楊房溝水電站拱壩安全監(jiān)測設(shè)計

陳 鍇，滕世敏，鄭曉紅

(1.國家能源局大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 311122；2.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概況

楊房溝水電站位于四川省涼山彝族自治州木里縣境內(nèi)的雅礱江中游河段上，是規(guī)劃中該河段的第6級水電站，上距孟底溝水電站37 km，下距卡拉水電站33 km?？値烊?.125億m3，正常蓄水位2 094 m，電站總裝機(jī)容量為1 500 MW，工程規(guī)模為大(1)型。

樞紐建筑物主要由擋水建筑物、泄洪消能建筑物及引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。擋水建筑物采用混凝土雙曲拱壩，壩頂高程2 102 m，正常蓄水位2 094 m，最大壩高155 m；泄洪消能建筑物為壩身4個表孔、3個中孔，壩后水墊塘及二道壩；引水發(fā)電系統(tǒng)布置在河道左岸，地下廠房采用首部開發(fā)方式，尾水洞布置在楊房溝溝口上游。

大壩混凝土于2018年10月30日開始澆筑，2020年12月17日全線澆筑到頂，2020年12月30日下閘蓄水。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計原則

本工程拱壩安全監(jiān)測設(shè)計原則[1]如下。

(1)全局性。從全局出發(fā)，既控制關(guān)鍵，又兼顧全局，綜合考慮施工、蓄水和運(yùn)行各階段的需求，對關(guān)鍵和重要部位適當(dāng)?shù)闹貜?fù)和平行布置。

(2)針對性。根據(jù)建筑物特點(diǎn)、計算成果以及各階段施工先后順序，選擇監(jiān)測重點(diǎn)，在影響工程安全或能敏感反映工程安全運(yùn)行狀態(tài)的部位布置監(jiān)測。

(3)統(tǒng)一性。從施工、蓄水和運(yùn)行全過程考慮各部位不同時期監(jiān)測項(xiàng)目的需求，監(jiān)測項(xiàng)目相互兼顧，做到一項(xiàng)多用，并統(tǒng)一規(guī)劃、分步實(shí)施。

(4)并重原則。遵循儀器監(jiān)測、監(jiān)測反饋分析與巡視檢查并重原則。巡視檢查與儀器監(jiān)測互為補(bǔ)充，可有效彌補(bǔ)儀器監(jiān)測覆蓋面的不足，及時發(fā)現(xiàn)險情，系統(tǒng)記錄現(xiàn)場情況。

3 安全監(jiān)測系統(tǒng)的組成

本工程拱壩為1級建筑物，依據(jù)有關(guān)規(guī)范和結(jié)構(gòu)布置等選擇監(jiān)測項(xiàng)目，主要包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度、環(huán)境量、變形監(jiān)測控制網(wǎng)等監(jiān)測項(xiàng)目，具體見表1。

表1 楊房溝拱壩安全監(jiān)測系統(tǒng)主要監(jiān)測儀器

4 拱壩安全監(jiān)測設(shè)計

4.1 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境量監(jiān)測項(xiàng)目包括上下游水位、氣溫、降雨量及庫水溫監(jiān)測。

在大壩5號、9號、13號壩段壩體上游壩面各布置1條水尺；在上壩上游左岸側(cè)水位站測井的井身上布置1條水尺。同時，在左岸拱肩槽上游側(cè)1 970～2 102 m高程段敷設(shè)1根水位觀測管，內(nèi)置滲壓計，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。

在水墊塘左、右岸邊坡各布置1條水尺，監(jiān)測范圍從底部1 948 m高程至頂部2 002 m高程。

在壩址附近空曠、平坦通風(fēng)的草坪上設(shè)置1個氣象專用百葉箱，內(nèi)置自計氣溫計，并在大壩上游左岸側(cè)壩前水位站的儀器房頂布置自計雨量計，實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測。

壩體混凝土溫度測點(diǎn)(壩體溫度計)可兼測大壩上游不同水深處的庫水溫。

4.2 變形監(jiān)測

拱壩變形監(jiān)測系統(tǒng)包括水平位移、垂直及傾斜、橫縫開度、壩基接縫、谷幅弦長等。

4.2.1 水平位移

拱壩水平位移監(jiān)測系統(tǒng)包括垂線監(jiān)測系統(tǒng)、壩體表面水平位移及弦長監(jiān)測。

垂線系統(tǒng)是監(jiān)測水工建筑物水平位移的一種簡便有效且成熟可靠的測量手段，其監(jiān)測成果通常是評價壩體性態(tài)的重要依據(jù)之一[2]。根據(jù)拱壩變形特征及拱梁分載法計算成果，在拱壩共布設(shè)了5組垂線，基本按壩軸線弧長均勻布置，布置在5號、9號、13號壩段以及左右岸壩肩。壩體廊道系統(tǒng)共3層，分別位于2 054、2 005 m高程廊道及基礎(chǔ)廊道，每組垂線與廊道相交處設(shè)有垂線觀測房。正垂線的最高懸掛點(diǎn)設(shè)置于壩頂，并在每層廊道觀測房內(nèi)實(shí)現(xiàn)上、下垂線的分段觀測，并實(shí)現(xiàn)測值的關(guān)聯(lián)。

表面水平位移測點(diǎn)布置于壩頂及2 054、2 005 m高程壩后橋上，工作基點(diǎn)選用平面變形控制網(wǎng)中的壩后網(wǎng)點(diǎn)，采用交會法觀測，與垂線監(jiān)測成果相互校驗(yàn)。壩頂測點(diǎn)布置于壩頂下游側(cè)，每壩段布置1個；在2 054、2 005 m高程壩后橋，每隔1～2個壩段布置1個。

此外，為監(jiān)測拱圈弦長在兩岸山體變形、水壓力及溫度荷載等綜合因素作用下的變化情況，選擇壩頂及壩后橋兩岸側(cè)的表面位移測點(diǎn)，觀測兩點(diǎn)之間距離作為弦長監(jiān)測。

4.2.2 垂直位移

拱壩垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)包括靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、幾何水準(zhǔn)點(diǎn)、雙金屬管標(biāo)及豎直傳高系統(tǒng)。

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)易于實(shí)現(xiàn)自動化監(jiān)測，系統(tǒng)成熟且可靠，幾何水準(zhǔn)法按一等水準(zhǔn)測量要求施測、測量精度高，兩種手段相互校驗(yàn)。在基礎(chǔ)廊道每壩段布置1個水準(zhǔn)點(diǎn)，在2 005 m高程廊道5號～13號壩段每壩段結(jié)合布置1個水準(zhǔn)點(diǎn)和1臺靜力水準(zhǔn)儀，在2 054 m高程廊道每隔1個壩段結(jié)合布置1個水準(zhǔn)點(diǎn)和靜力水準(zhǔn)儀。此外，在壩頂?shù)谋砻嫠綔y點(diǎn)旁布置水準(zhǔn)點(diǎn)。

在5號、13號壩段壩頂與2 054 m高程廊道之間壩體內(nèi)各布置1套豎直傳高系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)2個高程間的高程垂直傳遞及變形監(jiān)測。

在右岸2 005、2 054、2 102 m高程灌漿排水洞內(nèi)各布置1套雙金屬管標(biāo)，位于靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)端點(diǎn)處，并布置1個水準(zhǔn)工作基點(diǎn)，為各高程上的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)及幾何水準(zhǔn)測量提供高程基準(zhǔn)。

4.2.3 壩體橫縫、壩基接觸面開度

壩體橫縫開度監(jiān)測采用單向測縫計，其垂直安裝于橫縫縫面。根據(jù)拱壩結(jié)構(gòu)及分縫布置、封拱灌漿要求，在每個灌區(qū)(9～12 m高)的各橫縫間布置1～3支測縫計，其中在2 078 m高程以下灌區(qū)橫縫上的距離壩體上游面2.5 m處、壩體下游面2 m處及壩體正中位置各布置1支測縫計，在2 078 m高程以上灌區(qū)橫縫上的正中位置布置1支測縫計。

根據(jù)前期結(jié)構(gòu)計算成果，在拱壩5號、7號、8號、9號、12號、14號壩段壩踵、中部及壩趾部位的的壩體與建基面之間接觸面各布置1支單向測縫計，共布置18支，以監(jiān)測壩基接接觸面開合度變化情況，

4.2.4 壩基巖體變形監(jiān)測。

為了解壩基巖體各階段的變形情況，隨壩基開挖過程中埋設(shè)基巖變位計。根據(jù)拱壩壩基斷層、錯動帶等地質(zhì)構(gòu)造分布情況，選擇在6號～17號壩段基礎(chǔ)及斷層f24、f2、f27、f62等結(jié)構(gòu)面附近布置基巖變位計，其中在壩基中間的左岸斷層f24、右岸斷層f62和f2-3附近的豎直向、水平向各布置1套基巖變位計，在9號壩段壩基上游側(cè)、下游側(cè)各布置1套豎直向的基巖變位計，以監(jiān)測不同深度、不同方向上基巖的變形情況。

4.3 滲流監(jiān)測

4.3.1 壩基滲透壓力監(jiān)測

在拱壩壩基布設(shè)5個橫向滲壓監(jiān)測斷面，分別位于5號、7號、9號、11號、15號壩段，其中在5號、11號壩段壩基帷幕后布置1～2個測點(diǎn)，在7號、9號、15號壩段壩基帷幕前、后分別布置1個、2～3個，采用鉆孔埋設(shè)支滲壓計。

另外，在6號壩段壩基帷幕后的斷層f529斷層出露位置、6號壩段壩基帷幕前f27蝕變帶范圍布、在8號壩段壩基帷幕前f27蝕變帶范圍布置1～2個，采用鉆孔埋設(shè)1支滲壓計、孔內(nèi)透水段需穿過相應(yīng)部位的斷層范圍。

4.3.2 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測

根據(jù)拱壩防滲帷幕及排水系統(tǒng)的設(shè)置方案，在基礎(chǔ)廊道主排水幕線下游側(cè)布設(shè)1個縱向滲壓監(jiān)測斷，在斷面3號～16號壩段每壩段中部附近(相鄰排水孔中間)布置1測壓管；測壓管鉆孔深入建基面以下1 m。

4.3.3 滲流量監(jiān)測

壩體及壩基滲流量采用量水堰法監(jiān)測。根據(jù)拱壩各高程廊道、左右岸灌漿排水廊道內(nèi)的排水設(shè)計方案，在壩頂兩岸側(cè)灌排洞和2 102、2 054、2 005 m高程及基礎(chǔ)廊道排水溝內(nèi)分區(qū)布置量水堰，以分區(qū)監(jiān)測不同范圍的滲流量；并在基礎(chǔ)廊道集水井前兩側(cè)排水溝內(nèi)布置量水堰，以監(jiān)測壩體及壩基總滲流量。

此外，在拱壩下游的左、右岸抗力體排水洞洞口排水溝內(nèi)布置量水堰，以監(jiān)測相應(yīng)部位抗力體排水洞的滲流量。

4.3.4 繞壩滲流及地下水位監(jiān)測

根據(jù)壩址水文地質(zhì)條件、樞紐布置、滲控設(shè)施及繞滲區(qū)滲透特性，在左右岸2 012、2 054、2 005 m高程灌漿排水廊道內(nèi)的帷幕后沿流線方向布置2～3個監(jiān)測斷面，測點(diǎn)主要分布在壩肩、帷幕灌漿端頭及中間部位；在左右岸2 012 m高程帷幕灌漿平洞的帷幕前各布置1個測點(diǎn)；另外，在拱壩下游的左右岸抗力體排水洞內(nèi)沿流線方向各布置3個測點(diǎn)，以監(jiān)測蓄水對壩址地下水位的影響，了解是否存在明顯的繞壩滲流情況，進(jìn)而評價拱壩帷幕灌漿的防滲效果。

4.3.5 水質(zhì)分析。

選取有代表性的排水孔、繞滲孔、測壓管及洞室滲水點(diǎn)定期進(jìn)行簡易水質(zhì)分析[3]。若有析出物、排水渾濁或有異味等，則需要進(jìn)行全分析。通過分析，確定庫區(qū)水、滲漏水及析出物的物理性質(zhì)和化學(xué)組成，以掌握滲透水及析出物的來源及發(fā)展趨勢[2]。

4.4 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

(1)應(yīng)變計布置。采用五向、九向應(yīng)變計組并配合無應(yīng)力計對壩體混凝土應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行監(jiān)測。根據(jù)壩體變形及應(yīng)力計算成果并兼顧拱梁分載法的拱梁布置，測點(diǎn)主要布置在“5拱”、“3梁”部位上：選擇在拱壩高程2 060、2 040、2 020、2 000、1 980 m處的5層拱圈上布設(shè)拱向監(jiān)測斷面，在5號、9號(拱冠梁)、13號壩段布設(shè)梁向監(jiān)測斷面(均為垂線壩段)；另外在壩基應(yīng)力較大部位增設(shè)混凝土應(yīng)力測點(diǎn)并單獨(dú)布置。拱向監(jiān)測斷面在距上游面2 m處、距下游面2 m處各布置1支無應(yīng)力計和1組五向應(yīng)變計組；梁向監(jiān)測斷面2 080、2 060 m高程因相對較窄，與拱向?qū)?yīng)布置，并在上述部位外的壩體中間位置增設(shè)無應(yīng)力計和九向應(yīng)變計組；除梁向監(jiān)測斷面外壩基均采用3組九向應(yīng)變計組監(jiān)測，布置于距上游面2 m處、距下游面2 m處和壩體中間處。

(2)壓應(yīng)力計布置。壩基壓應(yīng)力采用壓應(yīng)力計監(jiān)測。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算成果，選擇在壩基壓應(yīng)力較大部位的典型岸坡及河床壩段建基面布置壓應(yīng)力計，其中在河床8、9號壩段壩基順河向的壩踵、中部和壩趾處各布置1支，在11號壩段中部、壩趾部位各布置1支，以監(jiān)測相應(yīng)部位壩體混凝土與建基面巖體之間接觸部位的壓應(yīng)力(梁向、拱向)情況。壓應(yīng)力計與壩基接觸面測縫計結(jié)合布置，兩者監(jiān)測成果可相互驗(yàn)證并進(jìn)行對比分析。

4.5 溫度監(jiān)測

(1)溫度荷載是拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計中的一項(xiàng)主要荷載。溫度監(jiān)測是為了掌握壩體溫度場和溫度變化情況，施工期用于混凝土溫控、確定拱壩封拱灌漿時間及防止產(chǎn)生溫度裂縫，運(yùn)行期可研究溫度對壩體變形、應(yīng)力及壩肩穩(wěn)定的影響[3]。選擇在拱壩1 954、1 970、1 985、2 000、2 015、2 030、2 045、2 060、2 075、2 090 m高程處的共10層拱圈上布置壩體溫度計：在壩體2 000 m高程及以下范圍各層布置4支溫度計，分別埋設(shè)于壩體距上游面0.1 m處、距下游面0.1 m處、另2支均勻布置在中間位置；在壩體2 000 m高程以上范圍內(nèi)各層布置3支溫度計，分別埋設(shè)于距上游面0.1 m、壩體正中、距下游面0.1 m。

(2)壩基巖體溫度采用鉆孔埋設(shè)溫度計組進(jìn)行監(jiān)測。在拱壩5號(左岸約1/4拱弧壩段)、9號(拱冠梁壩段)、13號壩段(右岸約1/4拱弧壩段)壩基部位各鉆孔埋設(shè)3支溫度計(不同深度)，鉆孔垂直于建基面，以監(jiān)測壩基不同深度巖體溫度變化情況。

4.6 強(qiáng)震動監(jiān)測

本工程區(qū)域地震基本烈度為Ⅶ度，抗震設(shè)防類別為甲類，設(shè)計烈度采用8度，拱壩設(shè)計地震以100年為基準(zhǔn)期，超越概率為2%確定設(shè)計概率水準(zhǔn)，相應(yīng)的地震水平加速度為302.4gal[4]。按規(guī)范要求應(yīng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣的強(qiáng)震觀測設(shè)計。

拱壩強(qiáng)震動采用強(qiáng)震儀(三向加速度計)進(jìn)行監(jiān)測，以拱壩結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣為主：在沿拱冠梁的4個不同高程(壩頂、2 054 m高程廊道、2 005 m高程廊道、1 955 m高程廊道)各布置1臺強(qiáng)震儀，以求其動力放大位數(shù)；在拱壩1/4壩頂及基礎(chǔ)廊道內(nèi)布置3臺強(qiáng)震儀，以求其地震運(yùn)動相位和振型；在拱壩的左、右岸壩肩各布置1臺強(qiáng)震儀，以求大壩的地震輸入。另外，在距離壩址約2倍壩高距離的大壩下游布置1臺強(qiáng)震儀，以觀測壩址區(qū)河谷自由場的輸入地震地。

5 監(jiān)測自動化系統(tǒng)設(shè)計

由于本工程監(jiān)測系統(tǒng)測點(diǎn)多、覆蓋面廣，施工期、運(yùn)行期監(jiān)測期長，只有建立比較完善的安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，才可能及時進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、分析處理，快速提供反饋信息，及時掌握各建筑物的工作性態(tài)，為工程下閘蓄水及運(yùn)行期的安全運(yùn)行提供保障。

本工程監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式、多級連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式，傳輸方式采用光纖環(huán)網(wǎng)，并基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)取，F(xiàn)場監(jiān)測站內(nèi)采用RJ45網(wǎng)絡(luò)連接口實(shí)現(xiàn)內(nèi)部串聯(lián)，各現(xiàn)場監(jiān)測站之間、現(xiàn)場監(jiān)測站與監(jiān)測管理站之間直接采用光纖環(huán)網(wǎng)通信。整個系統(tǒng)具備GPS網(wǎng)絡(luò)授時功能，確保整個自動化系統(tǒng)(包括強(qiáng)震子系統(tǒng))時鐘統(tǒng)一[5]。

拱壩監(jiān)測自動化系統(tǒng)是樞紐區(qū)監(jiān)測自動化系統(tǒng)的主要子系統(tǒng)之一，施工期獨(dú)立建設(shè)，以滿足下閘蓄水后拱壩性態(tài)及時監(jiān)測的需要，后期接入樞紐區(qū)系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理。在蓄水前完成拱壩2 054 m高程以下的監(jiān)測儀器設(shè)備接入監(jiān)測自動化系統(tǒng)。受限于現(xiàn)場條件，現(xiàn)場采用半自動化監(jiān)測，即數(shù)據(jù)自動采集裝置每天采集1次，定期由人工收集裝置內(nèi)的數(shù)據(jù)，人工導(dǎo)入服務(wù)器內(nèi)。

6 監(jiān)測系統(tǒng)主要特點(diǎn)

(1)拱壩變形監(jiān)測系統(tǒng)由5組垂線、表面變形測點(diǎn)組成水和2條靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)、2套豎直傳高系統(tǒng)、3套雙金屬管標(biāo)和幾何水準(zhǔn)點(diǎn)組成；采用單向測縫計監(jiān)測壩體橫縫、壩基接縫開合度；采用基本變位計監(jiān)測壩基巖體變形；采用壩基滲壓計、測壓管監(jiān)測壩基滲壓和揚(yáng)壓力；采用采用五向、九向應(yīng)變計組并配合無應(yīng)力計監(jiān)測壩體應(yīng)力應(yīng)變等。對壩體關(guān)鍵和重要部位適當(dāng)進(jìn)行冗余和平行布置，并采用多種手段聯(lián)合監(jiān)測。

(2)監(jiān)測設(shè)計和實(shí)施過程緊密結(jié)合了壩基開挖支護(hù)、壩體混凝土澆筑的施工工藝、進(jìn)度，提升了與土建施工間的協(xié)調(diào)與配合，加強(qiáng)了施工期儀器及其電纜的保護(hù)措施設(shè)計和要求，全過程重視儀器設(shè)備的完好率。

(3)壩體混凝土溫度控制、壩體橫縫開度變化等施工期安全監(jiān)測結(jié)果可及時反饋給設(shè)計方和施工方，為壩體溫控、確定最佳封拱灌漿時間提供了可信的依據(jù)，并能準(zhǔn)確地評價灌漿效果，有效地指導(dǎo)了工程施工。

(4)在監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計及施工過程中，也及時根據(jù)工程需要及時進(jìn)行了調(diào)整和優(yōu)化，在對優(yōu)化接縫灌漿時機(jī)和方法、溫控措施等方面發(fā)揮了積極作用。

7 結(jié) 語

楊房溝拱壩安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案符合現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范要求，滿足施工期、蓄水期及運(yùn)行期工程安全監(jiān)測的需求，并緊密結(jié)合施工過程中結(jié)構(gòu)布置改變及施工工藝的優(yōu)化改進(jìn)等實(shí)際情況，對監(jiān)測項(xiàng)目和手段進(jìn)行了動態(tài)的調(diào)整，對重點(diǎn)監(jiān)測部位(如壩基f27斷層、壩基巖體壓縮變形、壩體橫縫開度)加強(qiáng)監(jiān)測措施，在一定程度上也能指導(dǎo)施工和驗(yàn)證設(shè)計，在掌握拱壩運(yùn)行性態(tài)、評價施工質(zhì)量等工作中發(fā)揮了重要作用。