柔性測斜儀在300 m級高壩中的應用

陶 子 傲， 代 喬 亨

(中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

兩河口水電站壩址控制流域面積為6.57萬km2，壩址處多年平均流量為666 m3/s。水庫正常蓄水位高程2 865 m，相應庫容107.67億m3，調節庫容65.6億m3，具有多年調節能力。該工程為一等大(1)型工程，樞紐建筑物由土質心墻堆石壩、溢洪道、泄洪洞、放空洞、發電廠房、引水及尾水建筑物等組成。心墻堆石壩最大壩高295 m，發電廠房為地下式，廠內安裝6臺混流式水輪發電機組[1，2]。

該工程的安全監測設計遵循“有效合理可靠監控工程的安全可靠運行以及必要的設計反饋研究”的原則，并為建設更多更好的超高級土石壩提供寶貴的原型資料及分析成果。

中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司(以下簡稱“成都院”)自2015年即開始進行柔性測斜儀在高土石壩中的應用研究工作，經過近2年多時間的跟蹤研究及調研，提出了兩河口水電站300 m高土石壩柔性測斜儀監測設計方案及其安裝埋設保護技術方案并付之應用。

2 研究的目的和意義

近年來，中國水電工程建設技術發展迅速，以雙江口(壩高312 m)、兩河口(壩高295 m)、糯扎渡(壩高261.5 m)、長河壩(壩高240 m)等水電站為代表的一批典型工程將礫石土心墻堆石壩的壩高逐步由100 m級提升至300 m級，使我國土石壩的設計理論及施工技術達到國際先進水平。但有關土石壩安全監測技術的發展及應用明顯滯后于土石壩筑壩技術。目前，國內外通常采用沉降環、水管式沉降儀進行大壩內部垂直位移的監測，采用引張線式水平位移計或活動式測斜孔進行大壩內部水平位移的監測。這些傳統的監測儀器主要針對100 m級壩高的水電工程進行開發和研制，其適應性已不能完全滿足300 m級超高土石壩對變形監測的要求，導致當前高土石壩變形監測儀器的存活率普遍偏低。而高土石壩的變形情況一直是工程關注的重點，直接關系到大壩能否安全穩定運行。

因此，針對300 m級超高土石壩工程尋找更適宜的安全監測儀器、研究更有效的監測方法就顯得特別有意義，而柔性測斜儀就是在這種情況下誕生并越來越多地被投入使用[3，4]。

3 儀器簡介、技術特點及主要參數

3.1 儀器簡介

北京盛科瑞科技有限公司代理的韓國3D GBMS三維連續型變形監測系統(柔性測斜儀)由一系列連續相接的MEMS加速度計傾斜儀構成，系統可自動確定每個傾斜儀單元的空間形態，從而實現對目標物的三維變形監測。三維連續型變形監測系統(柔性測斜儀)是一款新型地面變形監測儀器，既可安裝于鉆孔中監測沿地層深度的土體變形，也可安裝于建筑物表面監測其變形特性，如隧洞、地下空間斷面收斂；油罐地基、軌道沉降；橋梁、擋土墻、軌道扭曲等三維建筑物的變形特征[5]。

盛科瑞三維連續型變形監測系統的外徑最大為25 mm，三維連續型變形監測系統(柔性測斜儀)由MEMS加速度計三維傳感器、內置電路板、標準測量單元、特殊不銹鋼外包護套等部件構成。監測數據既可通過連接筆記本電腦現場采集方式，也可由自動采集設備采集并通過遠程通訊方式(RS485，3G或4G通訊網絡，LAN等方式)獲得。安裝于筆記本電腦的采集軟件可用于實時處理從CDS獲取的變形測量數據、可視化變形曲線，可將監測目標的變形狀態及變形量實時顯示到計算機屏幕。

3.2 主要技術特點

盛科瑞三維連續型變形監測系統(柔性測斜儀)的主要技術特點為：

(1)節省成本，安裝簡便。在鉆孔中安裝時，無需使用傳統導槽型測斜管，僅使用普通30 mm小直徑PVC導管加以保護即可，相較傳統固定測斜儀可大幅減少鉆孔與測斜管成本，安裝簡便。

(2)監測精度大幅提升。每個三維連續型變形測量單元長度為0.5 m或1 m，相較于傳統固定式測斜儀2～3 m的測量標距，測點數量增加了4～6倍，從而大大提高了變形監測精度。

(3)安裝方式靈活，應用廣泛。可豎直、水平、任意角度安裝，可獲得三維變形數據，可應用于隧洞、路基、橋梁的變形監測，應用范圍廣泛。

(4)數據采集、處理方便，節省工作量。系統配置包括自動數據采集與實時處理軟件，可將監測目標的變形狀態及變形量實時顯示到計算機屏幕、記錄到文件并快速形成報告格式的打印圖表，從而大大減少了技術人員的數據處理、分析時間與工作量。

4 監測儀器的布置

兩河口水電站礫石土心墻壩共計布置了12套柔性測斜儀，儀器總長度為1 097 m。具體布置情況為：

(1)在左右岸混凝土蓋板高程2 641 m、樁號(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線各布置了1套柔性測斜儀，儀器編號分別為IN-R1、IN-R2，每套長度為40 m，兼顧開展監測儀器性能測試和埋設試驗。

(2)在左右岸混凝土蓋板高程2 701 m、樁號(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線各布置了1套柔性測斜儀，儀器編號分別為IN-R3、IN-R4，每套長度為132 m，2套儀器在河床中心的搭接長度約為2 m。

(3)在左岸混凝土蓋板高程2 761 m、樁號(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線布置了1套柔性測斜儀，儀器編號為IN-R5，儀器長度為200 m；在右岸混凝土蓋板高程2 761 m、樁號(壩)0+001.2處沿大壩心墻軸線布置了1套柔性測斜儀，儀器編號為IN-R6，儀器長度為100 m；在兩套柔性測斜儀之間沿壩軸線布置了1套柔性測斜儀，儀器編號為IN-R7，儀器長度為100 m；3套柔性測斜儀之間的搭接長度均為4 m。

(4)在大壩上游堆石區3-3監測剖面高程2 790 m的L3水管式沉降儀監測條帶溝槽內，沿監測條帶近水平布置了3套水平柔性測斜儀，在上游壩坡至反濾層布設的3套柔性測斜儀儀器編號依次為IN-R8、IN-R9和IN-R10，每套長度為51 m。相鄰2套柔性測斜儀采用廠家專用的配套接頭進行連接。

(5)在大壩3-3監測剖面上游堆石區高程2 790 m馬道打鉛垂鉆孔并埋設PE導管和柔性測斜儀，對施工期和初蓄期上游堆石區水平位移進行監測。儀器編號為IN-R11，長度為100 m。

(6)在大壩心墻3-3監測剖面壩軸線處高程2 775 m豎向預埋了1根φ85 mm測斜管，施工期測斜管隨心墻的填筑預埋安裝并對測斜管外套PE管和伸縮接頭進行保護，待填筑至壩頂高程后，在管內豎向安裝了1套柔性測斜儀，儀器編號為IN-R12，長度為100 m。

5 監測數據分析

截止目前，兩河水電站已安裝完成并取得基準值的柔性測斜儀共計10套，監測數據自2017年延續至今，文中主要對布置在樞紐建筑物心墻等主要部位的柔性測斜儀監測成果進行分析。

(1)2 641 m高程柔性測斜儀。布置在右岸2 641 m高程的柔性測斜儀IN-R2實測蓄水前大壩心墻累積沉降量在714.9 mm以內，一期蓄水期間沉降增幅在40.4 mm以內，二期蓄水期間沉降增幅在13.7 mm以內，當前累積沉降量在778.7 mm以內，沉降已基本趨于平緩。布置在右岸2 641 m高程的柔性測斜儀IN-R2各高程安裝的測點累計沉降量見表1，心墻左岸2 641 m高程柔性測斜儀IN-R2特征點沉降分布過程線見圖1。

(2)2 700 m高程柔性測斜儀。在大壩心墻2 700 m高程(壩)0+001.2樁號左、右岸各埋設了一套柔性測斜儀，左岸的設計編號為IN-R3，右岸的設計編號為IN-R4。

左岸柔性測斜儀IN-R3實測蓄水前大壩心墻累積沉降量在2 063.3 mm以內，一期蓄水期間沉降增幅在169.4 mm以內，二期蓄水期間沉降增幅在46.5 mm以內，當前累積沉降量在2 317.6 mm以內，沉降逐漸趨于平緩。

IN-R3柔性測斜儀132 m測點的測值為2 317.6 mm，同部位附近電磁沉降環DC4-25的測值為2 336.5 mm，兩者沉降量值基本相當。心墻左岸2 700 m高程柔性測斜儀IN-R3特征點沉降分布過程線見圖2。

表1 柔性測斜儀IN-R2沉降量監測成果表

(3)2 761 m高程柔性測斜儀。在大壩2 761 m高程心墻河床中部及左右岸各布設了一套柔性測斜儀，左岸測點編號為IN-R5(長度200 m)，右岸測點編號為IN-R6(長度100 m)，河床中部測點編號為IN-R7(長度100 m)。

圖1 心墻左岸2 641 m高程柔性測斜儀IN-R2特征點沉降分布過程線

圖2 心墻左岸2 700 m高程柔性測斜儀IN-R3特征點沉降分布過程線

左岸柔性測斜儀IN-R5實測蓄水前大壩心墻累積沉降量在2 354.2 mm以內，一期蓄水期間沉降增幅在252.1 mm以內，二期蓄水期間沉降增幅在154.9 mm以內，當前累積沉降量在2 820 mm以內，心墻左岸2 761 m高程柔性測斜儀IN-R5特征點沉降歷時過程線見圖3。

IN-R6與IN-R7兩套柔性測斜儀沉降量累加后，實測蓄水前心墻累積沉降量在2 109.7 mm以內；一期蓄水期間沉降增幅在517.1 mm以內，二期蓄水期間沉降增幅在143.9 mm以內，當前累積沉降量在2 837.1 mm以內，左右岸沉降變形基本沿壩軸線成對稱分布，左右岸柔性測斜儀的最大測值基本相當。心墻右岸2 761 m高程柔性測斜儀IN-R6與IN-R7特征點沉降歷時過程線見圖4。

6 結 語

長期以來，土石壩的沉降變形監測主要依靠沉降環、水管式沉降儀、橫梁式沉降儀等常規監測儀器進行，但其缺陷明顯；而柔性測斜儀普遍具有高精度、高穩定性、可重復利用性、大量程、持久穩定性、數據自動采集及存儲等技術優勢，柔性測斜儀通過在兩河口工程中的應用，成功地實現了在大壩心墻壩軸線貫通埋設柔性測斜儀(最大安裝長度達400 m，單根最大埋設長度達200 m)，這是國內首次實現大壩心墻全斷面連續線性沉降監測手段，在國際上亦屬首創。

圖3 心墻左岸2 761 m高程柔性測斜儀IN-R5特征點沉降歷時過程線圖

圖4 心墻右岸2 761 m高程柔性測斜儀IN-R6、IN-R7特征點沉降歷時過程線圖

實踐與論證表明：柔性測斜儀可以較好地應用于各類土建工程，甚至是300 m級高堆石壩等超級工程，其監測成果亦能真實反映所觀測部位的變形情況。可以認為：柔性測斜儀在性能方面總體滿足300 m級高土石壩變形監測的需要。