水利工程土石壩壩體施工填筑質(zhì)量變形監(jiān)測方法研究

弓少君

（山西省水利建筑工程局有限公司山西太原030006）

0 引言

我國是世界上修建大壩數(shù)量最多、大壩高度最高的國家之一，平均壩高大于100 m[1]，但由于大壩運行的環(huán)境復(fù)雜，一般在豐水時期會形成很多險壩，存在人員傷亡和財產(chǎn)損失的隱患。因此無論從已經(jīng)建成的大壩安全角度出發(fā)，還是從未來大壩技術(shù)的發(fā)展來看，建立一個健全的大壩監(jiān)測體系都有著十分重要的意義[2]。

土石壩作為所有大壩中修建速度最快，修建方法最便捷的壩型，受到了更廣泛的關(guān)注。關(guān)于大壩的施工填筑質(zhì)量變形監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展歷程。國外很多發(fā)達國家在70年代末期已經(jīng)研制了自動化變形觀測系統(tǒng)，實現(xiàn)了計算機在線觀測，而我國也逐步通過高精度儀器使壩體變形監(jiān)測達到了新的水平。常規(guī)方法中最具代表性的是文獻[3]的方法，該方法提出基于多源觀測技術(shù)的海堤變形監(jiān)測方法，從空間、地面以及水下三個方面介紹了變形監(jiān)測技術(shù)手段的特點及其在海堤監(jiān)測中的應(yīng)用，在綜合比較海堤監(jiān)測技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，提出了海堤變形監(jiān)測系統(tǒng)的建立、地面和水下一體化的建議。由于該方法監(jiān)測周期過長，導(dǎo)致水平和垂直位移的監(jiān)測值和實際結(jié)果不符，影響監(jiān)測質(zhì)量，因此本文研究新的土石壩體施工填筑質(zhì)量變形的監(jiān)測方法，在文獻[3]方法的基礎(chǔ)上，所研究方法的創(chuàng)新點是在土石壩上設(shè)置變形監(jiān)測點，確定監(jiān)測頻率，合理設(shè)計監(jiān)測周期，監(jiān)測土石壩的垂直位移和水平位移，完成點、線、面立體結(jié)合的空間監(jiān)測方法，使監(jiān)測值和實際結(jié)果可以保持一致，降低土石壩事故發(fā)生的可能性。

1 土石壩壩體施工填筑質(zhì)量變形監(jiān)測

1.1 設(shè)置土石壩變形監(jiān)測點、確定監(jiān)測間隔時間

對土石壩進行變形監(jiān)測首先要了解整個大壩的全貌，以便設(shè)置變形監(jiān)測點和確定監(jiān)測頻率。一般來說為了整個施工過程和變形監(jiān)測更加方便，土石壩壩體填筑不會設(shè)置觀測廊道，所以需要將變形監(jiān)測點全部設(shè)置在大壩表面，例如大壩最高處、泄水孔底部、大壩基底地質(zhì)不良地段或者地勢變化比較大的位置。在設(shè)置監(jiān)測點時，基本是將大壩壩頂處設(shè)起點，并且橫截面的監(jiān)測數(shù)量不能少，避免造成后期變形分析困難。監(jiān)測點設(shè)置涵蓋兩部分，分別是基準點設(shè)置和工作基點設(shè)置，其中基準點使用遠設(shè)方法，即在遠離變形體的地方設(shè)置基準點，將工作基點增加數(shù)個以便連接監(jiān)測點和基準點；而工作基點有承上啟下的作用，一般會設(shè)置在壩體兩端的不同高度，在地質(zhì)條件較好的地點，以獨立圖形作為預(yù)設(shè)點加以設(shè)定，在監(jiān)測點設(shè)置完成后，需要反復(fù)觀察變形監(jiān)測頻率，即確定監(jiān)測間隔時間。

通常監(jiān)測的間隔時間是根據(jù)監(jiān)測點所在位置、變形值的大小等多個因素來確定。在監(jiān)測大壩變形的過程中，以不漏失變形時刻為原則，當(dāng)大壩的變形速度變快時，其監(jiān)測間隔的時間需要變短。同一個大壩，如果在不同的時間段，其監(jiān)測的間隔時間也不一樣，比如在監(jiān)測初期，因為對整個大壩的變形規(guī)律沒有一定的了解，此時的監(jiān)測間隔時間要短，需針對每個監(jiān)測點進行反復(fù)監(jiān)測，尋找變形規(guī)律；當(dāng)對變形規(guī)律有了解之后，在監(jiān)測后期可適當(dāng)?shù)匮娱L監(jiān)測間隔時間，再確定最終監(jiān)測的間隔時間，便可以計算監(jiān)測周期。

1.2 設(shè)計監(jiān)測周期

壩體變形是一個動態(tài)的過程，因為變化速度不均勻，時間不能恒定，設(shè)計一個合理的監(jiān)測周期是非常重要的，它能夠得到一個正確的變形結(jié)果以保證壩體自身安全。由于我們監(jiān)測變形的次數(shù)是可控的，在設(shè)計監(jiān)測周期前，需要考慮監(jiān)測的必要精度，監(jiān)測目的是變形值不能超過規(guī)定數(shù)值，從而保護建筑安全，在監(jiān)測時的誤差應(yīng)小于允許變形值的1/20～1/10。因此在設(shè)計檢測周期時一味地追求零誤差和不計誤差的變形監(jiān)測都是不行的，其監(jiān)測精度誤差一般在-10±5 mm 范圍內(nèi)[4]。然后設(shè)計監(jiān)測周期，將位移變化量中的誤差、變形速度和位移變化量這三組變量，使其滿足測定的誤差比的允許值，公式為：

公式（1）中：位移變化量中的誤差用Nεy表示，其位移變化量εy和測定的誤差比的允許值用G表示。假設(shè)變形速度用S表示，在滿足條件下將監(jiān)測周期設(shè)為K，則公式為：

根據(jù)上述兩個條件確定監(jiān)測周期，滿足公式為：

公式中：Nεy表示位移變化量中的誤差。在已知的檢測時間間隔的數(shù)值時，還能根據(jù)公式（2）和（3）求得位移變化量中的誤差，可以表示為：

位移量變化值的誤差是一個數(shù)量級，上述公式表明在監(jiān)測精度、大壩變形速率和監(jiān)測周期之間存在相互作用的關(guān)系，如果精度偏低會給后期變形分析增加難度，使得預(yù)估的變形量誤差變大，甚至可能得到不正確的結(jié)果，因此設(shè)計合理的變形監(jiān)測周期需要達到最高的精度。其監(jiān)測誤差小于允許的數(shù)值即可，通過設(shè)定合理的監(jiān)測周期，來監(jiān)測土石壩垂直位移和水平位移。

1.3 監(jiān)測土石壩垂直位移和水平位移

變形監(jiān)測主要是監(jiān)測外部變形與內(nèi)部變形兩方面：外部變形是指變形結(jié)構(gòu)外部形態(tài)和空間位置的變化情況，比如有傾斜、裂縫、垂直位移和水平位移等。而對于壩體變形監(jiān)測，以垂直位移和水平位移的監(jiān)測為重點，首先是垂直位移，也常被稱作沉降監(jiān)測，指的是土石壩和它的基礎(chǔ)在垂直方向的變形，以不同時期高程變化不同表示，需要監(jiān)測垂直位移[5]。根據(jù)監(jiān)測精度和土石壩實際情況，采用中間法完成三角高程監(jiān)測，就是不用使用監(jiān)測儀器，直接通過壩體高度和棱鏡的高度，在中間設(shè)置三角高程來監(jiān)測，如圖1所示。

圖1 中間設(shè)站方法三角高程監(jiān)測原理圖

根據(jù)圖1所示，將全站儀器安置在P、Q兩點的中間H位置，儀器高度為j，觀察P、Q的標志點的斜向距離Zp、Zq，豎向直角δp、δq，標志點為固定長度d，則P、Q兩點的高度LP、LQ分別為：

公式（5）中：前視垂直距離用lp表示，lp=Zpsinδp；后視垂直距離用lq表示，lq=Zqsinδq；將其帶入公式得出P、Q兩點的高差lpq為：

將基準點方程引入到各個垂直位移的監(jiān)測點上，能夠快速地得到監(jiān)測各個基準點之間的高差變化，得出監(jiān)測結(jié)果，但對監(jiān)測點的位置選擇有很高的要求，所以在設(shè)置監(jiān)測點時需要高度重視。在監(jiān)測垂直位移值后，對水平位移進行監(jiān)測，目的是監(jiān)測土石壩在水平面內(nèi)的形態(tài)變化，為了監(jiān)測結(jié)果具有專業(yè)性，采用視準線方式監(jiān)測，原理如圖2所示。

圖2 視準線法監(jiān)測水平位移原理圖

將視準線上的兩個端點U、R分別設(shè)為工作基點，把監(jiān)測點O1、O2、O3…分別設(shè)置在UR的連接線，而且視準線的偏差必須在2 cm 內(nèi)。監(jiān)測點位于視準線UR的偏離值ea的變化情況，就是土石壩在視準線方向的水平位移值，其中偏離值ea計算公式為：

公式（7）中：基準線UR方向上的測試點和監(jiān)測點所產(chǎn)生的夾角用為βa表示；測試點和監(jiān)測點之間的水平距離用Fa表示；根據(jù)誤差的傳播定律能夠得出偏離值中的誤差為：

公式（8）中：cβ代表監(jiān)測角精度；cFa代表監(jiān)測距離精度；在U點設(shè)置全站檢測儀，瞄準R點后保持可視方向固定，通過放置在Oa的標志牌依次操作，使標志牌中心點能和視準線重合在一起，根據(jù)活動的標志牌上的數(shù)據(jù)，和初始數(shù)據(jù)相減，可以得出Oa點偏離基準線的偏移值ea，在同一個監(jiān)測點中，每個不同監(jiān)測周期偏離值的變化量，就是在該監(jiān)測點的水平位移值。

2 實驗論證分析

為了驗證本文方法監(jiān)測的水平與垂直位移值和實際結(jié)果一致，選擇最大壩高為115 m 土石壩為例為實驗對象，分別使用文獻[3]方法和本文方法進行實驗，對比兩種方法的監(jiān)測結(jié)果。首先進行水平位移監(jiān)測對比，將設(shè)置10 個水平位移監(jiān)測基準點，組成編號為C01～C10；2 個工作基點，編號為KJ01、KJ02，壩頂視準線約為225 m，視野狀態(tài)良好，監(jiān)測位移誤差需要控制在±0.2 mm 范圍內(nèi)。分別使用兩種方法監(jiān)測水平位移值，對比結(jié)果如表1所示。

表1 各基準點水平位移監(jiān)測值對比 單位：m

由表1 可知，常規(guī)方法所監(jiān)測的水平視線位移在監(jiān)測點和基準點之間的距離小于80 m 時，其監(jiān)測值能夠滿足實際結(jié)果范圍，但超過80 m 時，其結(jié)果均超過實際結(jié)果的范圍要求；而本文方法在監(jiān)測水平位移時所得到的監(jiān)測值，都沒有超出實際結(jié)果范圍。因此在水平間距小于80 m 時，使用兩種方法都可以得到和實際結(jié)果相一致的監(jiān)測值，但水平間距大于80 m時，本文所設(shè)計方法的監(jiān)測結(jié)果和實際結(jié)果一致。

在對比水平位移監(jiān)測結(jié)果后，將設(shè)置好的26 個垂直位移監(jiān)測點，組成編號為D01～D11，E01～E15；2 個工作基點，編號為HLN06、HLN07。其中大壩的垂直位移監(jiān)測點D01～D11 位于觀測墩旁，觀測墩兼顧水平和垂直位移監(jiān)測，其中垂直位移測點僅為E01～E15，設(shè)置路線為HLN06-E01-D01-D10-E15-KJ01-D11-KJ02-E14-E01-HLN07，水準路線長2.3 km。分別使用兩種方法進行垂直位移監(jiān)測，對比結(jié)果如表2所示。

表2 各個基準點垂直位移監(jiān)測值對比 單位：mm

由表2 可知，常規(guī)方法下所監(jiān)測的基準點垂直位移值，在觀測墩旁的監(jiān)測值和實際結(jié)果相差較大，而位于水平路線上的垂直位移基準點監(jiān)測值，只有1個在實際值范圍內(nèi)，并且在精準點垂直監(jiān)測路線上的水平位移監(jiān)測值也不滿足實際結(jié)果范圍；但是文中方法的監(jiān)測值全部在實際結(jié)果范圍內(nèi)，包括垂直路線上水平基準點的位移值也在實際結(jié)果范圍內(nèi)。說明本文方法監(jiān)測水平和垂直位移和實際結(jié)果都能保持一致，可以更好地滿足土石壩監(jiān)測。

3 結(jié)語

通過設(shè)置土石壩變形監(jiān)測點確定監(jiān)測時間間隔，設(shè)計監(jiān)測周期，測量土石壩垂直位移和水平位移，研究水利工程土石壩壩體施工填筑質(zhì)量變形監(jiān)測方法，無論是水平位移監(jiān)測值還是垂直位移監(jiān)測值，監(jiān)測方法和實際結(jié)果都可以保持一致，避免了外界因素對土石壩變形監(jiān)測的影響，提高了工作效率，滿足土石壩監(jiān)測需求。但由于影響土石壩質(zhì)量變形的監(jiān)測因素有很多，本文設(shè)計的方法中采集的數(shù)據(jù)也比較單一，無法全面衡量影響壩體安全的因素，因此在后續(xù)的研究工作中，需要將其他因素合并考慮，不斷探索土石壩工程的質(zhì)量變形監(jiān)測方法。