水電站垂線觀測系統監測與管理

蔣金磊

摘 要：根據多年來參與景洪水電站大壩及邊坡安全監測工作實際，全面總結景洪大壩安全監測項目中的垂線系統運行與管理經驗，包括垂線布置、施工安裝情況、觀測方法等，并對已有觀測數據進行初步分析，提出系統存在的問題與維護要點，供廣大同行參考。

關鍵詞：景洪；垂線觀測系統；維護

中圖分類號： TV22 文獻標識碼： A 文章編號： 1673-1069（2016）13-42-3

0 引言

景洪水電站（以下簡稱：景洪）是瀾滄江中下游河段規劃的八個梯級電站中的第六個梯級電站。樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、引水建筑物、廠房及變電站、通航建筑物等組成。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，壩高108m，壩頂高程EL.612m，總裝機容量1750MW，正常蓄水位為EL.602.00m，總庫容為11.39億m3。工程于2008年4月18日下閘蓄水，同年6月19日首臺機組并網發電，并于2009年5月底全部機組發電投產。

1 垂線布置與施工安裝

1.1 垂線布置

根據景洪壩址的地形地質條件和大壩應力穩定分析資料，設計中選擇對右岸升船機壩段（6#壩段）、最高溢流壩段（9#壩段）、最高廠房壩段（17#壩段）、左岸廠房壩段（19#壩段）四個典型重點監測壩段及2#壩段、左壩肩布置正倒垂系統進行觀測，并采用作為引張線的基準進行壩段間水平位移監測。

景洪共布置正垂線10條，分別為6#壩段2條、9#壩段2條、17#壩段3條、19#壩段3條。

由于景洪最大壩高達108米，在設計中對同一垂直斷面內采用分段測量的方法布置正垂線，如17#壩段壩高108米，分三段布置正垂線，自上而下的正垂線長分別為C2-A17-PL-01：34米、C2-A17-PL-02：26米、C2-A17-PL-03：43米，正垂線布置范圍共計103米。

景洪共布置倒垂線6條，分別為2#壩段1條6#壩段1條、9#壩段1條、17#壩段1條、19#壩段1條、左壩肩1條。其中，四個典型重點監測壩段（6#、9#、17#、19#壩段）的倒垂線用于測量壩基巖體相對于壩基深部的水平位移；在2#壩段和左壩肩布置的倒垂線，用于監測2#壩段和左壩肩部位的水平位移，并作為引張線端點的測量基準。6條倒垂線長度為40～67米，深入基巖最深處孔深62米，位于最大壩段17#壩段。

1.2 施工安裝

景洪正、倒垂的施工及相應儀器的埋設與安裝調試，均由“葛洲壩·昆明院·長科院”聯營體負責。

1.2.1 正垂線及高程垂直傳遞系統

①正垂線和高程傳遞裝置所在壩段澆筑混凝土時，分別預埋φ400mm、管壁厚度大于7mm的PVC管，作為保護管；

②正垂線測線采用強度較高的不銹銦瓦絲，其直徑可保證極限拉力大于重錘重量的2倍；

③在壩頂預埋固定垂線和銦鋼帶尺的部件，待預埋件固定后，用夾線裝置將垂線固定在懸掛裝置上；

④垂線引入各層廊道觀測間內。垂線下端吊重錘，并將重錘放入油桶內；

⑤根據垂線位置進行觀測墩的放樣、立模、澆筑觀測墩，并在頂部預留二期混凝土，以便安裝強制對中底盤，底盤對中誤差不大于0.1mm。

1.2.2 倒垂線

景洪倒垂孔均采用一種孔徑，一次成功，沒有廢孔。倒垂線的施工步驟主要可歸納為三步，各步驟中應注意事項可分述如下：

1.2.2.1 造孔

①按設計要求的孔位、孔徑和孔深鉆孔，采用巖芯鉆，終孔有效孔徑應大于274mm。應將巖芯盡量取全，特別對于斷層、軟弱夾層（帶）應盡量取出，按工程地質規范進行詳細描述，作出鉆孔巖芯柱狀圖。

②鉆孔時，選擇性能好的鉆機，在鉆孔處用混凝土澆筑鉆機底盤，預埋緊固螺栓。嚴格調平鉆機滑軌（或轉盤），其傾斜度應小于0.1%。然后將鉆機緊固在混凝土底座上。

③孔口埋設長度3m的導向管，導向管調整垂直，其傾斜度應小于0.1%，并用混凝土加以固結。

④鉆具上部應裝設導向環，導向環外徑可略小于導向管內徑2～4mm。鉆進時，采用低轉速、小壓力、小水量的方法進行。

⑤時常檢查鉆孔偏斜值，每鉆進1～2m應檢測一次。檢測可采用倒垂浮體組配合彈性置中器進行，測定鉆孔不同高程處鉆孔中心線位置與孔口中心位置的偏心距。

⑥在鉆孔過程中，一旦出現偏斜，首先分析原因，同時采取切實可行的糾斜措施。

1.2.2.2 保護管（套管）的埋設

①保護管采用φ159mm管壁6mm厚的無縫鋼管。保護管（套管）每隔3m～8m焊接4個大小不同的U形鋼筋，組成斷面的扶正環。

②保護管應保持平直，底部加以焊封。底部以上0.5m范圍內，內壁應加工為粗糙面，以便用水泥漿固結錨塊。保護管采用絲口連接，接頭處應精細加工，保證連接后整個保護管的平直度，安裝保護管時全部絲口連接縫用防滲漏材料密封。

③下保護管前，可在鉆孔底部先放入水泥砂漿（高于孔底約0.5m）。保護管下到孔底后略提高，但不得提出水泥砂漿面，并用鉆機或千斤頂進行固定。

④最后，準確測定保護管的偏斜值，若偏斜過大，應加以調整，直到滿足設計要求，方可用M15水泥砂漿固結。待水泥砂漿凝固后，拆除固定保護管的鉆機或千斤頂。

1.2.2.3 倒垂線的埋設

①浮體組采用恒定浮力式或非恒定浮力式。測線采用強度較高的不銹銦瓦絲，其直徑的選擇應保證極限拉力大于浮子浮力的3倍。

②埋設錨塊時，在測線下端固定好錨塊，鋼絲應位于保護管中心，將錨塊慢慢放至孔底，沉入水泥漿深處。

③浮體組安裝，應使浮子水平、連桿垂直，浮子應位于浮桶中心，處于自由狀態。若采用恒力浮子，應使整個浮子沒入液體中，但不可觸及浮桶底部；若采用其他類型浮子，則應調整到設計浮力。

④在距離倒垂孔25～30cm的合適位置建倒垂線觀測墩，墩面與倒垂線保護管管口齊平。在墩面上用二期混凝土埋設垂線坐標儀的基座底板。

2 垂線觀測

2.1 觀測儀器及方法

景洪正倒垂線（除升船機壩段3組正倒垂線未開始實施）共計16個測點，現在全部測點均已投入觀測。目前主要用RZ型電容式垂線坐標儀配合南瑞產NDA1711數據采集模塊到現場進行數據采集。大壩安全監測自動化實施后，將通過NDA1303智能數據采集模塊接入DAU 2000數據采集單元，并通過DAMS-IV應用軟件對測量數據進行采集。

由于電容感應式垂線坐標儀無機械傳動和跟蹤結構，用非接觸測量方式實現垂線的自動監測，故而具有精度高，長期穩定可靠的優點，相對光學垂線坐標儀的測量（如漫灣電站采用的CG-3（3A）光學垂線儀）較為方便。

2.2 觀測注意事項

在使用NDA1711數據采集模塊到現場進行數據采集時，應注意以下幾點：

①一條垂線上各測點的觀測，應從上而下，或從下而上，依次在盡量短的時間內完成。

②垂線觀測前，必須檢查該垂線是否處在自由狀態，檢查調整浮體組的浮力，使之滿足要求。同時，需要檢查中間極引出線是否完好，若發現中間極引出現損壞，應由專業人員及時進行維護修理，保證測值能按時讀取。

③測量時應檢查電容極板上的凝露等情況，對異常出現凝露過多的情況，需進行處理，并采取一定措施確保垂線坐標儀極板上水介質均勻，使儀器測值可靠。

④測量時（自動化監測系統投入使用前），將四根芯線分別對應接到NDA1711數據采集模塊的接口上，開機后，選擇電容式傳感器測讀模式，對數據進行測度，并分別記錄測得的兩組電容比及對應的水平位移量。要求記錄時區分垂直、水平方向的位移，并注意數值的正負。

⑤測讀完畢，將數據電纜線放置好，要求放置于不接觸極板且不易被碰觸的地方。

3 觀測資料的初步分析

景洪于2008年4月18日下閘蓄水，在蓄水前部分垂線投入了首次觀測，到5月底16個垂線測點全部投入使用。

從首次觀測至今，積累了一定的垂線觀測的實測資料，從中對大壩工作性態初步分析如下：

3.1 2#壩段壩頂

向上游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩定后，有緩和趨勢，最大處位移向上游2.2mm；

向右岸位移蓄水后變幅不大，且在水位穩定后，有緩和趨勢，最大位移向右岸0.9mm。

3.2 6#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩定后，有緩和趨勢，最大位移向下游0.84mm；

向左岸位移位移蓄水后變幅不大，且在水位穩定后，有緩和趨勢，最大位移向左岸0.50mm。

3.3 9#壩段壩基

蓄水后向上游有微小位移0.1mm，之后隨即向下游位移，且隨水位上升呈增大趨勢，水位穩定后，有緩和趨勢，最大位移向下游1.2mm。

蓄水后向右岸有微小位移0.20mm，之后隨即向左岸位移，最大位移達1.60mm，之后變形呈緩和趨勢。

3.4 17#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩定后，先在0～1.2mm范圍內呈現增減交替變化，之后呈緩和趨勢，最大位移向下游1.2mm；

蓄水后先是向右岸位移最大達0.60mm，之后漸漸向左岸位移，最大位移達0.60mm，隨后變形在0～1.00mm之間變化。

3.5 19#壩段壩基

向下游位移蓄水后呈增大趨勢，水位穩定后，在1.0～2.0mm范圍內呈現增減交替變化，最大位移向下游1.70mm；

向左岸位移位移蓄水后變幅不大（0～1.0mm），且在水位穩定后，有緩和趨勢，最大位移向左岸0.80mm。

綜上，經分析，景洪大壩部分水平位移觀測數據均在允許范圍內。2#壩段倒垂線壩頂位移為向上游2.2mm、17#壩段位移量向下游14mm，較設計量偏大，需要進一步分析。

4 景洪水電站垂線系統的主要問題及維護要點

4.1 景洪水電站垂線系統的主要問題

景洪水電站垂線系統的存在的主要問題主要集中在設計及施工方面，且在實施過程中均得到了及時的解決，現將主要問題分述如下：

4.1.1 正垂線的設置

原設計中，19#壩段為兩段三個測點布置，由于C2-A19-PL-02較長（56米），存在因垂線孔傾斜引起線體碰孔壁、在壩體中因串風引起線體擺動、線體卡住等故障或測值不可靠的隱患，實施過程中將原設計進行了更改，即將原設計中C2-A19-PL-02根據測點分布分為兩條正垂線，分別為C2-A19-PL-02：29米、 C2-A19-PL-03：27米。

4.1.2 倒垂孔的垂直度

在倒垂孔施工中，用于測量垂直度的彈性對中器存在一定的誤差，通常在2～3mm，為能盡早發現鉆孔出現的偏斜，以便即時進行糾偏，提高鉆孔成功率，施工方對彈性對中器進行有效改進，使測量精度提高到1mm以內。從而使倒垂孔鉆孔比較順利的進行，有效孔徑都明顯優于技術要求所規定的值。

4.2 垂線系統的維護工作

垂線系統的維護工作主要包括正倒垂管的保護工作、垂線坐標儀的維護工作兩個方面：

4.2.1 垂線線體裝置的保護

①正倒垂管的保護。

景洪的正垂系統垂線均位于施工期間預埋在混凝土中的管道內，且在管道安裝前對管道內壁進行了防銹時處理。但由于施工、時效、環境惡劣等因素影響，防銹效果不太明顯，正垂管內經常有掉銹渣的現象。

同時，由于土建施工期間，壩內常有施工用水在廊道及觀測間內造成較大的積水。積水漫過正垂管上測點的進口，向下方的測點流去，造成正垂管及測量設備處于水、空氣構成的不利環境中。

今后應在不影響觀測工作及儀器穩定的原則下，對運行環境進行改善，要求盡量降低環境的濕度，避免水流通過正垂管的現象。

②垂線體裝置的其他維護工作。

除了正倒垂管的需注意保護外，其他需要注意的情況主要有：倒垂線在基巖錨固處固結不牢、因垂線孔傾斜引起線體碰孔壁、在壩體中因串風引起線體擺動、線體卡住等。

因以上情況所引起的故障要及時發現并排除，否則測值不可靠。

4.2.2 正倒垂觀測儀器的維護

上面已經介紹，景洪垂線觀測儀器采用RZ型電容式垂線坐標儀進行數據的采集工作，故而該部分的維護工作是正倒垂系統維護的重點。主要注意的有以下幾點：

①坐標儀系列中感應部件經過特殊防潮工藝處理，能在相對濕度95%的壩體內長期可靠工作，但這并不意味著坐標儀這類精密儀器能在水等經常流入坐標儀情況下給出準確測值。因此現場必須采取措施防止雨水、冷凝水等流入坐標儀內。安裝在大壩豎井、基礎的垂線坐標儀，因豎井等環境存在冷熱空氣交換，使豎井及坐標儀上長期存在大量冷凝水。在此惡劣環境下，需采取一定措施確保垂線坐標儀極板上水介質均勻，使儀器測值可靠。

②為適應在大壩惡劣環境下可靠工作，坐標儀內無一電子元器件。當坐標儀在現場安裝調試完后，一般不會出現什么故障，不需經常采取什么維護措施。中間極引出線是一根線徑僅0.05～0.1mm的細漆包線，要注意防止非觀測人員或參觀人員看不清此線而將其碰斷。

③RZ型電容式垂線坐標儀設置有直徑為120mm的擋水圓盤，用于擋住上方掉下的凝結水及部分銹渣。但由于該擋水部件防護面積較小，時常有凝結水或正垂管繡渣等掉落在坐標儀其他部位（如屏蔽罩、支墩等）上，甚至有可能影響極板的工作。因而，在日常工作中，應注意對坐標儀及其所在的支墩及時清理，保證測得的數據穩定可靠，并盡可能延長儀器壽命。