中誤差M站、水準(zhǔn)測量環(huán)線閉合差W、最弱點高程中誤差M；裂縫監(jiān)測方面計算裂縫寬度測回間不符值△L測回。各精度指標(biāo)數(shù)值均滿足規(guī)范[2.3]及設(shè)計要求，第三、四、五期測距中誤差相對較低。統(tǒng)計表見表2。

表2 每期內(nèi)精度指標(biāo)統(tǒng)計表

6.2 變化量的統(tǒng)計

以每個監(jiān)測點本期測量的距離或高程值為基準(zhǔn)值，對應(yīng)統(tǒng)計計算與上一測量的距離或高程值的較差即為周期變化量或周期位移量。以每個監(jiān)測點首期測量的距離或高程值為基準(zhǔn)值，計算與本期測量的距離或高程值的較差即為總變化量或總位移量。

1）水平位移監(jiān)測周期變化量與總變化量統(tǒng)計圖表（表3.4，圖3.4）。表明第二期J21 和第三期J11 與基準(zhǔn)點水平距離變化量超過±2.0 mm，第三期三條斷面水平距離變化量超過±2.0 mm。其余變化量均小±2.0 mm。

表3 斷面監(jiān)測點與基準(zhǔn)點水平距離變化量表

表4 斷面水平距離變化表

圖3 斷面監(jiān)測點與基準(zhǔn)點水平距離變化量圖

圖4 斷面水平距離變化量圖

2）垂直位移監(jiān)測周期位移量與總位移量統(tǒng)計圖表（表5，圖5）。表明垂直位移監(jiān)測點各周期內(nèi)位移量均±2.0 mm。

表5 垂直位移監(jiān)測點位移量表

圖5 垂直位移監(jiān)測點位移量圖

3）裂縫寬度周期變化量與總變化量統(tǒng)計圖表（表6，圖6）。表明垂直位移監(jiān)測點各周期內(nèi)位移量均±2.0 mm。

表6 裂縫寬度變化量表

圖6 裂縫寬度變化量圖

6.3 監(jiān)測對象穩(wěn)定性判斷

周期變化量超過±2.0 mm（2 倍的位移量中誤差）時認(rèn)為監(jiān)測對象周期不穩(wěn)定。上述圖表可以直觀的反應(yīng)出近六期的監(jiān)測裂縫寬度變化量、斷面水平距離變化量、斷面監(jiān)測點與基準(zhǔn)點水平距離變化量、垂直位移監(jiān)測點周期位移量絕大多數(shù)小于±2.0 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)跳躍法剔除粗差數(shù)據(jù)的理論[5]可以認(rèn)為上述超限的極少數(shù)數(shù)據(jù)為粗差數(shù)據(jù)，可不考慮。說明溢洪道閘室段周期性穩(wěn)定。周期性穩(wěn)定并不能說監(jiān)測對象絕對穩(wěn)定，從總位移量（總變化量）圖表可以看出垂直位移監(jiān)測點高程值處于增大趨勢；斷面監(jiān)測點與基準(zhǔn)點之間水平距離的變化分為兩類，溢洪道左岸水平距離有縮短趨勢，右岸水平距離變化不明顯；斷面水平距離有變大趨勢；裂縫寬度有略微增大趨勢，但不明顯。出現(xiàn)以上變化趨勢的原因分析，首先分析各周期的監(jiān)測現(xiàn)狀（見表7），通過分析發(fā)現(xiàn)，就目前的現(xiàn)狀水庫蓄水位的變化對監(jiān)測結(jié)果的影響不明顯；溫度的變化似乎有規(guī)律可依，溫度的持續(xù)升高，對山體及壩面有膨脹趨勢。這一解釋還需進一步的數(shù)據(jù)驗證。

表7 各周期觀測現(xiàn)狀統(tǒng)計表

7 結(jié)論

文中的方案是依照規(guī)范中的相應(yīng)指標(biāo)及變形體的形變趨勢及變化量所設(shè)計的，通過近六期的監(jiān)測，結(jié)果表面，該方案可以達(dá)到溢洪道閘室段變形監(jiān)測的目的。經(jīng)分析計算溢洪洞閘室段呈逐漸抬高趨勢；溢洪道閘室段左岸混凝土墻體有向外側(cè)擴張趨勢；裂縫寬度變化微小。

上述方法有效的反應(yīng)出了溢洪道閘室段在山體位移、水庫蓄水位升降、季節(jié)性溫度變化等因素影響下變化?？梢詾轭愃扑ろ椖刻峁┙梃b。