大興水利樞紐工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)

孫正明 于淼 蘇楊

1 工程概況

大興水利樞紐工程樞紐壩址位于貴州省銅仁市松桃縣境內(nèi)大梁河上。工程主要任務(wù)是城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和灌溉供水，兼顧發(fā)電等，是一座綜合利用水利樞紐工程。水庫總庫容為4 672萬m3，為中型水庫，工程等別為Ⅲ等。

水庫樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房組成。攔河壩為常態(tài)混凝土重力壩，壩頂高程為517 m，壩頂長度98 m，最大壩高52 m。輸水工程由輸水主管線、支線、3座泵站以及管道附屬建筑物等組成。

壩址區(qū)地層巖性為寒武系清虛洞組灰?guī)r及第四系，壩基地層為清虛洞組下段條狀灰?guī)r、薄-中厚層狀灰?guī)r及少量泥灰?guī)r，屬堅(jiān)硬巖。壩基無大斷層和較大溶洞存在，壩基滲漏為裂隙式滲漏，產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大，壩基巖體滲透性隨深度的增加逐漸減弱。輸水隧洞圍巖巖性為寒武系下統(tǒng)清虛洞組下段條帶狀灰?guī)r及薄層-中厚層狀灰?guī)r，隧洞埋深10～50 m，圍巖以Ⅲ類為主，溶蝕及溶洞段為Ⅳ～Ⅴ類圍巖。

2 監(jiān)測設(shè)計(jì)目的及原則

安全監(jiān)測設(shè)計(jì)的主要目的是監(jiān)控工程安全運(yùn)行，掌握工程的運(yùn)行性態(tài)和規(guī)律，指導(dǎo)施工和運(yùn)行，反饋設(shè)計(jì)和為科學(xué)研究提供依據(jù)。通過持續(xù)的監(jiān)測，采集相關(guān)環(huán)境量、荷載量及其作用下建筑物及基礎(chǔ)的變形、滲流、應(yīng)力和溫度等效應(yīng)量，通過計(jì)算分析，及時對工程的穩(wěn)定性和安全性作出評價(jià)，確保工程運(yùn)行安全，充分發(fā)揮工程效益。

本工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)綜合考慮水工建筑物的布置及工程地質(zhì)條件，按照“突出重點(diǎn)，兼顧全面”，施工期與運(yùn)行期監(jiān)測相結(jié)合，儀器監(jiān)測與人工巡視檢查相結(jié)合等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3 監(jiān)測建筑物及監(jiān)測項(xiàng)目

本工程監(jiān)測按照建筑物等級選擇攔河壩、消力池、輸水隧洞、泵站及邊坡等為主要監(jiān)測對象。

（1）大壩監(jiān)測項(xiàng)目包括大壩表面變形、內(nèi)部變形、壩基變形、壩體溫度、壩基揚(yáng)壓力、繞壩滲流及環(huán)境量監(jiān)測等。

（2）消力池監(jiān)測項(xiàng)目主要為底板揚(yáng)壓力監(jiān)測。

（3）輸水隧洞監(jiān)測項(xiàng)目包括接縫開合度、圍巖滲透壓力、錨桿應(yīng)力、壓力鋼管的應(yīng)力應(yīng)變及施工期圍巖收斂變形監(jiān)測等。

（4）邊坡監(jiān)測項(xiàng)目主要為表面變形監(jiān)測。

（5）泵站監(jiān)測項(xiàng)目包括垂直位移和基礎(chǔ)滲流監(jiān)測。

（6）除進(jìn)行上述儀器監(jiān)測項(xiàng)目外，還包括現(xiàn)場巡視檢查。

4 監(jiān)測布置

4.1 大壩

本工程樞紐大壩為常態(tài)混凝土重力壩，根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，布置1個重點(diǎn)監(jiān)測斷面和1個一般監(jiān)測斷面，重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目為變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測和溫度監(jiān)測。大壩變形監(jiān)測布置立面圖和重點(diǎn)監(jiān)測斷面布置分別如圖1、2所示。

圖1 大壩變形監(jiān)測布置立面圖

4.1.1 變形監(jiān)測

變形監(jiān)測包括壩頂和壩基的水平位移、垂直位移監(jiān)測，壩體的水平位移監(jiān)測，縱縫和橫縫的開合度監(jiān)測以及基巖變形監(jiān)測等。

4.1.1.1 水平位移監(jiān)測

壩頂水平位移采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測。視準(zhǔn)線法是平行于壩軸線建立1條固定不變的光學(xué)視線，定期觀測各測點(diǎn)偏離該視準(zhǔn)線測值的測量方法。本工程在每個壩段壩頂各布置1個視準(zhǔn)線測點(diǎn)。在左右岸壩肩視準(zhǔn)線延長線上各布置1個工作基點(diǎn)作為日常觀測的起測點(diǎn)，工作基點(diǎn)附近各埋設(shè)1套倒垂線，用于校測視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)的位移。

圖2 重點(diǎn)監(jiān)測斷面布置圖

壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測采用正、倒垂線相結(jié)合的方法。選擇最高壩段③壩段布置1套正倒垂線組，包括2套正垂線和1套倒垂線，用于監(jiān)測壩體及壩基不同高程的水平位移。測點(diǎn)分別位于496 m和468 m高程廊道內(nèi)。

壩基水平位移采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測，在468 m高程帷幕灌漿廊道內(nèi)②～⑤壩段各布置1個視準(zhǔn)線測點(diǎn)，同時在廊道兩端灌漿平洞內(nèi)視準(zhǔn)線延長線上各設(shè)置1個工作基點(diǎn)和1個校核基點(diǎn)。

4.1.1.2 垂直位移監(jiān)測

在壩頂和468 m高程帷幕灌漿廊道內(nèi)水平位移觀測墩附近埋設(shè)沉降標(biāo)點(diǎn)，用于監(jiān)測壩頂和壩基垂直位移。同時在視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)附近各布置1個垂直位移工作基點(diǎn)，作為垂直位移日常觀測的起測點(diǎn)，采用一等水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行觀測。

在大壩下游1 km外穩(wěn)定基巖上布設(shè)1組水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，用于校測壩頂和468 m高程廊道垂直位移工作基點(diǎn)的位移。工作基點(diǎn)校測采用一等水準(zhǔn)測量方法進(jìn)行觀測。

4.1.1.3 接縫開合度監(jiān)測

選擇③壩段中間部位在建基面與壩體上游接觸面設(shè)1支測縫計(jì)，用于了解壩體混凝土與基巖面結(jié)合情況。在③、④壩段下游縱縫475 m及483 m高程各布置1支測縫計(jì)，監(jiān)測該部位縱縫的開合情況，以便選擇縱縫的灌漿時間和檢查灌漿效果。

在468 m高程帷幕灌漿廊道、下游接縫灌漿廊道及496 m高程觀測廊道的②～⑤壩段橫縫處各布置1套三向測縫標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)測相鄰壩段間的不均勻變形。在468 m高程下游接縫灌漿廊道左右兩側(cè)的縱縫處各布1套三向測縫標(biāo)點(diǎn)，監(jiān)測壩體縱縫的相對變形。

4.1.1.4 基巖變形監(jiān)測

在③壩段壩踵和壩址的建基面上各布設(shè)1支基巖變位計(jì)，監(jiān)測相應(yīng)部位的基巖變形情況。

4.1.2 滲流監(jiān)測

滲流監(jiān)測包括壩基揚(yáng)壓力、滲流量及繞壩滲流監(jiān)測。

4.1.2.1 壩基揚(yáng)壓力

本工程采用縱、橫監(jiān)測斷面相結(jié)合的形式進(jìn)行壩基揚(yáng)壓力觀測。共布置1個縱向監(jiān)測斷面和4個橫向監(jiān)測斷面?？v向監(jiān)測斷面布置在帷幕后主排水線上，每個壩段各布置1個測點(diǎn)，橫向監(jiān)測斷面在主排水線后沿下游布置2～4個測點(diǎn)，在③壩段和④壩段橫向監(jiān)測斷面帷幕前各布設(shè)1個測點(diǎn)，用于監(jiān)測壩基揚(yáng)壓力，了解帷幕防滲效果。壩基揚(yáng)壓力采用深入基巖面1 m的測壓管或在壩基面上埋設(shè)滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測。

4.1.2.2 滲流量

采用量水堰觀測壩基及壩體的滲流量，在468 m高程廊道排水溝內(nèi)布設(shè)4座量水堰，分別觀測來自③壩段樁號壩0+40.50兩側(cè)的壩體和壩基滲流量。

4.1.2.3 繞壩滲流

在大壩兩側(cè)各布置3套測壓管，分別在帷幕上游布置1套，帷幕下游布置2套，用于繞壩滲流觀測，以了解壩肩與岸坡接觸部位的滲流變化。

4.1.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測包括溢流表孔閘墩的鋼筋應(yīng)力和壩體的溫度監(jiān)測。

4.1.3.1 應(yīng)力監(jiān)測

在③號壩段中墩兩側(cè)牛腿扇形筋位置分別對稱布設(shè)3支鋼筋計(jì)，監(jiān)測該部位鋼筋應(yīng)力情況。

4.1.3.2 壩體溫度監(jiān)測

為了解壩體本身水化熱、水溫、氣溫和太陽輻射等因素對壩體溫度的影響，了解溫度分布和變化過程及對大壩應(yīng)力、變形的影響，掌握各時段的壩體溫度場，在③壩段中間斷面共布置23支溫度計(jì)，進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測。

4.1.4 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的外在因素，環(huán)境量監(jiān)測也是大壩安全監(jiān)測的重要組成部分。本工程環(huán)境量監(jiān)測主要包括上、下游水位監(jiān)測、氣溫監(jiān)測和降雨量監(jiān)測。

4.1.4.1 上、下游水位監(jiān)測

分別在大壩上游面及下游消力池側(cè)墻布設(shè)水位測點(diǎn)，采用水尺和水位計(jì)監(jiān)測上、下游水位。

4.1.4.2 氣溫監(jiān)測

氣溫是影響混凝土壩工作狀態(tài)的主要因素之一，因此在壩址區(qū)設(shè)置1座百葉箱，內(nèi)設(shè)自記溫濕度計(jì)。

4.1.4.3 降雨量監(jiān)測

降雨可能影響大壩的繞壩滲流和壩基滲流情況，因此在壩址區(qū)設(shè)置1個降水量監(jiān)測點(diǎn)，監(jiān)測壩區(qū)降雨量。

4.2 消力池

在消力池底板中心線部位設(shè)監(jiān)測斷面，布設(shè)2支滲壓計(jì)，監(jiān)測消力池底板揚(yáng)壓力。

4.3 輸水隧洞及調(diào)壓井

輸水隧洞及調(diào)壓井共布設(shè)4個監(jiān)測斷面，樁號Z0+010.00、Z0+175.00、Z0+497.00各布設(shè)1個斷面，一級泵站調(diào)壓井（Z0+554.31）485 m高程布設(shè)1個監(jiān)測斷面，其中Z0+175.00為重點(diǎn)監(jiān)測斷面，其余為一般監(jiān)測斷面。監(jiān)測項(xiàng)目包括變形監(jiān)測、接縫開合監(jiān)測、滲壓監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測等。

4.3.1 變形監(jiān)測

在隧洞洞身段3個監(jiān)測斷面的拱頂和兩側(cè)各布置1個收斂測點(diǎn)，在調(diào)壓井485 m高程等距布設(shè)3個收斂測點(diǎn)，用于施工期圍巖收斂監(jiān)測。

隧洞各監(jiān)測斷面兩側(cè)與圍巖接觸部位各布置1支測縫計(jì)，監(jiān)測圍巖與襯砌的接縫變形。此外在重點(diǎn)監(jiān)測斷面的鋼襯兩側(cè)和頂部與混凝土襯砌間增設(shè)1支測縫計(jì)，用于監(jiān)測鋼襯和回填混凝土間接縫的變形。

4.3.2 滲壓監(jiān)測

在隧洞各監(jiān)測斷面布設(shè)2～3支滲壓計(jì)監(jiān)測圍巖的滲透壓力，在Z0+497.00斷面鋼襯和混凝土襯砌接觸面布設(shè)2支滲壓計(jì)監(jiān)測鋼襯承受的外水壓力。

4.3.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

在洞身段各監(jiān)測斷面的左右側(cè)分別對稱布置1支錨桿應(yīng)力計(jì)，用于監(jiān)測支護(hù)錨桿的軸向受力情況。在Z0+175.00和Z0+497.00斷面鋼襯表面同時布置2～4支鋼板計(jì)以監(jiān)測鋼襯應(yīng)力，其中Z0+175.00重點(diǎn)監(jiān)測斷面鋼板計(jì)為軸向和環(huán)向結(jié)合布置。

4.4 邊坡工程

在廠房后邊坡494、506 m高程兩層馬道上分別布置3個表面變形觀測墩，采用全站儀監(jiān)測表面位移。

4.5 泵站工程

本工程共有3個泵站，在每個泵房外側(cè)布設(shè)12個垂直位移標(biāo)點(diǎn)（墻標(biāo)），分縫段左右側(cè)對稱布設(shè)，用于垂直位移觀測。在各泵站的基礎(chǔ)縱向和橫向結(jié)合布置6支滲壓計(jì)，以監(jiān)測基礎(chǔ)滲流情況。

4.6 巡視檢查

巡視檢查是工程安全監(jiān)測的重要組成部分。本工程主要對大壩、邊坡、近壩岸坡及輸水工程建筑物進(jìn)行巡視檢查，檢查各建筑物在施工期和運(yùn)行期的安全性，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并提出補(bǔ)救和改進(jìn)措施。

4.7 安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)

4.7.1 監(jiān)測站布置

本工程共設(shè)7個監(jiān)測站，分別位于③壩段基礎(chǔ)廊道、③壩段496 m高程廊道、壩頂、調(diào)壓井以及3座泵站。各測站測控單元通過本工程通信網(wǎng)絡(luò)鏈接傳輸至一級泵站的監(jiān)測中心站。各建筑物監(jiān)測站主要包括MCU、通訊模塊等設(shè)備，監(jiān)測站具有良好的防雷接地裝置。

4.7.2 監(jiān)測系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置

為有效實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)控，本工程選擇有線及無線通訊相結(jié)合的方式建立安全監(jiān)測自動化網(wǎng)絡(luò)。自動化監(jiān)測系統(tǒng)采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由一級泵站監(jiān)測中心站和各部位建筑物監(jiān)測站組成。監(jiān)測中心站主要設(shè)有計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、打印機(jī)等外部設(shè)備，用于安全監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集，包括運(yùn)行期監(jiān)測管理站人工觀測、自動化觀測數(shù)據(jù)的采集管理。監(jiān)測中心站計(jì)算機(jī)可向各建筑物監(jiān)測站發(fā)布指令，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的管控并能夠接入上一級管理單位。

5 結(jié) 語

針對大興水利樞紐工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件，將大壩變形、壩基揚(yáng)壓力和壩體溫度監(jiān)測作為重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測設(shè)計(jì)。目前本工程已通過蓄水驗(yàn)收和竣工技術(shù)預(yù)驗(yàn)收，施工期和蓄水期的安全監(jiān)測資料為工程的順利實(shí)施和本工程不同階段的驗(yàn)收提供了技術(shù)保障，對評價(jià)工程運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。