黑河水庫溢洪道閘室段變形監測

楊昆侖，趙軍平

（陜西省水利電力勘測設計研究院測繪分院，陜西 西安 710002）

0 引言

水庫溢洪道對于水庫大壩的安全運行、和發電及安全供水具有非常重要的作用。近年來隨著黑河水庫運行時間的延長，溢洪道閘室段混凝土表面出現了一些裂縫，特別是2015 年以來，裂縫長度增加，縫寬擴大，閘室頂部混凝土產生變形，給溢洪道閘門的正常啟閉帶來一定影響。需要對溢洪道閘室段整體穩定進行分析、盡快查明溢洪道閘室段混凝土表面裂縫產生的原因及危害程度并提出針對性的處理方案、為此，應對溢洪道閘室段進行變形監測。項目的設計及實施遵照“以監測為基礎，以分析為手段，以預報為目”的變形監測理念[1]。

1 工程概況

黑河水庫位于陜西省西安市周至縣秦嶺山中，黑河峪口以上約1.5 km 處，距西安市86 km。是一項以城市供水為主，兼有農灌、發電、防洪等綜合利用的大型水利工程。水庫壩高130 m，水庫面積4.55 km2，總庫容2 億m3。是西安市的主要供水來源。

2 監測依據及監測的精度指標

工程測量規范[2]中表8.4.6 對于弧形門、人字門安裝平面允許偏差為±2.0 mm，高程允許偏差為±3.0 mm；表10.6.2 混凝土構筑物的裂縫觀測平面位移量中誤差±1.0 mm；表10.6.3壩體的支墩壩水平和垂直位移測量中誤差均為±1.0 mm。

水利水電工程施工測量規范[3]中表8.1.4 對于弧形門、人字門安裝測量項目相對安裝軸線，其測點中誤差平面±2 mm～±3 mm，高程±1 mm～±3 mm；表8.2.4 安裝專用控制網內及安裝軸線點間相對點位限差不應超過±2 mm，高程基點間的高差測量限差為±2 mm。

綜上所述，結合本工程設計要求，閘室段位移監測設計精度指標為：水平位移在監測斷面方向線上的測量中誤差、垂直位移測量中誤差及裂縫觀測平面位移量中誤差均為±1.0 mm。

3 水平位移變形監測

3.1 監測網的布設

在大壩左岸布設了1 個基準點，編號為：JZD，用于測量監測點的變化及變化量；在溢洪道閘室段布設3 條閘槽監測斷面，每個監測斷面位置的左、右閘槽頂面各布設了1 個監測點，建造具有強制對中基座的混凝土觀測墩，用于測量閘槽頂端三條斷面長度的變化及變化量。水平位移監測點編號：J11、J12、J21、J22、J31、J32。監測網布設圖詳見圖1。

圖1 水平距離監測示意圖

3.2 觀測方案

測量基準點與各監測點之間的精密距離和三條斷面之間的精密距離，說明水平位移監測點的變化及變化量。

3.3 外業觀測及驗算

觀測使用Leica TS60 智能全站儀（多測回測角軟件），可以實現自動尋找目標與照準、自動觀測、自動記錄、自動檢測各項限差。

斜距往返各12 個測回，每測回讀數4 次，限差設置按照工程測量規范[2]中表10.2.6 的規定；天頂距觀測與斜距觀測同步自動觀測，其限差設置按照表1 的規定；儀器高和覘標高觀測前后各量取一次，并精確至1 mm，取其中數作為最終高度。

表1 天頂距測量的技術要求

外業觀測數據驗算，測量的斜距經氣象和儀器加、乘常數改正后再化歸為水平距離。往返測距較差均應小于±2(a+bD)；平均測距中誤差應小于1.0 mm。

4 垂直位移變形監測

4.1 監測網的布設

基準點采用黑河大壩交通洞內I 黑基06。監測點標志鑲嵌不銹鋼水準標志，編號：JHi(i=1,2,…，6)。以上6 個垂直位移監測點與I 黑基06 點構成一等垂直位移監測網。詳見圖2。

圖2 垂直位移監測示意圖

4.2 外業觀測

使用Leica DNA03 數字水準儀及配套的條碼水準標尺，外業觀測的各項限差及技術要求按工程測量規范[2]中表10.3.3 和表10.3.4 一等水準測量方法和限差要求執行。

4.3 外業成果的計算和驗算

水準標尺長度改正和溫度改正按照分別按照國家一、二等水準測量規范[4]中D.2.1 和D.2.2 章節執行。

水準測量測站高差中誤差的計算，采用經過標尺長度改正和標尺溫度改正后的測段往返測高差不符值計算的每站高差中誤差應小于限差±0.07 mm；環線閉合差應小于±1.08 mm（垂直位移監測線路及長度已確定）。

4.4 數據處理

垂直位移監測網平差采用間接平差法進行，按測段的測站數定權，采用《工程測量控制網平差系統（NASEW）》軟件進行平差。平差后最弱點高程中誤差應小于限差±0.3 mm。

5 裂縫監測

根據裂縫走向和長度，在閘槽右岸山坡坡腳處設立1 處基線觀測點，在閘槽兩岸設立12 處觀測點。基線觀測點編號：JX，裂縫觀測點編號：LF(i=1,2,…，12)。

采用游標卡尺進行測量。觀測2 測回，每測回讀數4 次，讀數較差及測回差均應于0.2 mm。取其平均值作為當期裂縫寬度監測成果。

6 監測數據統計

6.1 對每期觀測數據精度指標進行統計

分別計算每一期的精度指標。水平位移方面計算平均測距中誤差mD；垂直位移方面計算每千米水準測量偶然中誤差M⊿、每站高差中誤差M站、水準測量環線閉合差W、最弱點高程中誤差M；裂縫監測方面計算裂縫寬度測回間不符值△L測回。各精度指標數值均滿足規范[2.3]及設計要求，第三、四、五期測距中誤差相對較低。統計表見表2。

表2 每期內精度指標統計表

6.2 變化量的統計

以每個監測點本期測量的距離或高程值為基準值，對應統計計算與上一測量的距離或高程值的較差即為周期變化量或周期位移量。以每個監測點首期測量的距離或高程值為基準值，計算與本期測量的距離或高程值的較差即為總變化量或總位移量。

1）水平位移監測周期變化量與總變化量統計圖表（表3.4，圖3.4）。表明第二期J21 和第三期J11 與基準點水平距離變化量超過±2.0 mm，第三期三條斷面水平距離變化量超過±2.0 mm。其余變化量均小±2.0 mm。

表3 斷面監測點與基準點水平距離變化量表

表4 斷面水平距離變化表

圖3 斷面監測點與基準點水平距離變化量圖

圖4 斷面水平距離變化量圖

2）垂直位移監測周期位移量與總位移量統計圖表（表5，圖5）。表明垂直位移監測點各周期內位移量均±2.0 mm。

表5 垂直位移監測點位移量表

圖5 垂直位移監測點位移量圖

3）裂縫寬度周期變化量與總變化量統計圖表（表6，圖6）。表明垂直位移監測點各周期內位移量均±2.0 mm。

表6 裂縫寬度變化量表

圖6 裂縫寬度變化量圖

6.3 監測對象穩定性判斷

周期變化量超過±2.0 mm（2 倍的位移量中誤差）時認為監測對象周期不穩定。上述圖表可以直觀的反應出近六期的監測裂縫寬度變化量、斷面水平距離變化量、斷面監測點與基準點水平距離變化量、垂直位移監測點周期位移量絕大多數小于±2.0 mm。根據數據跳躍法剔除粗差數據的理論[5]可以認為上述超限的極少數數據為粗差數據，可不考慮。說明溢洪道閘室段周期性穩定。周期性穩定并不能說監測對象絕對穩定，從總位移量（總變化量）圖表可以看出垂直位移監測點高程值處于增大趨勢；斷面監測點與基準點之間水平距離的變化分為兩類，溢洪道左岸水平距離有縮短趨勢，右岸水平距離變化不明顯；斷面水平距離有變大趨勢；裂縫寬度有略微增大趨勢，但不明顯。出現以上變化趨勢的原因分析，首先分析各周期的監測現狀（見表7），通過分析發現，就目前的現狀水庫蓄水位的變化對監測結果的影響不明顯；溫度的變化似乎有規律可依，溫度的持續升高，對山體及壩面有膨脹趨勢。這一解釋還需進一步的數據驗證。

表7 各周期觀測現狀統計表

7 結論

文中的方案是依照規范中的相應指標及變形體的形變趨勢及變化量所設計的，通過近六期的監測，結果表面，該方案可以達到溢洪道閘室段變形監測的目的。經分析計算溢洪洞閘室段呈逐漸抬高趨勢；溢洪道閘室段左岸混凝土墻體有向外側擴張趨勢；裂縫寬度變化微小。

上述方法有效的反應出了溢洪道閘室段在山體位移、水庫蓄水位升降、季節性溫度變化等因素影響下變化。可以為類似水工項目提供借鑒。