玉龍喀什水利樞紐混凝土面板堆石壩變形監測探討

袁 媛

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

隨著經濟的快速發展，中國的筑壩技術不斷提高，在短短幾十年間，水利工程建設取得了巨大的成就，不僅工程建設的數量快速增長，工程的規模也越來越大[1-2]，特別是20世紀90年代面板堆石壩向200m級高壩發展。大壩作為水利樞紐工程中的主要建筑物，壩體的安全直接影響了下游人民群眾的生命、財產安全，更是影響水利工程功能與作用的重要因素，因此，大壩安全監測備受關注。

1 工程概況

玉龍喀什水利樞紐工程位于新疆和田地區和田縣的喀什塔什鄉境內，距和田市約95km，距下游玉龍喀什河渠首約60km[3-4]，是玉龍喀什河山區河段的控制性水利樞紐工程，該工程主要任務為保證向塔里木河下泄生態水量的前提下，通過與烏魯瓦提水利樞紐聯合調度，以控制生態輸水、灌溉補水為主，結合防洪，兼顧發電[5-6]。大壩為1級建筑物，壩高233.5m，為250m級超高混凝土面板堆石壩[7-9]。地震設防烈度Ⅸ度，對于250m級高壩而言，控制壩體的變形尤為重要。

2 變形監測項目

大壩變形監測項目主要為：表面變形監測、堆石體的內部變形監測、面板接縫變形監測、面板撓度變形監測。對堆石體內部變形的監測是整個工程安全監測的重點，主要反映在堆石體的填筑質量、尋找面板施工時機、設計計算對比等，也是大壩安全評價的重要依據。

3 表面變形監測選擇

3.1 監測設施比選

目前，工程中主要的表面變形監測設施分為傳統表面變形監測設施(全站儀、水準儀)和新型表面變形監測設施(自動全站儀、GNSS監測系統、合成孔徑雷達干涉測量技術)。傳統壩體的表面變形監測方式，采用手工操作，受外界影響較大，其觀測周期較長，工作量也相對較大，由于測點多位于大壩下游坡面，觀測人員需要配備安全措施。

隨著衛星測量的發展，GNSS已應用于國內大、中型水電工程中，如拉西瓦、小灣、糯扎渡水電站等。糯扎渡水電站大壩表面變形同時采用GNSS和測量機器人(自動全站儀)自動化監測系統，觀測成果顯示在同一時段內，上、下游壩坡表面變形觀測成果變化趨勢一致。

GNSS自動化監測系統適用于地勢開闊的永久觀測，受氣候影響易產生誤差，本工程地理位置處于高山峽谷區，春秋季易發生沙塵天氣，冬季易產生降雪天氣，高山峽谷及相對惡劣的氣候對衛星信號存在一定的干擾。合成孔徑雷達干涉測量技術相對GNSS受地形及氣候影響小，由于主要依靠地面基站獲取圖像數據，地面基站的建設成本較高。測量機器人的精度比GNSS高，受氣候影響較小，建設成本比以上2種監測方式低。因此，本工程面板堆石壩表面變形選擇測量機器人接入自動化觀測。

3.2 表面變形監測方案

大壩表面變形監測測點為水平位移與垂直位移共用測點，垂直于壩軸線的方向布置表面位移監測橫斷面測線9條，每條測線的間距為50m。平行于壩軸線的方向布置表面位移監測縱斷面7條，其中壩頂上、下游各設1條，下游壩坡5條。測線上每隔50m設一個測點，共計44個，監測測點布置如圖1所示。

圖1 表面變形監測布置示意圖(單位：m)

4 壩體內部變形監測選擇

4.1 監測設施比選

內部變形監測是面板堆石壩安全監測的重中之重，沉降變形是反應堆石壩工作性態是否正常的最主要方面之一。大壩填筑時期采集到的壩體沉降數據，對控制施工進度、施工質量、以及施工機械的調配等具有指導意義。

壩體內部變形監測包括垂直位移及水平位移。隨著超高面板壩施工技術的發展，內部監測設施由傳統的(水管式、電磁式、液壓式)沉降儀、引張線式水平位移計系統，發展到目前的分布式光纖變形監測、管道機器人監測系統等內部變形監測設施。

壩體內部變形監測常用的傳統儀器是水管式沉降儀及引張線水平位移計，從國內已建工程可以看出，監測多采用3～4個監測斷面，高程方向的間距約為40m布置一層，每層的測點間距為40～50m。各工程面板堆石壩內部變形監測系統布置見表1。

表1 面板堆石壩內部變形監測系統布置表

目前我國200m級面板堆石壩壩體內部監測主要設施采用引張線水平位移+水管式沉降儀布置，引張線水平位移計自身存在誤差和缺陷，應用在監測長度約為400m的監測斷面中。施工過程中通過儀器埋設對測頭和管路進行保護，保證管路可靠連接，可有效避免引張線發生缺陷和誤差，使運行期測值穩定。機器人監測系統和分布式光纖變形監測技術在推廣階段，儀器的應用周期不長，有待運行期的長期檢驗。

本工程引張線長度小于500m，與在建高面板堆石壩的引張線長度相當，引張線自身的缺陷和誤差可通過施工保護措施控制，因此玉龍面板堆石壩的內部變形主要監測手段采用引張線水平位移+水管式沉降儀，同時選取最大監測斷面利用分布式光纖變形監測作為輔助監測手段作為補充監測，與引張線水平位移和水管式沉降儀互相驗證。

4.2 內部變形監測方案

根據本工程壩體三維有限元變形計算結果，壩體內部變形監測垂向和分層結合布置，共設置4個斷面，斷面位置分別為：壩0+100.00m、壩0+220.00m、壩0+300.00m、壩0+400.00m。4個內部變形主監測橫在5個高程布設壩體內部水平分層、垂向位移監測測點，層間距40～25m，每層水平分層的測點間距40m。同時在壩0+220.00m各水平分層及其他主監測斷面的最底層設置分布式光纖監測系統，共布置8條監測光纖，總長2550m。典型斷面內部變形監測布置如圖2所示。

圖2 2—2斷面內部變形監測布置(單位：m)

壩址處的河道地形呈弧形，在大壩下游坡腳向右岸偏轉。最大壩高斷面下游基巖向壩頂翹起，大壩下游坡腳1995.00m高程以下布置監測設施，需設監測洞，水管式沉降儀觀測房布置于壩后下游監測洞內，監測洞由監測斜井連接至工程交通洞內。監測洞為城門洞型，凈斷面尺寸2.0m×3.0m(底×高)，監測儀器洞室3.0m×3.0m×7.0m(長×寬×高)。

5 面板撓度變形及脫空監測

混凝土面板是面板堆石壩重要的防滲體，撓度變化反映了大壩安全運行情況。常規的監測設施主要有固定式測斜儀、電平器，近年來大型水利工程采用較多的監測儀器為光纖陀螺儀及SAA陣列式位移計。面板脫空監測常用設施為脫空計。

5.1 監測設施比選

固定式測斜儀由測斜管和串聯或單支安裝的固定測斜傳感器組成，通過安裝在每個高程上的傾斜傳感器，測量結構物的傾斜角度。其傳感器的布設間距難以權衡，間距過大則精度不高，間距過小則成本較高。由于蓄水后承受水壓較大，運行條件較惡劣，儀器的失效率高。猴子巖的面板撓度監測同時選擇固定式測斜儀和光纖陀螺磁慣導。并對監測技術做了相應改進，由于應用2種監測方式，確保了面板撓度的正常觀測。

天生橋一級混凝土面板堆石壩為監測面板撓度在3個橫斷面上安裝了64支電平器，通過高程692m以下壩體內沉降儀記錄的沉降量計算撓度變形，對比電平器監測成果，反映出電平器正確記錄了施工期間和水庫蓄水期間的面板位移情況。洪家渡、三板溪等面板壩也采用了電平器進行面板撓度監測，采用電平器監測對測點數量有要求，當測點數量較少，變形誤差加大。

兩河口水電站心墻壩采用了SAA陣列式位移計(柔性測斜儀)監測心墻沉降，沿壩軸線監測縱斷面，在左右岸心墻混凝土板的3個高程，沿縱向、水平各設1套，共布置柔性測斜儀6套，每套長度為50m。

阿爾塔什面板壩在大壩上游覆蓋層最深處的40#面板布置了一條面板撓度SAA陣列式位移計測線，分3段布置，一期面板105m、二期面板123m，三期面板92m，總長320m。測線線路有2段，線路1為趾板-連接板-防滲墻，布置50cm一節型號的SAA位移計，線路2為趾板-混凝土面板-壩頂防浪墻，布置100cm一節型號的SAA位移計。將全段SAA位移計外套高強度PVC/PE管沿面板底層鋼筋上部牽引至壩頂，在一、二期面板位置做搭接處理，搭接長度2.0m，為防止面板變形后拉斷位移計，終端預留長度2.0m，并用Φ110mm鍍鋅鋼管封閉保護。初期蓄水至高程1722m時，二期面板頂部累計沉降44.7mm，面板底部累計沉降58.5mm。

5.2 面板撓度變形監測方案

本工程選擇光纖陀螺(FOG)及SAA陣列式位移計監測面板撓度。結合壩體表面及內部監測斷面布置面板監測測線。

由于最長面板長達334.5m，為確保取得關鍵部位的監測數據，觀測面板變形情況，在最大面板條塊部位壩0+220.00m同時布設上述2種監測儀器，壩0+300.00m監測斷面安裝光纖陀螺。布置位置如圖3所示。

5.3 面板脫空監測方案

面板脫空監測內容應包括面板與墊層間的法向位移(脫開、閉合)以及向壩下的切向位移。面板和墊層間脫空情況利用脫空計結合界面土壓力計成組布置。

選擇壩體內部變形的4個監測橫斷面，結合大壩面板分期施工高程，共布置20組面板脫空計及土壓力計。

6 面板接縫變形監測

高壩的面板周邊縫在高水壓的作用下產生了復雜的三向變形位移，周邊縫的止水一旦被破壞將會成為滲水通道。高水頭作用下的周邊縫滲水會造成堆石體的不均勻沉降、壩體失穩。面板接縫的變形監測為壩體施工期、蓄水期和運行期的工作狀態提供依據。

單向測縫計及三向測縫計長期應用于面板接縫變形監測，安裝方便，實際應用中設施運行穩定。監測部位主要為面板周邊縫及面板板間縫。

6.1 面板周邊縫變形監測方案

同時根據周邊縫位移計算結果，在周邊縫易發生沉降位移、剪切位移、張拉位移處和趾板凸出部位布置三向測縫計，本工程左、右岸坡趾板周邊縫各布置6組三向測縫計，高趾墩處河床趾板布置3組三向測縫計，共計15支三向測縫計。

6.2 面板板間縫監測

根據SL 551—2012《土石壩安全監測技術規范》，在明顯受拉和受壓的面板板間垂直縫處布設測點，測點高程與周邊縫布置的三向測縫計組成縱橫測線。面板接縫位移布置單向測縫計進行面板間開合度變形。在受拉和拉壓交替部位的面板垂直縫布設單向測縫計，高程分布與周邊縫相同，且與周邊縫測點組成縱橫監測線。在混凝土面板7個高程的板間縫布置測縫計，共計測縫計44支，布置位置如圖3所示。

圖3 面板撓度及接縫監測布置

7 結論

大壩變形安全監測對工程的建設和運行至關重要，通過對比分析已有大壩變形監測案例及監測設施自身特點，結合本工程布置、施工及運行特點，合理選擇大壩表面變形、內部變形、面板撓度變形及脫空、面板接縫變形的監測設施及布置方案，實現自動化測量，方便指導施工，為后期大壩的運行、安全評估、預警預報大壩安全性態等方面提供可靠的監測資料。目前工程初步設計階段安全監測專題已通過水利部水利水電規劃設計總院的審查，工程于2021年12月截流，本次變形監測設計方案的選擇可為高面板壩的變形監測提供參考。