正倒垂系統(tǒng)在蘇丹麥洛維水電站中的應(yīng)用

蔡 明 光， 帥 永 建

(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 成都 611730)

1 工程概述

蘇丹麥洛維大壩工程位于尼羅河中下游地區(qū)的蘇丹北部麥洛維市附近。該工程以發(fā)電為主，兼顧灌溉和防洪，總裝機(jī)容量為1 250 MW。麥洛維大壩工程由左岸建筑物、電站廠房和附屬建筑物、右岸建筑物組成，大壩總長(zhǎng)9 789 m。左岸建筑物由土石壩、灌溉渠首工程、混凝土面板堆石壩組成；電站廠房和附屬建筑物由溢流壩段、非溢流壩段、電站廠房組成；右岸建筑物由粘土心墻壩、土石壩、灌溉渠首工程組成。

麥洛維水電站于2003年9月20日開(kāi)工，2004年10月大江一期截流，2008年開(kāi)始蓄水。水庫(kù)蓄水分兩期進(jìn)行，第一期從2008年4月15日～2008年7月15日，蓄水高程為259～270 m；第二期蓄水從2008年7月15日～2008年12月15日基本結(jié)束，蓄水高程為270～299.5 m。2009年3月底首臺(tái)機(jī)組發(fā)電。

2 正倒垂系統(tǒng)觀測(cè)的基本原理

大壩除了通過(guò)外部變形觀測(cè)進(jìn)行垂直位移和水平位移觀測(cè)，還需要進(jìn)行撓度觀測(cè)，而垂線就是進(jìn)行撓度觀測(cè)的、一種簡(jiǎn)單有效的測(cè)量手段。一般而言，混凝土壩的水平位移是通過(guò)埋設(shè)在大壩基巖和壩體內(nèi)的倒垂系統(tǒng)和正垂系統(tǒng)進(jìn)行觀測(cè)。通常，正垂線主要是用來(lái)觀測(cè)壩體撓度的，倒垂線主要是用來(lái)觀測(cè)大壩基礎(chǔ)的位移。另外，倒垂系統(tǒng)也常作為正垂線或其他位移觀測(cè)方法的基準(zhǔn)。

將倒垂下端固定在基巖深處的孔底錨塊上，上段與浮筒相連，在浮力作用下，沿鉛直方向被拉緊并保持不動(dòng)。在各測(cè)點(diǎn)布置觀測(cè)墩，安放儀器進(jìn)行觀測(cè)，即可得各測(cè)點(diǎn)對(duì)于基巖深處的絕對(duì)撓度。倒垂線具有相當(dāng)高的精度且穩(wěn)固可靠。正垂線通過(guò)上部固定，下端掛有重錘，通過(guò)豎井直接垂到壩底的基點(diǎn)，其與倒垂配合使用，根據(jù)觀測(cè)要求，沿著垂線在不同高程及基點(diǎn)設(shè)置多處觀測(cè)段，利用固定在測(cè)墩上的坐標(biāo)儀測(cè)量各觀測(cè)點(diǎn)相對(duì)于此垂線的位移值。通過(guò)此方法對(duì)混凝土壩進(jìn)行撓度觀測(cè)。

3 蘇丹麥洛維大壩工程正倒垂系統(tǒng)的布置

在麥洛維水電站混凝土壩段裝有3套正倒垂系統(tǒng)，分別安裝在溢流壩段、非溢流壩段和廠房壩段，用來(lái)觀測(cè)各部位在不同高程上的水平變形。該套系統(tǒng)由德國(guó)拉美爾咨詢(xún)公司設(shè)計(jì)，其特點(diǎn)是在各個(gè)觀測(cè)點(diǎn)采用遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀不間斷地連續(xù)測(cè)量，同時(shí)采用光學(xué)式垂線作為遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀的校核手段，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

在每個(gè)觀測(cè)斷面上，倒垂在238灌漿廊道觀測(cè)，同時(shí)正垂在238廊道和上層廊道進(jìn)行觀測(cè)。通過(guò)正垂在中間廊道的觀測(cè)數(shù)據(jù)分析判斷壩體的撓度變形，以此來(lái)判斷最大的撓度變形。麥洛維水電站具體的正倒垂系統(tǒng)布置情況見(jiàn)表1，混凝土壩變形方向規(guī)定見(jiàn)表2。

每套垂線系統(tǒng)均由倒垂錨固點(diǎn)、正倒垂系統(tǒng)觀測(cè)點(diǎn)、正垂固定點(diǎn)組成，布置方式大同小異，只是觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量的變化。以非溢流壩段為例，其布置情況見(jiàn)圖1。

4 正倒垂測(cè)試成果分析

非溢流壩段的變形。

(1)大壩變形的影響因素。

影響大壩變形的環(huán)境量主要有：大壩上下游水位，壩址氣溫、庫(kù)水溫以及降雨量等。根據(jù)麥洛維水電站當(dāng)時(shí)的環(huán)境量監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)大壩蓄水期間的變形主要考慮大壩上下游水位影響。上下游水位實(shí)測(cè)過(guò)程線見(jiàn)圖2。

表1 垂線系統(tǒng)布置情況表

表2 混凝土壩變形方向規(guī)定表

圖1 非溢流壩段垂線系統(tǒng)布置圖

(2)非溢流壩段上下游方向的變形。

從2007年1月開(kāi)始，在通過(guò)安裝的倒垂系統(tǒng)觀測(cè)非溢流壩段壩基的水平位移時(shí)發(fā)現(xiàn)：上下游方向，在水庫(kù)蓄水之前，只觀測(cè)到可以忽略不計(jì)的變形，截止系統(tǒng)安裝成功至2007年10月，觀測(cè)到壩體基礎(chǔ)只有0.2 mm的變形(朝下游方向)；水庫(kù)開(kāi)始蓄水后，隨著水庫(kù)水位的上升，觀測(cè)到壩基持續(xù)向下游變形，截止到2009年4月底，其累計(jì)變形達(dá)到3.2 mm。具體變形情況見(jiàn)圖3。

非溢流壩段根據(jù)不同的施工階段安裝觀測(cè)系統(tǒng)，以滿(mǎn)足水庫(kù)蓄水觀測(cè)的需要，分別在高程238 m、260 m和272 m處安裝有觀測(cè)系統(tǒng)，其中在高程238 m處采用了遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀和光學(xué)觀測(cè)兩種觀測(cè)手段，在高程260 m和高程272 m采用了人工觀測(cè)方法。現(xiàn)就不同高程的觀測(cè)成果分別進(jìn)行分析如下。

圖2 麥洛維水電站蓄水期間大壩上下游水位實(shí)測(cè)過(guò)程線圖

高程238 m觀測(cè)廊道觀測(cè)成果：從高程238 m灌漿廊道觀測(cè)到的水平位移量是高程299.4 m相對(duì)于建筑物底部的位移量。2008年2月開(kāi)始觀測(cè)，直到水庫(kù)蓄水之前，沒(méi)有觀測(cè)到明顯的向下游變形。水庫(kù)蓄水之后，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)持續(xù)不斷的變形，隨著水庫(kù)水位的上升，截止到2008年底，最大變形達(dá)到9.4 mm。2009年前3個(gè)月，基本沒(méi)有變形，2009年4月期間，只觀測(cè)到0.4 mm向上游的變形。直到2009年4月底，非溢流壩段頂部相對(duì)于底部的變形累計(jì)達(dá)到9.5 mm。結(jié)合考慮壩基的水平位移，非溢流壩段的變形在12 mm以?xún)?nèi)。具體變形情況見(jiàn)圖4。

圖3 非溢流壩段倒垂觀測(cè)變形圖

圖4 非溢流壩段高程238 m觀測(cè)點(diǎn)正垂觀測(cè)變形圖

高程260 m廊道和高程272 m廊道觀測(cè)成果：觀測(cè)結(jié)果通常用來(lái)計(jì)算相對(duì)于建筑物底部的變形。水庫(kù)蓄水后，對(duì)各個(gè)高程觀測(cè)點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)行觀測(cè)。2008年8月之前沒(méi)有觀測(cè)，從2008年8月以后的觀測(cè)結(jié)果看，截止到2008年12月底，在高程260 m觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的向下游方向的最大位移為3 mm和在高程272 m觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的向下游方向的最大位移為4.6 mm。2009年1月至2009年3月期間，沒(méi)有產(chǎn)生位移。 2009年4月，兩個(gè)高程處的觀測(cè)結(jié)果表明：均向下游有0.4 mm的位移。從而可以估計(jì)，從水庫(kù)蓄水開(kāi)始，在高程260 m觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的向下游方向的最大位移為6 mm和在高程272 m觀測(cè)點(diǎn)觀測(cè)到的向下游方向的最大位移為6.5 mm。2009年4月以后，隨著水庫(kù)再次蓄水，水位再次上升，建筑物向下游有明顯的變形增量。具體變形情況見(jiàn)圖5和圖6。

圖5 非溢流壩段高程260 m觀測(cè)點(diǎn)正垂觀測(cè)變形圖

圖6 非溢流壩段高程272 m觀測(cè)點(diǎn)正垂觀測(cè)變形圖

在外觀測(cè)量中，非溢流壩段的壩頂位移觀測(cè)從2009年1月開(kāi)始，至2009年3月，壩頂朝下游方向的最大變形為3.4 mm。

以上觀測(cè)結(jié)果表明：非溢流壩段向下游方向的水平位移發(fā)生在水庫(kù)蓄水以后，基礎(chǔ)向下游方向的水平位移在預(yù)期設(shè)定值范圍之內(nèi)。總的來(lái)說(shuō)，建筑物和基礎(chǔ)的變形基本正常，具體變形情況見(jiàn)圖7。

(3)非溢流壩段左右岸方向變形。

非溢流壩段的倒垂于2007年1月安裝。蓄水之前，截止到2008年2月底，觀測(cè)到壩基向左岸方向有0.8 mm的位移。2008年4月，其改變向右岸方向變形。2008年4月以后，從水庫(kù)蓄水開(kāi)始，壩基向左岸方向存在連續(xù)的變形。2009年1月至6月仍然持續(xù)向左岸變形。具體變形情況見(jiàn)圖3。

圖7 非溢流壩段在2008年4月后觀測(cè)到的向下游方向的水平位移圖

我們對(duì)非溢流壩段的正垂線在3個(gè)不同的高程處進(jìn)行了觀測(cè)，現(xiàn)就不同高程的觀測(cè)成果分別進(jìn)行分析如下。

高程238 m觀測(cè)成果：觀測(cè)結(jié)果代表的即為高程299.4 m相對(duì)于建筑物底部在左右岸方向的變形。觀測(cè)從2008年2月開(kāi)始，水庫(kù)蓄水之前沒(méi)有發(fā)現(xiàn)在左右岸方向的位移。2008年8月到2009年4月期間，隨著庫(kù)水位的上升，建筑物連續(xù)向左岸方向發(fā)生變形，變形量達(dá)41 mm。2009年5月還持續(xù)向左岸方向發(fā)生了0.5 mm的變形。具體變形情況見(jiàn)圖4。

高程260 m和高程272 m的觀測(cè)成果：觀測(cè)數(shù)據(jù)主要用來(lái)計(jì)算相應(yīng)高程相對(duì)于基礎(chǔ)的水平位移。兩處的觀測(cè)均在水庫(kù)蓄水以后開(kāi)始(2008年8月開(kāi)始)。因此，在2008年8月之前沒(méi)有相應(yīng)的觀測(cè)值。比較有代表性的是：對(duì)比同階段高程299.4 m的觀測(cè)結(jié)果，在高程260 m和高程272 m處的變形量于2008年9月已經(jīng)形成且分別達(dá)到了2.2 mm和3 mm。

以上觀測(cè)成果表明：建筑物和壩基在左右岸方向(壩軸線方向)的水平位移量均在預(yù)期的范圍內(nèi)，大壩運(yùn)行安全。

5 結(jié) 語(yǔ)

本工程采用RxTx 遙測(cè)垂線坐標(biāo)儀和手工觀測(cè)相結(jié)合，用來(lái)觀測(cè)微小的位移，特別適合應(yīng)用于水電站大壩的變形觀測(cè)，直觀清楚地表明大壩撓度變形。

通過(guò)對(duì)麥洛維水電站中安裝的正倒垂系統(tǒng)觀測(cè)各個(gè)壩段的變形量，結(jié)合其他儀器的觀測(cè)成果來(lái)判斷建筑物的工作性能，為水庫(kù)有序蓄水提供了充分、及時(shí)、有效的科學(xué)依據(jù)。

作者簡(jiǎn)介:

蔡明光(1986-)，男，安徽淮北人，工程師，從事水利水電工程施工技術(shù)與管理工作；帥永建(1973-)，男，四川溫江人，高級(jí)工程師，從事水電站大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與管理工作.