柔性測(cè)斜儀在300 m級(jí)高壩中的應(yīng)用

陶 子 傲， 代 喬 亨

(中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

兩河口水電站壩址控制流域面積為6.57萬km2，壩址處多年平均流量為666 m3/s。水庫正常蓄水位高程2 865 m，相應(yīng)庫容107.67億m3，調(diào)節(jié)庫容65.6億m3，具有多年調(diào)節(jié)能力。該工程為一等大(1)型工程，樞紐建筑物由土質(zhì)心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、發(fā)電廠房、引水及尾水建筑物等組成。心墻堆石壩最大壩高295 m，發(fā)電廠房為地下式，廠內(nèi)安裝6臺(tái)混流式水輪發(fā)電機(jī)組[1，2]。

該工程的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)遵循“有效合理可靠監(jiān)控工程的安全可靠運(yùn)行以及必要的設(shè)計(jì)反饋研究”的原則，并為建設(shè)更多更好的超高級(jí)土石壩提供寶貴的原型資料及分析成果。

中國電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司(以下簡(jiǎn)稱“成都院”)自2015年即開始進(jìn)行柔性測(cè)斜儀在高土石壩中的應(yīng)用研究工作，經(jīng)過近2年多時(shí)間的跟蹤研究及調(diào)研，提出了兩河口水電站300 m高土石壩柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)方案及其安裝埋設(shè)保護(hù)技術(shù)方案并付之應(yīng)用。

2 研究的目的和意義

近年來，中國水電工程建設(shè)技術(shù)發(fā)展迅速，以雙江口(壩高312 m)、兩河口(壩高295 m)、糯扎渡(壩高261.5 m)、長河壩(壩高240 m)等水電站為代表的一批典型工程將礫石土心墻堆石壩的壩高逐步由100 m級(jí)提升至300 m級(jí)，使我國土石壩的設(shè)計(jì)理論及施工技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。但有關(guān)土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用明顯滯后于土石壩筑壩技術(shù)。目前，國內(nèi)外通常采用沉降環(huán)、水管式沉降儀進(jìn)行大壩內(nèi)部垂直位移的監(jiān)測(cè)，采用引張線式水平位移計(jì)或活動(dòng)式測(cè)斜孔進(jìn)行大壩內(nèi)部水平位移的監(jiān)測(cè)。這些傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器主要針對(duì)100 m級(jí)壩高的水電工程進(jìn)行開發(fā)和研制，其適應(yīng)性已不能完全滿足300 m級(jí)超高土石壩對(duì)變形監(jiān)測(cè)的要求，導(dǎo)致當(dāng)前高土石壩變形監(jiān)測(cè)儀器的存活率普遍偏低。而高土石壩的變形情況一直是工程關(guān)注的重點(diǎn)，直接關(guān)系到大壩能否安全穩(wěn)定運(yùn)行。

因此，針對(duì)300 m級(jí)超高土石壩工程尋找更適宜的安全監(jiān)測(cè)儀器、研究更有效的監(jiān)測(cè)方法就顯得特別有意義，而柔性測(cè)斜儀就是在這種情況下誕生并越來越多地被投入使用[3，4]。

3 儀器簡(jiǎn)介、技術(shù)特點(diǎn)及主要參數(shù)

3.1 儀器簡(jiǎn)介

北京盛科瑞科技有限公司代理的韓國3D GBMS三維連續(xù)型變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(柔性測(cè)斜儀)由一系列連續(xù)相接的MEMS加速度計(jì)傾斜儀構(gòu)成，系統(tǒng)可自動(dòng)確定每個(gè)傾斜儀單元的空間形態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)物的三維變形監(jiān)測(cè)。三維連續(xù)型變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(柔性測(cè)斜儀)是一款新型地面變形監(jiān)測(cè)儀器，既可安裝于鉆孔中監(jiān)測(cè)沿地層深度的土體變形，也可安裝于建筑物表面監(jiān)測(cè)其變形特性，如隧洞、地下空間斷面收斂；油罐地基、軌道沉降；橋梁、擋土墻、軌道扭曲等三維建筑物的變形特征[5]。

盛科瑞三維連續(xù)型變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外徑最大為25 mm，三維連續(xù)型變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(柔性測(cè)斜儀)由MEMS加速度計(jì)三維傳感器、內(nèi)置電路板、標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量單元、特殊不銹鋼外包護(hù)套等部件構(gòu)成。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)既可通過連接筆記本電腦現(xiàn)場(chǎng)采集方式，也可由自動(dòng)采集設(shè)備采集并通過遠(yuǎn)程通訊方式(RS485，3G或4G通訊網(wǎng)絡(luò)，LAN等方式)獲得。安裝于筆記本電腦的采集軟件可用于實(shí)時(shí)處理從CDS獲取的變形測(cè)量數(shù)據(jù)、可視化變形曲線，可將監(jiān)測(cè)目標(biāo)的變形狀態(tài)及變形量實(shí)時(shí)顯示到計(jì)算機(jī)屏幕。

3.2 主要技術(shù)特點(diǎn)

盛科瑞三維連續(xù)型變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(柔性測(cè)斜儀)的主要技術(shù)特點(diǎn)為：

(1)節(jié)省成本，安裝簡(jiǎn)便。在鉆孔中安裝時(shí)，無需使用傳統(tǒng)導(dǎo)槽型測(cè)斜管，僅使用普通30 mm小直徑PVC導(dǎo)管加以保護(hù)即可，相較傳統(tǒng)固定測(cè)斜儀可大幅減少鉆孔與測(cè)斜管成本，安裝簡(jiǎn)便。

(2)監(jiān)測(cè)精度大幅提升。每個(gè)三維連續(xù)型變形測(cè)量單元長度為0.5 m或1 m，相較于傳統(tǒng)固定式測(cè)斜儀2～3 m的測(cè)量標(biāo)距，測(cè)點(diǎn)數(shù)量增加了4～6倍，從而大大提高了變形監(jiān)測(cè)精度。

(3)安裝方式靈活，應(yīng)用廣泛?？韶Q直、水平、任意角度安裝，可獲得三維變形數(shù)據(jù)，可應(yīng)用于隧洞、路基、橋梁的變形監(jiān)測(cè)，應(yīng)用范圍廣泛。

(4)數(shù)據(jù)采集、處理方便，節(jié)省工作量。系統(tǒng)配置包括自動(dòng)數(shù)據(jù)采集與實(shí)時(shí)處理軟件，可將監(jiān)測(cè)目標(biāo)的變形狀態(tài)及變形量實(shí)時(shí)顯示到計(jì)算機(jī)屏幕、記錄到文件并快速形成報(bào)告格式的打印圖表，從而大大減少了技術(shù)人員的數(shù)據(jù)處理、分析時(shí)間與工作量。

4 監(jiān)測(cè)儀器的布置

兩河口水電站礫石土心墻壩共計(jì)布置了12套柔性測(cè)斜儀，儀器總長度為1 097 m。具體布置情況為：

(1)在左右岸混凝土蓋板高程2 641 m、樁號(hào)(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線各布置了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)分別為IN-R1、IN-R2，每套長度為40 m，兼顧開展監(jiān)測(cè)儀器性能測(cè)試和埋設(shè)試驗(yàn)。

(2)在左右岸混凝土蓋板高程2 701 m、樁號(hào)(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線各布置了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)分別為IN-R3、IN-R4，每套長度為132 m，2套儀器在河床中心的搭接長度約為2 m。

(3)在左岸混凝土蓋板高程2 761 m、樁號(hào)(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線布置了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)為IN-R5，儀器長度為200 m；在右岸混凝土蓋板高程2 761 m、樁號(hào)(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線布置了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)為IN-R6，儀器長度為100 m；在兩套柔性測(cè)斜儀之間沿壩軸線布置了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)為IN-R7，儀器長度為100 m；3套柔性測(cè)斜儀之間的搭接長度均為4 m。

(4)在大壩上游堆石區(qū)3-3監(jiān)測(cè)剖面高程2 790 m的L3水管式沉降儀監(jiān)測(cè)條帶溝槽內(nèi)，沿監(jiān)測(cè)條帶近水平布置了3套水平柔性測(cè)斜儀，在上游壩坡至反濾層布設(shè)的3套柔性測(cè)斜儀儀器編號(hào)依次為IN-R8、IN-R9和IN-R10，每套長度為51 m。相鄰2套柔性測(cè)斜儀采用廠家專用的配套接頭進(jìn)行連接。

(5)在大壩3-3監(jiān)測(cè)剖面上游堆石區(qū)高程2 790 m馬道打鉛垂鉆孔并埋設(shè)PE導(dǎo)管和柔性測(cè)斜儀，對(duì)施工期和初蓄期上游堆石區(qū)水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。儀器編號(hào)為IN-R11，長度為100 m。

(6)在大壩心墻3-3監(jiān)測(cè)剖面壩軸線處高程2 775 m豎向預(yù)埋了1根φ85 mm測(cè)斜管，施工期測(cè)斜管隨心墻的填筑預(yù)埋安裝并對(duì)測(cè)斜管外套PE管和伸縮接頭進(jìn)行保護(hù)，待填筑至壩頂高程后，在管內(nèi)豎向安裝了1套柔性測(cè)斜儀，儀器編號(hào)為IN-R12，長度為100 m。

5 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

截止目前，兩河水電站已安裝完成并取得基準(zhǔn)值的柔性測(cè)斜儀共計(jì)10套，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自2017年延續(xù)至今，文中主要對(duì)布置在樞紐建筑物心墻等主要部位的柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析。

(1)2 641 m高程柔性測(cè)斜儀。布置在右岸2 641 m高程的柔性測(cè)斜儀IN-R2實(shí)測(cè)蓄水前大壩心墻累積沉降量在714.9 mm以內(nèi)，一期蓄水期間沉降增幅在40.4 mm以內(nèi)，二期蓄水期間沉降增幅在13.7 mm以內(nèi)，當(dāng)前累積沉降量在778.7 mm以內(nèi)，沉降已基本趨于平緩。布置在右岸2 641 m高程的柔性測(cè)斜儀IN-R2各高程安裝的測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量見表1，心墻左岸2 641 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R2特征點(diǎn)沉降分布過程線見圖1。

(2)2 700 m高程柔性測(cè)斜儀。在大壩心墻2 700 m高程(壩)0+001.2樁號(hào)左、右岸各埋設(shè)了一套柔性測(cè)斜儀，左岸的設(shè)計(jì)編號(hào)為IN-R3，右岸的設(shè)計(jì)編號(hào)為IN-R4。

左岸柔性測(cè)斜儀IN-R3實(shí)測(cè)蓄水前大壩心墻累積沉降量在2 063.3 mm以內(nèi)，一期蓄水期間沉降增幅在169.4 mm以內(nèi)，二期蓄水期間沉降增幅在46.5 mm以內(nèi)，當(dāng)前累積沉降量在2 317.6 mm以內(nèi)，沉降逐漸趨于平緩。

IN-R3柔性測(cè)斜儀132 m測(cè)點(diǎn)的測(cè)值為2 317.6 mm，同部位附近電磁沉降環(huán)DC4-25的測(cè)值為2 336.5 mm，兩者沉降量值基本相當(dāng)。心墻左岸2 700 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R3特征點(diǎn)沉降分布過程線見圖2。

表1 柔性測(cè)斜儀IN-R2沉降量監(jiān)測(cè)成果表

(3)2 761 m高程柔性測(cè)斜儀。在大壩2 761 m高程心墻河床中部及左右岸各布設(shè)了一套柔性測(cè)斜儀，左岸測(cè)點(diǎn)編號(hào)為IN-R5(長度200 m)，右岸測(cè)點(diǎn)編號(hào)為IN-R6(長度100 m)，河床中部測(cè)點(diǎn)編號(hào)為IN-R7(長度100 m)。

圖1 心墻左岸2 641 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R2特征點(diǎn)沉降分布過程線

圖2 心墻左岸2 700 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R3特征點(diǎn)沉降分布過程線

左岸柔性測(cè)斜儀IN-R5實(shí)測(cè)蓄水前大壩心墻累積沉降量在2 354.2 mm以內(nèi)，一期蓄水期間沉降增幅在252.1 mm以內(nèi)，二期蓄水期間沉降增幅在154.9 mm以內(nèi)，當(dāng)前累積沉降量在2 820 mm以內(nèi)，心墻左岸2 761 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R5特征點(diǎn)沉降歷時(shí)過程線見圖3。

IN-R6與IN-R7兩套柔性測(cè)斜儀沉降量累加后，實(shí)測(cè)蓄水前心墻累積沉降量在2 109.7 mm以內(nèi)；一期蓄水期間沉降增幅在517.1 mm以內(nèi)，二期蓄水期間沉降增幅在143.9 mm以內(nèi)，當(dāng)前累積沉降量在2 837.1 mm以內(nèi)，左右岸沉降變形基本沿壩軸線成對(duì)稱分布，左右岸柔性測(cè)斜儀的最大測(cè)值基本相當(dāng)。心墻右岸2 761 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R6與IN-R7特征點(diǎn)沉降歷時(shí)過程線見圖4。

6 結(jié) 語

長期以來，土石壩的沉降變形監(jiān)測(cè)主要依靠沉降環(huán)、水管式沉降儀、橫梁式沉降儀等常規(guī)監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行，但其缺陷明顯；而柔性測(cè)斜儀普遍具有高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)利用性、大量程、持久穩(wěn)定性、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集及存儲(chǔ)等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，柔性測(cè)斜儀通過在兩河口工程中的應(yīng)用，成功地實(shí)現(xiàn)了在大壩心墻壩軸線貫通埋設(shè)柔性測(cè)斜儀(最大安裝長度達(dá)400 m，單根最大埋設(shè)長度達(dá)200 m)，這是國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)大壩心墻全斷面連續(xù)線性沉降監(jiān)測(cè)手段，在國際上亦屬首創(chuàng)。

圖3 心墻左岸2 761 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R5特征點(diǎn)沉降歷時(shí)過程線圖

圖4 心墻右岸2 761 m高程柔性測(cè)斜儀IN-R6、IN-R7特征點(diǎn)沉降歷時(shí)過程線圖

實(shí)踐與論證表明：柔性測(cè)斜儀可以較好地應(yīng)用于各類土建工程，甚至是300 m級(jí)高堆石壩等超級(jí)工程，其監(jiān)測(cè)成果亦能真實(shí)反映所觀測(cè)部位的變形情況?？梢哉J(rèn)為：柔性測(cè)斜儀在性能方面總體滿足300 m級(jí)高土石壩變形監(jiān)測(cè)的需要。