高寒高海拔地區(qū)某碾壓混凝土壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)研究與實(shí)踐

◎林金城 中國(guó)電建集團(tuán)貴陽(yáng)勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

1.工程概況

該工程處在西藏自治區(qū)境內(nèi)，電站的主要功能為發(fā)電，水庫(kù)正常時(shí)的蓄水位為3418m，相對(duì)應(yīng)的庫(kù)容達(dá)7959萬(wàn)m3，電站裝機(jī)容量160MW。該工程的主要組成部分有碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪沖沙系統(tǒng)、左岸壩身引水系統(tǒng)、壩后廠房。擋水建筑物的最大壩高達(dá)83.00m，壩頂寬8m，壩頂全長(zhǎng)235.50m。屬于三等中型工程，主要永久建筑物等級(jí)為3級(jí)，次要建筑物等級(jí)為4級(jí)。

工程區(qū)平均海拔3400m，多年平均氣溫5.6℃，極端最低氣溫-20°，晝夜溫差較大，年平均日溫差為16℃，常年降雨量少、寒冷干燥、低壓缺氧、日照長(zhǎng)、輻射強(qiáng)烈。屬于典型的高海拔寒冷地區(qū)氣候條件。

2.碾壓混凝土壩安全監(jiān)測(cè)的重、難點(diǎn)分析

（1）壩基為厚層塊狀砂巖、粉砂巖夾泥巖等硬質(zhì)巖類(lèi)，主要類(lèi)型為Ⅲ2A類(lèi)巖體，建基面承載力滿足要求，但局部受軟巖分布影響，可能引起壩基不均勻變形。

（2）工程位于高寒高海拔地區(qū)，面臨凍融循環(huán)、氣候干燥、晝夜大溫差及寒潮溫度驟降等多重不利因素的影響，壩體混凝土極易產(chǎn)生溫度裂縫及干縮裂縫等有害裂縫。

（3）大壩采用碾壓混凝土筑壩，屬大體積混凝土施工，干硬性混凝土的水化熱反應(yīng)具有滯后性，壩內(nèi)混凝土達(dá)到穩(wěn)定溫度場(chǎng)需歷時(shí)較長(zhǎng)。

（4）在高寒高海拔地區(qū)冬季施工難度大，且氧氣稀薄引起機(jī)械及人工降效，可能導(dǎo)致混凝土層間結(jié)合質(zhì)量問(wèn)題。

（5）該地區(qū)日照時(shí)間長(zhǎng)，紫外線輻射較強(qiáng)且空氣濕度低，由此縮短了混凝土的初凝時(shí)間，從而對(duì)混凝層間結(jié)合質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

（6）在如此復(fù)雜的環(huán)境條件下，對(duì)于監(jiān)測(cè)設(shè)備的適應(yīng)性、耐久性、可靠性更是一個(gè)嚴(yán)峻考驗(yàn)。

綜合以上分析，變形和滲流滲壓是壩體最直觀的安全體現(xiàn)，施工期混凝土溫控及養(yǎng)護(hù)工作是壩體澆筑質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，因此大壩的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)包括壩體變形、滲流滲壓、壩體溫度、壩體應(yīng)力應(yīng)變等。監(jiān)測(cè)儀器的選型也是決定能否實(shí)時(shí)掌握大壩工作性態(tài)的難點(diǎn)之一。

3.擋水建筑物安全監(jiān)測(cè)布置

擋水建筑物主要組成部分有左岸擋水壩段、左岸取水壩段、河床溢流壩段和右岸擋水壩段。整體安全監(jiān)測(cè)工作分為壩體變形監(jiān)測(cè)、縫開(kāi)合度監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)、滲流滲壓監(jiān)測(cè)、強(qiáng)震動(dòng)監(jiān)測(cè)等。

3.1 變形監(jiān)測(cè)

針對(duì)壩體的水平和垂直位移、壩基的變形以及壩體縫的開(kāi)合度實(shí)施監(jiān)測(cè)。于最大壩高、地質(zhì)條件復(fù)雜、擋水建筑物不同功能壩段設(shè)置監(jiān)測(cè)斷面，一共設(shè)置了3個(gè)主監(jiān)測(cè)斷面及1個(gè)輔監(jiān)測(cè)斷面，具體處于左岸5#引水壩段、8#溢流壩段、右岸10#擋水壩段和左岸3#擋水壩段。

①水平位移：在不同功能壩段的壩頂上游側(cè)布置表面觀測(cè)墩，左右岸兩壩肩上的觀測(cè)墩作為視準(zhǔn)線基點(diǎn)；于壩頂?shù)南掠蝹?cè)設(shè)置1套真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)，也可用其監(jiān)測(cè)垂直位移；在主監(jiān)測(cè)斷面各布置1組正倒垂結(jié)合的垂線進(jìn)行壩體及壩基水平位移監(jiān)測(cè)。另外在左右岸測(cè)站內(nèi)分別布置1組倒垂線為真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)提供變形基準(zhǔn)值。

②垂直位移：結(jié)合表面觀測(cè)墩布置水準(zhǔn)點(diǎn)，水準(zhǔn)測(cè)量采用沿線往返測(cè)回形成閉合回路，水準(zhǔn)基點(diǎn)采用樞紐建筑物水準(zhǔn)網(wǎng)校測(cè)；為了解縱橫向的壩基不均沉降變形，在壩基底層廊道內(nèi)布置靜力水準(zhǔn)儀，對(duì)壩基垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用雙標(biāo)倒垂作為校測(cè)基點(diǎn)。

③壩基變形：左岸3#壩段基礎(chǔ)泥巖含量比例較多，抗滑穩(wěn)定安全余度較低，在該壩段基礎(chǔ)設(shè)置基巖變位計(jì)對(duì)壩基位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

④縫的開(kāi)合度：壩基邊坡左陡右緩，在壩體與基巖接觸面可能發(fā)生裂縫的部位以及不同壩段之間的誘導(dǎo)縫、橫縫，采用測(cè)縫計(jì)進(jìn)行開(kāi)合度監(jiān)測(cè)，為施工期灌漿提供必要數(shù)據(jù)；受施工方法、混凝土溫度、大氣溫度、壩體應(yīng)力等因素的影響，壩體表面可能產(chǎn)生隨機(jī)裂縫，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際發(fā)生的裂縫進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.2 大壩滲流滲壓監(jiān)測(cè)

主要監(jiān)測(cè)的內(nèi)容有壩基揚(yáng)壓力、滲透壓力、繞壩滲流、滲漏量，通過(guò)監(jiān)測(cè)資料可直觀反映壩體混凝土防滲性能及施工質(zhì)量，檢驗(yàn)防滲系統(tǒng)、排水系統(tǒng)的效果，判斷大壩的滲流穩(wěn)定性并分析壩體抗滑穩(wěn)定性，并及時(shí)采取安全處理措施。

①壩基揚(yáng)壓力。在壩基灌漿廊道帷幕后布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，采用測(cè)壓管和滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)壩基揚(yáng)壓力的縱向分布情況；在壩橫0+132.25m、壩橫0+075.00m、壩橫0+191.00m布置測(cè)壓管和滲壓計(jì)，監(jiān)測(cè)壩基揚(yáng)壓力橫向分布情況。

②滲透壓力。壩體的滲壓情況可以間接反映混凝土層間結(jié)合質(zhì)量，在壩橫0+132.25m、壩橫0+075.00 m 斷面的3345m 和3355m高程，常態(tài)與碾壓混凝土分界面上成組布置滲壓計(jì)，距上游壩面依次為1m、3m和6m，對(duì)壩體水平向滲透壓力分布和壩體沿垂直向的滲壓分布進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

③滲流量。壩體滲漏量監(jiān)測(cè)考慮分區(qū)排水分區(qū)監(jiān)測(cè)，分別在壩基集水井入口處、上游灌漿廊道、排水廊道內(nèi)布置量水堰，監(jiān)測(cè)帷幕前后、左右岸不同分區(qū)的滲水量，評(píng)價(jià)壩基及壩體防滲效果。

④繞壩滲流。在壩肩兩岸沿下游岸坡的流線方向設(shè)置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)觀測(cè)斷面設(shè)2～3個(gè)水位觀測(cè)孔，在左岸帷幕灌漿廊道的端部和近壩區(qū)各布置1支滲壓計(jì)，在右岸帷幕灌漿廊道端部、中部和近壩區(qū)各布置1支滲壓計(jì)，對(duì)庫(kù)水繞滲及帷幕防滲效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

3.3 大壩應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)

①應(yīng)力應(yīng)變：由于擋水建筑物為高壩，使用雙向應(yīng)變計(jì)組和無(wú)應(yīng)力計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)壩踵、壩趾等應(yīng)力較大部位的應(yīng)力應(yīng)變；大壩壩身設(shè)有溢流表孔和泄洪沖沙孔，采用鋼筋計(jì)、錨索測(cè)力計(jì)對(duì)壩身閘墩的應(yīng)力進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

②溫度監(jiān)測(cè)：考慮該地區(qū)復(fù)雜的氣候條件及壩體施工工藝等因素，采用點(diǎn)式溫度計(jì)及測(cè)溫光纖對(duì)壩體內(nèi)部溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)；選擇河床最高壩段，在上游建基面鉆孔布置4支溫度計(jì)，以此監(jiān)測(cè)混凝土水化熱溫升時(shí)對(duì)基巖產(chǎn)生的影響以及基巖不同深度下溫度分布情況；并在壩體溫度監(jiān)測(cè)斷面設(shè)置溫度計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)大壩下游表面溫度。

3.4 大壩強(qiáng)震監(jiān)測(cè)

選取最高壩段作為地震強(qiáng)震動(dòng)反應(yīng)監(jiān)測(cè)的主斷面，在壩頂、壩基廊道內(nèi)及右壩肩各布置1個(gè)強(qiáng)震監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在左岸下游離壩址2倍壩高附近的庫(kù)岸基巖上布置1個(gè)自由測(cè)點(diǎn)。通過(guò)強(qiáng)震儀來(lái)監(jiān)測(cè)發(fā)生地震時(shí)的振幅、頻率、振動(dòng)速度和加速度。

4.儀器選型

監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的選型應(yīng)考慮監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及工程性質(zhì)等因素，并遵從以下原則：

（1）監(jiān)測(cè)儀器必須要求質(zhì)量可靠、測(cè)值準(zhǔn)確、耐久性好，能適應(yīng)高寒高海拔地區(qū)的自然環(huán)境，在晝夜大溫差條件下可長(zhǎng)期工作。

（2）具有工程所需要的精度、量程、重復(fù)性等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)且易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

（3）應(yīng)對(duì)各類(lèi)設(shè)備進(jìn)行充分論證和對(duì)比，所選儀器設(shè)備種類(lèi)少，為運(yùn)行管理和后期自動(dòng)化系統(tǒng)提供方便。

5.安全監(jiān)測(cè)實(shí)施效果

至工程竣工驗(yàn)收時(shí)，埋設(shè)儀器總體完好率為89.1%，并已實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。水庫(kù)蓄水以來(lái)已通過(guò)6次汛期考驗(yàn)，泄洪設(shè)施多次放水，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)巡視及碾壓混凝土重力壩已安裝的壩體壩基變形、接縫變形、滲流滲壓、應(yīng)力應(yīng)變和溫度等監(jiān)測(cè)儀器所取得的監(jiān)測(cè)成果表明，壩體壩基工作性態(tài)良好。目前，大壩制定的水庫(kù)運(yùn)行方式已在多個(gè)汛期進(jìn)行了試驗(yàn)，證明是可行的，可以保證工程的發(fā)電和防洪安全。

6.結(jié)束語(yǔ)

作為藏區(qū)第一座碾壓混凝土重力壩，面臨著凍融循環(huán)、氣候干燥、晝夜大溫差等多重不利因素影響，為保障大壩的施工質(zhì)量和運(yùn)行安全，開(kāi)展了筑壩材料、施工技術(shù)、安全監(jiān)測(cè)等相關(guān)研究工作，采取施工控制措施、不斷完善監(jiān)測(cè)體系，從而確保電站的建成和安全運(yùn)行。