長河壩特高土石壩安全監(jiān)測設計

稅思梅， 伍文鋒

(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司， 四川 成都 610072；2.長江勘測規(guī)劃設計研究院長江空間信息技術工程有限公司， 湖北 武漢 430072)

0 前 言

長河壩水庫總庫容為10.75億m3，裝機容量2 600 MW。樞紐主要由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、3條泄洪洞和1條放空洞等建筑物組成。攔河大壩采用土質防滲體分區(qū)壩，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有反濾層、過渡層，防滲墻下游心墻底部及下游壩殼與覆蓋層壩基之間設有水平反濾層；最大壩高240 m，壩頂長度502.85 m，壩頂寬度16 m，上、下游壩坡均為1 ∶2.0。

長河壩壩體高大雄厚；壩基河床覆蓋層深厚，具多層結構且結構不均一，透水性強?？赡艽嬖诘鼗痪鶆蜃冃?，滲漏和滲透變形，壩基抗滑穩(wěn)定，砂層液化等問題。因此，如何針對長河壩的特點設計一個科學合理、完整有效的安全監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)掌握大壩在施工期、運行期的安全狀態(tài)，同時兼顧指導施工、反饋設計的目的，是安全監(jiān)測工作的前提和基礎，也是安全監(jiān)測工作的重點和難點?，F(xiàn)以長河壩大壩安全監(jiān)測設計為例對300 m級高土石壩監(jiān)測設計工作進行闡述，為同類工程提供借鑒和參考。

1 特高土石壩安全監(jiān)測技術現(xiàn)狀

特高土石壩具有規(guī)模大，結構復雜等特點,運行后可能出現(xiàn)壩體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定等問題。隨著土石壩的發(fā)展，針對重要監(jiān)控指標，已形成了一套完整的安全監(jiān)測設施和設計方案?，F(xiàn)有的監(jiān)測體系在 200 m級以下的土石壩應用已經成熟，但在200 m級以上特高土石壩中，會出現(xiàn)現(xiàn)有水平位移計、沉降儀等監(jiān)測儀器無法滿足工程需要，埋入后受大變形影響出現(xiàn)損壞后無法長期監(jiān)測，無法滿足上游壩殼高水壓作用區(qū)域等特殊部位監(jiān)測要求等問題。因此在長河壩特高土石壩安全監(jiān)測設計方案，需充分考慮以上問題，從監(jiān)測手段和引進新技術等方面著手，提出適合長河壩特高拱壩的安全監(jiān)測設計方案。

2 安全監(jiān)測設計

安全監(jiān)測是根據(jù)設計計算成果，在關鍵斷面關鍵部位埋設相應的儀器設施，對工程建筑物的變形、應力應變、滲流滲壓等指標進行長期跟蹤監(jiān)測，再通過觀測數(shù)據(jù)分析評價建筑物的安全穩(wěn)定狀態(tài)。徐巖彬等[1]對土石壩瀝青混凝土防滲心墻安全監(jiān)測設計進行了研究，趙永等[2]對黏土心墻土石壩安全監(jiān)測設計及優(yōu)化作了闡述；上述研究說明了安全監(jiān)測設計極為重要，是監(jiān)測工作的前提和基礎。長河壩作為300 m級特高土石壩，監(jiān)測設計應在傳統(tǒng)設計思路的基礎上，結合工程特點開展，其設計難度高于一般土石壩。

2.1 設計原則

工程安全監(jiān)測設計遵循“有效、合理、可靠監(jiān)控工程的安全運行以及必要的設計反饋研究”的原則，為更好地建設大型水電工程提供原型觀測資料和參考借鑒。

(1)密切結合工程實際，對各工程部位不同時期的監(jiān)測項目的選定，應從施工、首次蓄水、運行期全過程考慮，可充分合理反映建筑物工作狀況。

(2)監(jiān)測項目相互兼顧，一個項目多種用途；在不同時期能反映出不同的重點。目的明確、重點突出、兼顧全面，相關項目統(tǒng)籌安排、配合布置；應保證在惡劣條件下仍能進行重要項目的監(jiān)測。

(3)監(jiān)測儀器設備選型，要顧及耐久、可靠、實用、有效，力求先進。儀器設備具備耐久性、穩(wěn)定性、適應性，并滿足量程和精度要求。應使儀器設備種類盡可能少，提供簡潔接口和可靠連接，利于實現(xiàn)監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運行、管理和維護。

(4)應有良好的照明、防潮防濕和交通條件，必要時可設置專用通道，以保證在大洪水和特殊條件下觀測工作的進行。

(5)儀器設備及時安裝，保證數(shù)據(jù)的可靠性、實時性、連續(xù)性和一致性，以及為建筑物的安全分析評價提供有效合理的初始值、基準值以及必要的監(jiān)測成果。

2.2 設計方案

長河壩工程大壩安全監(jiān)測設計重點部位包括大壩基礎和防滲墻、河床基礎廊道、礫石土心墻大壩等。張斌[3]、阮彥晟[4]等對土石壩滲流場進行了分析，徐楊洋[5]、孫全[6]等對土石壩應力進行了分析，王竹青[7]、徐楊洋[5]等對土石壩沉降進行了分析，這說明了滲流場、應力、沉降等是土石壩安全監(jiān)控的重要指標，長河壩安全監(jiān)測設計以變形(特別是沉降)、滲流滲壓、應力應變等項目為主是科學合理的。

2.2.1 大壩基礎和防滲墻

橫向沿主副墻軸線分別布置1個主監(jiān)測斷面和1個副監(jiān)測斷面，縱向布置4個監(jiān)測橫剖面。監(jiān)測重點為大壩基礎和防滲墻的沉降及水平位移、防滲墻前后滲壓、建基面滲壓、壩基覆蓋層的土壓力、下游堆石區(qū)堆石壓力、混凝土防滲墻混凝土應力及結構鋼筋應力等。

(1)變形?？紤]到壩基河床覆蓋層深厚，為監(jiān)測施工期和蓄水后基礎的變形、特別是沉降變形，在大壩心墻上游側、心墻高塑性黏土區(qū)、心墻下游側布設電位器式位移計、弦式沉降儀；防滲墻水平位移主要采用固定式測斜儀與活動式測斜儀監(jiān)測。

(2)滲流滲壓。為及時掌握滲流壓力的大小及分布情況，監(jiān)測不同土質接觸面可能的滲透破壞，判斷土石壩基礎的防滲狀態(tài)和排水設施的工作效能。在每個監(jiān)測斷面副防滲墻前各布置1支滲壓計；在主防滲墻后及主副防滲墻之間各鉆孔布設一個深孔，深孔分三個高程布設滲壓計，用來分層監(jiān)測壩基覆蓋層滲水壓力；在主防滲墻下游心墻區(qū)域內各布置2支滲壓計；在下游過渡層及壩殼建基面布設5～6支滲壓計，間距60～90 m，用以監(jiān)測整個壩基順河向滲流水位過程線。

在副防滲墻下游3.5 m(主副防滲墻之間)及主防滲墻下游3.5 m剖面，沿壩軸線方向分層布置滲壓計，用以監(jiān)測防滲墻阻水效果。典型滲壓布置見圖1。

為掌握主防滲墻后滲透壓力的大小，在基礎廊道布置滲壓計和測壓管。

圖1 主防滲墻下游3.5 m斷面滲壓布置(單位：m)

(3)應力應變。為監(jiān)測壩基覆蓋層的土壓力及下游堆石區(qū)堆石壓力，在監(jiān)測剖面的主副防滲墻之間及主墻下游側各布置1套土壓力計，在下游過渡層及堆石區(qū)覆蓋層布置土壓力計。

為掌握防滲墻混凝土應力應變情況，在主副防滲墻內1 452.00 m高程各布設2組三向應變計組，并配套布設無應力計，結合無應力計及混凝土徐變試驗成果計算混凝土應力。

為掌握基礎混凝土防滲墻上部鋼筋籠及基礎廊道鋼筋受力情況，在主、副防滲墻內1 447.00 m、1 437.00 m、1 427.00 m、1 417.00 m高程并排布置鋼筋計。

2.2.2 河床基礎廊道

河床基礎廊道沿縱向共布置7個監(jiān)測斷面。監(jiān)測重點為廊道沿線的沉降、廊道傾斜及擾度、廊道結構縫的開合度、廊道與高塑性黏土的位錯、廊道拱頂及兩側的壓力、廊道外圍結構鋼筋應力等。

(1)變形。廊道底部的垂直位移采用水準測量，在左、右岸灌漿平洞布設工作基點，基礎廊道沿壩軸線布設水準點。在基礎廊道內布置3個傾斜監(jiān)測斷面，分別在上游邊墻、頂拱、下游邊墻和底板布置傾角儀底座，安裝傾角計進行傾斜觀測。為監(jiān)測廊道與高塑性黏土之間的錯動位移，選取3個監(jiān)測斷面，在廊道外側與高塑性黏土接觸部位布置位錯計。在基礎廊道兩端結構縫部位的左右邊墻、頂拱及底板布置測縫計，對結構縫的變形進行監(jiān)測。在基礎廊道布設測斜管，監(jiān)測大壩基礎防滲墻撓度變形。

(2)應力應變。在基礎廊道頂拱外側及上下游邊墻1 457.00 m高程邊界各布設1套土壓力計，用以監(jiān)測廊道頂拱高塑性土壓力及兩側邊墻側向土壓力。

選擇5個監(jiān)測斷面，在每個斷面廊道上下游邊墻、頂拱、底板內外側及上游拱肩處布置環(huán)向鋼筋及縱向鋼筋，監(jiān)測廊道鋼筋應力情況。典型布置見圖2。

圖2 河床廊道典型剖面監(jiān)測儀器布置

2.2.3 礫石土心墻大壩

礫石土心墻大壩沿壩軸線布置1個監(jiān)測縱斷面，橫向布置5個監(jiān)測斷面。監(jiān)測重點為大壩的水平位移和沉降、壩體浸潤線、帷幕防滲效果、繞壩滲流、關鍵部位滲壓、壩體和基礎的總滲流量、心墻及建基面的壓應力、壩體抗震等。

(1)變形。大壩表面位移測點按大約間距30～80 m左右布置；水平位移測點與垂直位移測點同墩布置。在 1 615.00 m、1 645.00 m、1 695.00 m高程各布置1排外部變形觀測墩；大壩壩頂上下游側各布置1排外部變形觀測墩；下游壩坡在1 510.00 m、1 545.00 m、1 585.00 m、1 615.00 m、1 645.00 m、1 672.00 m高程各布置1排外部變形觀測墩。儀器布置見圖3。

心墻區(qū)內部沉降采用多種儀器對比監(jiān)測，選用性能穩(wěn)定的弦式沉降儀和電磁式沉降儀，同時為適應較大沉降變形，創(chuàng)新使用大量程電位器式位移計。心墻壩軸線處各布設一條分層沉降觀測垂線。心墻上、下游及壩軸線布置電位器式位移計沉降測線，心墻上、下游布置電位器式位移計沉降測線，測線各測點高程間距30 m。心墻壩軸線處各布設1個電磁式沉降儀孔，電磁式沉降環(huán)間距10 m。下游堆石區(qū)內部沉降監(jiān)測采用水管式沉降儀。下游壩殼1 645.00 m、1 615.00 m、1 585.00 m、1 550.00 m、15 130.0 m高程，布置沉降條帶。

圖3 大壩表面變形監(jiān)測儀器布置

心墻區(qū)水平位移采用活動式測斜儀和固定式測斜儀進行監(jiān)測，活動式測斜儀與電磁式測斜儀同孔布置。心墻壩軸線處布置3根固定式測斜孔，固定式測斜儀測點間距10 m。下游堆石區(qū)水平位移監(jiān)測采用引張線式水平位移計與水管式沉降儀同條帶布置(測點緊鄰)。在壩軸線左、右岸心墻基礎混凝土板的1 510.00 m、1 580.00 m高程部位各布設1套土體位移計串，用于監(jiān)測心墻土體沿壩軸線方向拱效應引起的水平變形。典型儀器布置見圖4。

圖4 大壩引張線和水管式沉降儀布置

(2)滲流滲壓。壩體滲壓監(jiān)測包括觀測斷面上的滲水壓力分布和浸潤線位置的確定，采用滲壓計進行監(jiān)測。在每個主監(jiān)測斷面的1 645.00 m、1 615.00 m、1 580.00 m、1 550.00 m、1 513.00 m及建基面高程作為水平監(jiān)測高程，在上游反濾層與心墻交界部位、心墻軸線、心墻軸線與上下游反濾層之間、心墻與下游反濾層1交界部位各布設1個監(jiān)測點。在大壩心墻礫石土與高塑性黏土接觸部位各布置2個滲壓測點。由于心墻上部厚度較薄，為監(jiān)測心墻上部擋水效果，在1 670.00 m高程反濾層內增設1個滲壓監(jiān)測斷面，共布置7支滲壓計。典型儀器布置見圖5。

為監(jiān)測大壩帷幕防滲效果，沿壩基灌漿平洞軸線布置1個監(jiān)測斷面，在左右岸1 697.00 m、1 640.00 m、1 580.00 m、1 520.00 m和1 460.00 m高程灌漿廊道及基礎廊道帷幕灌漿范圍線后，鉆孔布設測壓管，間距40～80 m。

圖5 礫石心墻滲壓布置(單位：m)

在左、右岸灌漿平洞不同高程布置繞滲孔，并根據(jù)現(xiàn)場交通情況，在左右岸1 580 m、1 510 m高程和右岸1 545 m高程交通洞內布置繞滲孔。

在下游圍巖混凝土心墻下游排水溝內(堰)0+005.50 m樁號設置量水堰和量水堰計，觀測總滲流量。在左右岸壩基1 640 m、1 580 m、1 520 m和1 460 m高程灌漿平洞集中匯水處布設量水堰觀測壩基滲流量。滲流滲壓布置見圖6。

圖6 繞壩滲流滲壓布置

(3)應力應變。大壩心墻(縱)0+137.00 m、(縱)0+193.00 m、(縱)0+253.00 m、(縱)0+330.00 m、(縱)0+394.00 m五個主要剖面的1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m高程分別布設了土壓力計；大壩基礎廊道外側埋設了9支土壓力計，用于監(jiān)測大壩基礎廊道外側的土壓力情況。

(4)強震監(jiān)測。在壩頂1 697.00 m高程左、右岸灌漿平洞分別布設1臺強震儀；為分析研究地震強震的放大效應，在縱0+330.00 m監(jiān)測斷面壩頂布設2臺強震儀，下游馬道處布設4臺強震儀；在基礎廊道內布設1臺強震儀；為監(jiān)測基巖加速情況，在左岸1 460.00 m灌漿平洞布設1臺強震儀，在壩下游1～2 km處布設1臺強震儀作為自由場。

3 結 論

長河壩工程安全監(jiān)測設計以大壩基礎和防滲墻、河床基礎廊道、礫石土心墻大壩為重點部位，監(jiān)測指標以變形(特別是沉降)、滲流滲壓、應力應變等項目為主的方案是科學合理的。通過分區(qū)、分片、分層布設安全監(jiān)測設施，達到了全面監(jiān)測的目的；選用多種監(jiān)測手段對比監(jiān)測，確保了監(jiān)測成果的可靠有效；為適應高土石壩變形特點及利于施工，創(chuàng)新使用新儀器，促進了安全監(jiān)測技術的發(fā)展。通過精心設計，長河壩特高土石壩構建了一個系統(tǒng)全面、高精度、高穩(wěn)定性的監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了指導施工、反饋設計的作用，并為評價施工期和運行期建筑物安全穩(wěn)定奠定了基礎。