高土石壩內(nèi)部變形觀測(cè)

何福江, 甘莉芬

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司一分局,四川彭山 620860;2.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司科研設(shè)計(jì)院,四川郫縣 611730)

1 概 述

土石壩內(nèi)部變形觀測(cè)包括分層豎向位移、分層水平位移、界面位移觀測(cè)等。筆者結(jié)合磽磧水電站大壩工程,對(duì)高土石壩內(nèi)部變形觀測(cè)工作進(jìn)行了總結(jié)。

磽磧水電站為寶興河梯級(jí)開發(fā)的龍頭水庫(kù),總庫(kù)容約 2.0億m3,調(diào)節(jié)庫(kù)容 1.87億 m3,具有年調(diào)節(jié)能力,電站裝機(jī)容量 240MW。

磽磧水電站礫質(zhì)土直心墻堆石壩最大壩高125.5m,屬 100m級(jí)高土石壩,壩軸線長(zhǎng) 452.70 m,壩頂寬 10.00m,最大底寬 450.00m,上游壩坡為 1∶2,下游壩坡為 1∶1.8。壩體基礎(chǔ)為深厚覆蓋層,覆蓋層一般厚 57～65m,最大厚度達(dá) 72.40 m,心墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)了一道厚 1.2m、最大深度 68m的混凝土垂直防滲墻。

2 內(nèi)部變形觀測(cè)斷面的布置

2.1 分層豎向位移觀測(cè)斷面的布置

在垂直于壩軸線的中部縱 0+215斷面,分別于壩 0+000、壩 0+060、壩 0+102各布置了一套活動(dòng)式測(cè)斜儀,安裝沉降環(huán)監(jiān)測(cè)分層豎向位移。

在縱 0+215斷面,分別于 2061m高程(大約 1/3壩高處)、2085m高程(大約 1/2壩高處)、2110m高程(大約 2/3壩高處)各布置了一套水管式沉降儀。

在距離左壩肩約 115m的縱 0+115斷面、2110m高程布置了一套水管式沉降儀。

在距離右壩肩約 125m的縱 0+315斷面,分別于 2085m高程、2110m高程各布置了一套水管式沉降儀。

2.2 分層水平位移觀測(cè)斷面的布置

在壩軸線(壩 0+000斷面)分別于縱 0+115壩體防滲心墻、縱 0+215壩基防滲墻、壩體防滲心墻各布置了一套固定式測(cè)斜儀。

在縱 0+215斷面,分別于壩 0+000、壩 0+060、壩 0+102各布置了一套活動(dòng)式測(cè)斜儀。

與水管式沉降儀結(jié)合,布置了 6套引張線式水平位移計(jì)。

2.3 界面位移觀測(cè)斷面的布置

在壩 0+000斷面,左右岸壩體與岸坡交界面不同高程布置了 10支錯(cuò)位計(jì)。

3 內(nèi)部變形觀測(cè)儀器的工作原理及安裝要點(diǎn)

3.1 分層豎向位移觀測(cè)儀器

3.1.1 電磁式沉降環(huán)的工作原理及安裝要點(diǎn)

(1)電磁式沉降環(huán)的工作原理:將帶有永久磁鐵的沉降環(huán)固定在測(cè)斜管上,帶有讀數(shù)開關(guān)的電磁式沉降儀探頭通過鋼尺連接放入測(cè)斜管中,在鋼尺的兩側(cè)帶有兩根導(dǎo)線。當(dāng)探頭通過沉降環(huán)時(shí),將會(huì)使探頭讀數(shù)開關(guān)閉合,而使地表的鋼尺絞盤蜂鳴器發(fā)聲。當(dāng)蜂鳴器鳴叫時(shí),通過讀取鋼尺上的讀數(shù)獲得沉降環(huán)的深度。

(2)電磁式沉降環(huán)的安裝要點(diǎn)。

①基準(zhǔn)磁鐵的安裝:在距離測(cè)斜管底蓋約 1 m的上方,用 3顆螺絲固定基準(zhǔn)磁鐵。

②沉降環(huán)的安裝:沉降環(huán)應(yīng)安裝在設(shè)計(jì)高程的一根測(cè)斜管底部以上至少 0.75m的位置,在沉降環(huán)以下 0.75m之間涂少量黃油,便于沉降環(huán)滑動(dòng)。

3.1.2 電測(cè)式水管式沉降儀的工作原理及安裝要點(diǎn)

(1)電測(cè)式水管式沉降儀工作原理:將埋設(shè)在壩體內(nèi)的水管式沉降儀測(cè)頭與觀測(cè)站內(nèi)的電測(cè)系統(tǒng)用管路連接,使其形成連通管。壩內(nèi)沉降儀測(cè)頭的溢流面高程與壩體外部觀測(cè)站內(nèi)管道水位相同,當(dāng)壩內(nèi)沉降儀測(cè)頭發(fā)生沉降時(shí),壩體外部觀測(cè)站內(nèi)的管道水位也相應(yīng)下降。觀測(cè)站內(nèi)管道水位變化值加上觀測(cè)房自身的沉降即為壩體內(nèi)沉降儀測(cè)頭的沉降量。在觀測(cè)站的測(cè)量管內(nèi)安裝傳感器,當(dāng)管內(nèi)水位發(fā)生變化時(shí),傳感器及時(shí)顯示管內(nèi)水位變化值(即壩體沉降)。

(2)電測(cè)式水管式沉降儀的安裝埋設(shè)。

①埋設(shè)工序:測(cè)量放線→修建永久觀測(cè)房→壩體填筑至超過儀器安裝高程 1.8m→以傾向觀測(cè)房 1%的坡度開挖 1.8m深、至少 3m寬的溝槽→局部修坡、找平→填筑反濾料 30cm厚并壓實(shí)合格→用漿砌石砌筑約 50cm高的底座(底座向觀測(cè)房一側(cè)做成 1∶2的順坡)→排列水管→安裝沉降測(cè)頭、測(cè)量機(jī)柜→試水→用水平尺校準(zhǔn)測(cè)頭水平(不平整度應(yīng)小于 ±2mm)→澆筑測(cè)頭保護(hù)墩→分層填筑反濾料至原開挖溝槽表面。

②安裝要點(diǎn)。測(cè)量機(jī)柜定位于設(shè)計(jì)位置,從觀測(cè)房的預(yù)留孔向上游排列 PE保護(hù)管,預(yù)留排氣管比保護(hù)管長(zhǎng) 1.5m,機(jī)柜高度視測(cè)量水管位置而定。加水調(diào)試,嚴(yán)格檢查各測(cè)點(diǎn)管路不得有漏水現(xiàn)象,經(jīng)多次測(cè)試待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后方可回填并進(jìn)行正常觀測(cè)。沉降測(cè)頭必須用鋼筋混凝土包裹,澆筑混凝土?xí)r應(yīng)防止混凝土砂漿進(jìn)入沉降測(cè)頭與保護(hù)管之間的縫隙。混凝土拆模后,仔細(xì)回填管線四周,既要壓實(shí)到與四周壩體相同的密度,又要防止其沖擊保護(hù)管,回填到超過儀器頂面1.8m后方可進(jìn)行正常填筑。

3.2 分層水平位移觀測(cè)儀器

3.2.1 固定式測(cè)斜儀工作原理及安裝要點(diǎn)

(1)固定式測(cè)斜儀工作原理:傳感器通過連接桿和固定輪連接,安裝于帶標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)槽的測(cè)斜管中,其連續(xù)性使儀器能準(zhǔn)確測(cè)量結(jié)構(gòu)內(nèi)局部的傾斜度。

(2)固定式測(cè)斜儀的安裝。

①鉆孔內(nèi)固定式測(cè)斜儀的安裝。將帶導(dǎo)槽的測(cè)斜管用錨固螺釘逐根連接,放入鉆孔內(nèi),周圍灌漿固定測(cè)斜管,并保證管的整體傾斜度不超過5°,且應(yīng)保證導(dǎo)槽嚴(yán)格對(duì)正,不得偏扭。

將保險(xiǎn)鋼絲繩連接到底部滑輪帶螺絲孔的部件上。用配套的螺絲、螺母逐段連接連接管、傳感器、固定輪、萬向節(jié)并用螺紋鎖固劑鎖緊,邊連接邊下放至已經(jīng)穩(wěn)固的測(cè)斜管內(nèi),直到設(shè)計(jì)位置。

安裝頂部托架和頂蓋,引出電纜,測(cè)讀數(shù)據(jù),以穩(wěn)定 2h后的讀數(shù)為初始讀數(shù)。

②壩體內(nèi)固定式測(cè)斜儀的安裝。采用錨固螺釘連接上下各節(jié)測(cè)斜管,每安裝一根測(cè)斜管,用測(cè)量?jī)x器進(jìn)行測(cè)量,以保證測(cè)斜管整體傾斜度不超過 5°,并且保證導(dǎo)槽一邊平行于壩軸線方向,另一邊垂直于壩軸線方向,不得偏扭。測(cè)斜管安裝至設(shè)計(jì)高程,按“鉆孔內(nèi)固定式測(cè)斜儀的安裝”方法安裝連接桿、傳感器、固定輪及萬向節(jié)等。

3.2.2 活動(dòng)式測(cè)斜儀工作原理及安裝要點(diǎn)

(1)活動(dòng)式測(cè)斜儀工作原理:測(cè)斜儀探頭本身包括一個(gè)受重力作用的擺錘,使用一個(gè)力平衡伺服加速度計(jì),其位置傳感器可以探測(cè)擺錘的位置,并且提供足夠的伺力使擺回到豎直零位置。從豎直零位置傾斜越大,恢復(fù)力越大,因而擺塊不能自由運(yùn)動(dòng)。伺復(fù)力的大小轉(zhuǎn)變成信號(hào)輸出在讀數(shù)裝置上顯示為傾斜量。由于伺復(fù)力和傾斜角的正弦成正比,因而輸出值也與測(cè)孔水平位移成正比。

(2)活動(dòng)式測(cè)斜儀的安裝。

活動(dòng)式測(cè)斜儀的安裝與“壩體內(nèi)固定式測(cè)斜儀的安裝”中測(cè)斜儀的安裝方法相同。

將通過電纜連接在讀數(shù)儀上的測(cè)量探頭放至測(cè)斜儀底部開始讀數(shù),依次向上提升,每提升一米測(cè)量一次,直到測(cè)斜儀頂部。用同樣方法測(cè)旋轉(zhuǎn)180°后的另一組讀數(shù)。

3.2.3 電測(cè)式水平位移計(jì)工作原理及安裝方法

(1)電測(cè)式水平位移計(jì)工作原理:引張線(不銹銦鋼絲)從大壩內(nèi)引入大壩外部觀測(cè)房后,將銦鋼絲繞在測(cè)量系統(tǒng)的導(dǎo)向輪上,在鋼絲末端掛上重錘,當(dāng)壩內(nèi)測(cè)點(diǎn)發(fā)生位移時(shí),銦鋼絲相應(yīng)移動(dòng),從而帶動(dòng)導(dǎo)向輪轉(zhuǎn)動(dòng),鋼絲移動(dòng)量與導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)角呈正比,通過測(cè)量導(dǎo)向輪的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,可以得出鋼絲的位移量,即大壩內(nèi)部測(cè)點(diǎn)處的位移量。

(2)電測(cè)式水平位移計(jì)的安裝方法。

①埋設(shè)工序:測(cè)量放線→修建永久觀測(cè)房→壩體填筑至超過儀器安裝高程 1.8m→以傾向觀測(cè)房 1%的坡度開挖 1.8m深、至少 3m寬的溝槽→局部修坡、找平→填筑反濾料 30cm厚并壓實(shí)合格→排列保護(hù)管→穿銦鋼絲、安裝伸縮接頭、錨固板、測(cè)量機(jī)柜→調(diào)試→澆筑錨固板保護(hù)墩→分層填筑反濾料至原開挖溝槽表面。

②安裝要點(diǎn)。測(cè)量機(jī)柜定位于設(shè)計(jì)位置,使測(cè)量機(jī)柜外滑輪方向?qū)?zhǔn)埋設(shè)管路的預(yù)留孔約15cm。從觀測(cè)房的預(yù)留孔開始向上游排列保護(hù)管,并使保護(hù)鋼管伸進(jìn)觀測(cè)房?jī)?nèi)墻壁距離約 10 cm,機(jī)柜距鋼管端 70cm/100cm,鋼管距機(jī)柜正面墻 180cm/200cm,鋼管距觀測(cè)房地面 60cm。

排列保護(hù)鋼管時(shí),鋼管之間在伸縮接頭中應(yīng)相隔 30cm(為鋼管伸縮量),在伸縮接頭中安裝架盤及相應(yīng)的配套零件,并在設(shè)計(jì)測(cè)點(diǎn)位置安裝錨固板及對(duì)應(yīng)編號(hào)的分線盤和鋼絲夾頭,保證槽標(biāo)記向上。以此法安裝至最后一個(gè)測(cè)點(diǎn)。

排放銦鋼絲時(shí)預(yù)留2～3m,并仔細(xì)檢查鋼絲不得有傷痕、折彎、扭轉(zhuǎn)、縮徑及其它缺陷,按測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)長(zhǎng)度排列并編號(hào),用專用的引線器牽引鋼絲。

管線定位后調(diào)整其水平度和直線度在 5mm范圍內(nèi),緊固所有螺釘,安裝加重砝碼、銦鋼絲、控制儀等。錨固板必須用鋼筋混凝土包裹,澆筑混凝土?xí)r,防止混凝土砂漿進(jìn)入伸縮接頭與保護(hù)鋼管之間的縫隙。混凝土拆模后,仔細(xì)回填管線四周,既要壓實(shí)到與四周壩體相同的密度,又要防止其沖擊保護(hù)管,回填到超過儀器頂面 1.8m后方可進(jìn)行正常填筑。

3.3 界面位移觀測(cè)儀器

錯(cuò)位計(jì)工作原理及安裝要點(diǎn):

(1)錯(cuò)位計(jì)工作原理:測(cè)縫計(jì)一端焊接于混凝土中的錨筋上,另一端焊接于高塑性粘土中的錨固板上,當(dāng)壩體或高塑性粘土區(qū)發(fā)生位移,測(cè)縫計(jì)即可顯示出來。

(2)錯(cuò)位計(jì)的安裝方法。在設(shè)計(jì)安裝位置的混凝土板中打一根 φ20、深 1.0m的錨筋,將 25 cm×50cm×0.8cm的錨固鋼板置于高塑性粘土中,測(cè)縫計(jì)一端連接錨筋,另一端連接錨固板,引出電纜即可。

4 內(nèi)部變形觀測(cè)資料分析

4.1 分層豎向位移觀測(cè)

(1)電磁式沉降儀觀測(cè)。僅有縱 0+215、壩0+102一套活動(dòng)式測(cè)斜儀安裝完畢,每 8m安裝一個(gè)電磁式沉降環(huán),用電磁式沉降儀觀測(cè)。因數(shù)據(jù)太短,暫時(shí)不便于分析。

(2)電測(cè)式水管式沉降儀觀測(cè)。在 2061m高程、2085m高程處安裝了水管式沉降儀。各斷面沉降量均在增大且與壩體填筑有關(guān)。隨著壩體的增高,測(cè)點(diǎn)處所承受的荷載越大,沉降量隨之增大。縱 0+215斷面、2061m高程沉降量最大值已接近 700mm,該部位填土厚度大約 43.5m,沉降量已達(dá) 1.6%(與安裝儀器時(shí)反濾料回填不夠密實(shí)也有一定關(guān)系),需要特別關(guān)注。目前 2085 m高程以上的填筑厚度僅為 15m,最大沉降量只有 25mm,僅沉降了 0.04%,說明沉降量較小。其代表沉降量過程線見圖 1。

4.2 分層水平位移觀測(cè)

(1)固定式測(cè)斜儀觀測(cè)。因只有防滲墻固定式測(cè)斜儀完成安裝,側(cè)向撓度過程線見圖 2。

對(duì)側(cè)向撓度過程線進(jìn)行分析:防滲墻側(cè)向撓度累計(jì)變化量于 2006年 12月 8日出現(xiàn)最大值(2.78cm),為蓄水后的第三天,之后漸漸減小,降至 0.34cm,基本穩(wěn)定。

(2)活動(dòng)式測(cè)斜儀觀測(cè)。由于僅縱 0+215、壩 0+102活動(dòng)式測(cè)斜儀安裝完畢,因數(shù)據(jù)太少,暫時(shí)不便于分析。

(3)電測(cè)式水平位移計(jì)觀測(cè)。由于僅安裝了2061m高程、2085m高程的水平位移計(jì),且縱 0+215斷面、2061m高程水平位移變化不規(guī)律,壩 0+046以上三個(gè)測(cè)點(diǎn)在 2007年 1月 15日前基本都向上游位移,估計(jì)與大壩填筑施工有關(guān)。因?yàn)樵诎惭b該斷面儀器時(shí),下游填筑面比上游填筑面低將近 10m,安裝完儀器后,下游填筑迅速上升,導(dǎo)致下游面急劇加荷。2007年 1月 15日后,該斷面 7個(gè)測(cè)點(diǎn)均有緩慢向下游位移的趨勢(shì),可能與庫(kù)區(qū)蓄水至大約 2061m高程有關(guān),導(dǎo)致整個(gè)壩體有向下游位移的趨勢(shì),但目前最大位移量?jī)H為 26.3mm,基本穩(wěn)定。縱 0+315斷面、2085m高程水平位移在 2007年 1月 19日前總體向上游位移,分析其原因:儀器安裝完后因雨、雪影響心墻部位,填筑很慢,兩個(gè)月時(shí)間基本都比下游過渡料區(qū)和堆石區(qū)低,下游填筑時(shí)向上游擠壓,而心墻不能起到抵載作用。縱 0+215斷面、2085m高程,壩 0+20位置水平位移持續(xù)增大,2007年 1月 28日增長(zhǎng)速率加快,最大位移量達(dá)到 9.2mm,該測(cè)點(diǎn)位于下游反濾料區(qū)的下游與過渡料區(qū)的交界面上,由于其它測(cè)點(diǎn)水平位移變化不大,該反濾料區(qū)的上游邊界測(cè)點(diǎn)位移僅 0.3mm,所以,C14的位移量偏大原因難以解釋,需要繼續(xù)關(guān)注。其位移量過程線見圖 3。

圖 1 縱 0+215斷面、2061m高程沉降觀測(cè)過程線示意圖

圖 2 防滲墻固定式測(cè)斜儀側(cè)向撓度變化量過程線示意圖

圖 3 縱0+215斷面、2061m高程水平位移過程線示意圖

圖 4 岸坡界面位移過程線示意圖

4.3 界面位移觀測(cè)

岸坡錯(cuò)位計(jì)的觀測(cè)。岸坡錯(cuò)位計(jì)僅安裝了 6支,且 J3、J8安裝時(shí)間短,數(shù)據(jù)尚少,其界面位移過程線見圖 4。

對(duì)界面位移過程線進(jìn)行分析:錯(cuò)位計(jì)總體位移有緩慢增大趨勢(shì)。分析其原因可能是錯(cuò)位計(jì)位于左、右岸貼坡混凝土板與高塑性粘土的接觸界面。由于混凝土板幾乎是鋼性結(jié)構(gòu),而高塑性粘土是柔性結(jié)構(gòu),受壩體填筑影響,在施工期沉降相對(duì)較大,局部沉降引起該界面產(chǎn)生切向位移。

5 結(jié) 語

磽磧水電站土石壩為 100m級(jí)高土石壩,為寶興河梯級(jí)開發(fā)最上游的龍頭水庫(kù),壩體的安全程度直接影響下游的寶興縣、雅安市以及寶興、小關(guān)子、銅頭、雨城水電站的安全,所以,其大壩安全監(jiān)測(cè)尤其重要。而內(nèi)部變形觀測(cè)可以及時(shí)了解壩體安全狀況,預(yù)報(bào)壩體的穩(wěn)定狀態(tài)。因此,本工程有必要進(jìn)一步加強(qiáng)內(nèi)部變形觀測(cè)工作,及時(shí)整理分析相關(guān)資料,以便及時(shí)掌握大壩的工作狀況,保證工程安全,防患于未然,同時(shí)還起到指導(dǎo)施工、保證工程質(zhì)量的作用,為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。