新疆某平原水庫放水涵洞安全監(jiān)測系統(tǒng)分析研究

阿布都沙拉木·托爾遜，曹 銳

（新疆額爾齊斯河流域開發(fā)工程建設(shè)管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水庫是尾部調(diào)節(jié)平原水庫，位于阜康與米泉市交接處，距阜康市城西北10.0 km，水庫工程主要由大壩、放水（兼放空）涵洞、入庫建筑物組成，水庫總庫容2.81億m3，屬大（2）型水庫，工程等別為二等。

放水兼放空洞布置在中壩段上，為壩下埋管。進(jìn)水口為開敞式進(jìn)水口，洞身段為城門洞型雙孔，縱坡為1/200，單孔設(shè)計流量為25 m3/s，為無壓涵洞。由進(jìn)口引渠段、閘井段、洞身段、明槽、陡坡段、消力池段、供退水閘、退水渠等組成。涵洞坐落在低液限粉土地基上，為改善地基承載力，減少結(jié)構(gòu)物沉降，設(shè)計采用了礫質(zhì)土換填方案。閘井段換土深度10 m，洞身段換土深度11 m，礫質(zhì)土換填厚度沿壩軸線方向用緩坡過度，解決了在壩軸線方向的不均勻沉降。涵洞洞身段樁號為洞0+023.5～洞0+093.5,全長為70 m，洞底板設(shè)計高程為480.00 m～479.65 m，底板縱坡為1/200。采用180°頂拱，直墻高3.3 m的城門洞形斷面。洞0+023.5～洞0+030.5段，孔口尺寸3 m×5.3 m～3 m×4.8 m； 洞 0+030.5～洞 0+093.5段，孔口尺寸3 m×4.8 m。 洞身段每7 m設(shè)一道結(jié)構(gòu)縫，縫寬3 cm，內(nèi)設(shè)一道紫銅止水和一道橡膠止水，相鄰洞身結(jié)構(gòu)分縫處下設(shè)基礎(chǔ)墊梁（圖1）。

圖1 放水（兼放空）涵洞縱剖面圖

2 放水涵洞監(jiān)測儀器布置

考慮到涵洞的特殊性并結(jié)合工程實際，本工程設(shè)置了涵洞與壩體接觸部位變形觀測、結(jié)構(gòu)縫變形監(jiān)測、滲透壓力觀測、土壓力觀測等觀測項目（圖2）。

圖2 放水涵洞監(jiān)測儀器布置圖

2.1 涵洞滲流觀測

涵洞滲流觀測，是監(jiān)測沿涵洞軸線方向的滲流情況，在沿涵洞軸線重點的結(jié)構(gòu)縫周圍布設(shè)了6個觀測斷面，每個觀測斷面上有6支孔隙水壓力計，共計36支GKD型振弦式孔隙水壓力計。（在涵洞斷面上、下、左、右和左右上角各一支）。目前實現(xiàn)自動化監(jiān)測，每日進(jìn)行兩側(cè)監(jiān)測。

孔隙水壓力計的工作原理：GKD型振弦式孔隙水壓力表由透水板、承壓膜、鋼絲繩、支架、線圈、殼體和傳輸電纜組成。振弦式孔隙水壓力計將振弦與敏感的壓力膜片相連。當(dāng)孔隙水壓力通過可滲透板傳遞到儀器的內(nèi)腔并作用在壓力膜片上時，壓力膜片和振弦會一起變形。振弦固有頻率的變化可以將液壓轉(zhuǎn)換成等效頻率信號并進(jìn)行測量。

式中：U—孔隙水壓力，KPa；

K－傳感器系數(shù)，其數(shù)值與承壓膜和振弦的尺寸及材料性質(zhì)有關(guān)，由室內(nèi)標(biāo)定給出，KPa/Hz2；

f0—零大氣壓力下振弦的振動頻率，Hz；

fi—某一個時刻的滲透水壓力U作用下的振弦的振動頻率，Hz。

2.2 涵洞與壩體接觸部位變形

放水兼放空涵洞是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，用來輸水和放空水庫，因為剛性建筑物穿過壩體，放水涵洞與壩體接觸的部位容易產(chǎn)生差異變形，所以在涵洞軸線方向布設(shè)位移計觀測壩體和涵洞相對變形是很重要的一項觀測項目。根據(jù)涵洞結(jié)構(gòu)，分別在洞0+037、洞0+058和洞0+079，設(shè)了3個觀測斷面，在每個觀測斷面設(shè)置4組雙向位移計，共計24支位移計，此外在涵洞0+079斷面增設(shè)一組兩支位移計，其編號為 TS1-1、TS1-2～TS12-1、TS12-2， TS13-1 和TS13-2。

涵洞與壩體接觸部位的變形采用TS型位移計觀測。TS型位移計既可單支埋設(shè)，亦可組合埋設(shè)，可用于測量壩體內(nèi)任何方向的位移。涵洞與壩體接觸部分即采用兩支位移計成組埋設(shè)的方法來觀測涵洞與周圍土體之間的水平位移和剪切位移。TS型位移計讀數(shù)測量可借助于TS型位移計讀數(shù)儀進(jìn)行。其位移量的計算公式如下：

式中：di—i時刻實測位移量，mm。

k—儀器系數(shù)，mm/mV；

V0—埋設(shè)時電壓，mV；

Vi—i時刻的實測電壓，mV。

2.3 涵洞結(jié)構(gòu)縫變形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，因地基變形而出現(xiàn)涵洞變形主要反映在涵洞結(jié)構(gòu)縫變形上，因此涵洞結(jié)構(gòu)縫變形觀測很有必要。沿涵洞軸線布設(shè)3個觀測斷面，每個斷面設(shè)有2個測點，測縫計布置在結(jié)構(gòu)縫下面，共6支儀器，編號為J1～J6。斷面樁號分別為洞0+037.5、洞0+058.5和洞0+079.5

測縫計實際上就是單支埋設(shè)的TS型位移計，埋設(shè)時將其兩端分別錨固于結(jié)構(gòu)縫兩側(cè)的鋼筋混凝土內(nèi)，使其橫跨結(jié)構(gòu)縫，從而觀測結(jié)構(gòu)縫的張開與閉合情況。其位移量的計算公式同前述TS型位移計。

2.4 土壓力監(jiān)測

土壓力監(jiān)測是指放水涵洞和周邊土體的接觸情況的監(jiān)測，為了監(jiān)測涵洞和周圍土體的接觸情況，沿涵洞軸線洞0+037、洞0+058和洞0+079這3個斷面布置了界面式土壓力計，觀測斷面樁號和位移計相同，即每個斷面埋設(shè)6支土壓力計，共計18支。

土壓力計的埋設(shè)方法是：在涵洞混凝土澆筑前預(yù)埋土壓力計模盒，模盒直徑略大于土壓力計直徑，埋設(shè)儀器前將模具取下，然后將土壓力計安裝就位，將承壓面朝向填土面，埋設(shè)時還應(yīng)注意保證土壓力計的承壓面與混凝土面齊平。

土壓力計的傳感器為振弦式儀器，計算方法可參考上述振弦式孔隙水壓力計的計算方法：

土壓力監(jiān)測原理

式中：σs—土壓力計實測的應(yīng)力，MPa；

fs—土壓力計的最小讀數(shù)（靈敏度）；

ΔZ—以變形前所觀測的電阻比Z0為起點計算的變形引起的電阻比增量，ΔZ=Z-Z0；

ΔT—以變形前所觀測的溫度測值T0為起點計算的變形后的溫度增量，ΔT=T-T0；

bs—差動儀器的溫度修正系數(shù)（溫度補償系數(shù)）。

按下式計算溫度

式中：T—差動儀器埋設(shè)點的溫度；

RT—差動儀器的電阻值，通常稱為溫度電阻，Ω；

α'—差動儀器0 ℃以上的溫度常數(shù)；

α"—差動儀器0 ℃以下的溫度常數(shù)；

R0'—差動儀器0 ℃時的計算電阻。

3 監(jiān)測資料分析研究

3.1 滲流觀測成果

（1）根據(jù)滲流監(jiān)測資料，所有壩體上游側(cè)的滲壓計監(jiān)測得出，壩體各斷面滲流基本穩(wěn)定，隨著庫水位的變化而變化，與庫水位成正相關(guān)，變化有一定的滯后時間，基本符合壩體內(nèi)部滲流水頭逐漸減小的趨勢，壩體排水通暢。

圖3 滲流觀測（2016-4-1～2021-5-1）

（2）經(jīng)滲流計算，壩體下游壩坡坡腳排水體最大破壞比降為0.07，小于允許的破壞比降0.1；壩基最大破壞比降為0.11，小于允許的破壞比降0.45；出逸點滲透比降均小于根據(jù)試驗成果給出的允許滲透比降，即大壩壩體不會發(fā)生滲透破壞。壩基滲透比降也均小于壩基允許比降，即壩基不會發(fā)生滲透破壞。可以初步判斷壩體滲透破壞的可能性相對較小。

（3）大壩年滲漏量在20.9萬～34.5萬m3之間。經(jīng)滲流計算，大壩年滲流總量為52.22萬m3，占總庫容的0.19%，水庫滲漏量較小，大壩滲流穩(wěn)定、正常；放水涵洞沒有滲水現(xiàn)象。

3.2 涵洞與壩體接觸部位位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)成果分析

多年來，施工期及蓄水初期涵洞與壩體接觸部位位移計監(jiān)測數(shù)據(jù)增長較大，運行后期測值穩(wěn)定，具體成果分析如下：

（1）施工期，各位移計的測值都隨涵洞周圍填土的上升而增大，位移計測值過程線與填筑過程線相關(guān)性良好。無論是剪切位移還是水平位移，在相同斷面和相同高度的涵洞兩側(cè)的兩個位移計所測量的位移都比較接近。一方面，表明涵洞兩側(cè)的土壤位移的對稱性，另一方面，也表明測量值的可靠性。

（2）大壩施工完成后，每個測量點的位移過程線趨于穩(wěn)定，但水庫開始蓄水后的前3年，大部分位移計的測值出了不同程度的增長量，這表明水庫蓄水對涵洞與周圍土體之間的變形影響比較明顯。3年后，位移計變化很小，說明涵洞與周圍土體之間的變形受庫水位的影響變小，基本保持穩(wěn)定。

圖4 移位監(jiān)測（2014-4-1～2021-5-1）

（3）剪切位移的增長速率和量值都比水平位移大，說明涵洞和周圍土體間的位移以剪切為主。

3.3 涵洞結(jié)構(gòu)縫變形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，地基變形的影響主要反映在涵洞結(jié)構(gòu)縫上，所以結(jié)構(gòu)縫觀測很有必要的。根據(jù)多年的結(jié)構(gòu)縫變形觀測數(shù)據(jù)來看，水庫蓄水后測縫計監(jiān)測數(shù)據(jù)比較小，蓄水對結(jié)構(gòu)縫變形影響很小，各測縫計測值變化甚微。J4與J6測縫計工作正常，全年變化不超過0.03 mm。涵洞各測點位移過程線在大壩填筑施工完后趨于穩(wěn)定。

3.4 土壓力計監(jiān)測成果分析

施工期，土壓力測值隨上部填土厚度增大而增大，其測值和儀器上部填土厚度相關(guān)性明顯，表明土壓力測值和其上部填土荷載有關(guān)。從穩(wěn)定后的結(jié)果來看，3個斷面的土壓力值，均是埋設(shè)于底部監(jiān)測側(cè)向壓力的測點數(shù)值最小，頂部監(jiān)測上覆土體自重應(yīng)力的測點次之，而以中部傾斜埋設(shè)的測點數(shù)值最大，這說明土壓力測值受填土厚度和觀測方向綜合影響，結(jié)果符合一般規(guī)律。

圖5 涵洞測縫計（2016-4-1～2021-5-1）

圖6 洞0+037土壓力計監(jiān)測（2014-4-1～2021-5-1）

4 結(jié)語

本文介紹了某坐落在低液限粉土地基上放水涵洞的工程特點并根據(jù)工程特點采取的滲流觀測、涵洞與壩體接觸部位變形、涵洞結(jié)構(gòu)縫變形、土壓力計監(jiān)測等安全監(jiān)測手段。并根據(jù)多年的監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)合水庫調(diào)度運行和巡視檢查等運行管理數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析研究，初步判斷水庫大壩和放水涵洞運行狀態(tài)。

根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來看水庫滲漏量較小，大壩滲流穩(wěn)定、正常；放水涵洞沒有滲水現(xiàn)象；位移計變化很小，涵洞與周圍土體之間的變形受庫水位的影響變小，基本保持穩(wěn)定；涵洞段結(jié)構(gòu)縫測縫計工作正常，全年變化不超過0.03 mm。

綜合以上分析，大壩監(jiān)測設(shè)備齊全，壩體的監(jiān)測資料齊全，監(jiān)測資料變化規(guī)律正常，測值在規(guī)定的允許值內(nèi)，運行過程中無異常情況，大壩安全性態(tài)正常。