瀝青混凝土心墻堆石壩陣列式位移計安裝探討

唐 茂 剛， 董 陽， 王 麒 璘

(1.華電金沙江上游水電開發有限公司蘇洼龍分公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概 述

國內堆石壩采用水平固定式測斜儀預埋安裝進行壩體沉降變形已有多起工程實例[1]，因常規監測手段的局限性，只能監測瀝青混凝土心墻與周邊細過渡料在豎直向的變形，而其水平向位移卻無法觀測?？紤]到蘇洼龍壩址河谷較為開闊，覆蓋層深厚，壩基置于覆蓋層上，壩高超過100 m，且庫區容積較大[2]，相應對瀝青混凝土心墻產生的壓力就大，因此，對瀝青混凝土心墻進行水平向監測是一項主要的監測項目[3]。

利用陣列式位移計監測瀝青混凝土心墻變形的實例應用不多，安裝埋設無成熟的經驗，需作進一步的實踐探索，以便更好地發揮儀器的正常功能。

在綜合考慮監測要求后，選定采用安裝陣列式位移計進行多維度變形監測系統方案，作為心墻在水平向的監測手段。具體在主監測斷面(壩0+268.00 m)和輔助監測斷面(壩0+368.00 m)的心墻下游側30 cm處均設置1套陣列式位移計，底端位于廊道頂部混凝土內，埋設位移計觀測初始值。共設置2套陣列式位移計，總長208 m。由一系列角度傳感器首尾相連組成串行陣列，安放于測斜管中，每套208個傳感器間隔0.5 m。

2 陣列式位移計安裝的影響因素

在陣列式位移計安裝過程中，儀器廠家的選擇和儀器的保護是成功的關鍵[4]，針對問題必須制定相應的應對措施。

2.1 陣列式位移計選擇

采用SAA陣列式位移計，SAA是ShapeAccelArray的縮寫，它是一種可以被放置在一個鉆孔或嵌入結構內的變形監測傳感器，由三段連續軸、微電子機械系統(MEMS)加速度計[5]組成。SAA部件、術語對照見圖1。每段軸有一個已知的長度，一般為30 cm、50 cm。

圖1 SAA部件、術語對照示意圖

SAA陣列式位移計使用一組密實的微電子機械系統加速度計陣列和經過驗證的計算程序測量2D、3D變形。無優先軸，可自由彎曲，安裝方式多樣，可以豎直安裝、水平安裝或環形安裝。所選擇陣列位移計有以下優勢：

(1)溫區補償，數據穩定：SAA陣列位移計采用MEMS微機電系統，通過高度集成完美地消除了軸系間的誤差，采用溫區補償模型消除溫飄，保證數據采集的穩定。

(2)方向準確，精度可靠：位移分辨率每節(500 mm)最高可達0.005 mm。

(3)扭轉算法，偏量校正：SAA陣列位移計，采用專業的扭轉校正模型，對扭轉引起的變形量進行修正?？古まD校正功能，是在深部發生變形時，一般不會是一個方向受力，可能是多個方向受力的結果。在變形的過程中，有可能導致測斜管[或陣列式位移計(柔性測斜儀)等監測傳感器都是安裝在測斜管內]發生上半部分、下半部分或者整體的扭轉、旋轉。如果發生這種情況，設備放在測斜管里面會隨著測斜管的扭轉而發生扭轉，這樣，角度就會發生變化，因傳感器是根據角度來測算變形量，會使計算具有非常大的誤差，結果極不準確。SAA陣列位移計獨特的抗扭轉校正功能，可以把真實的變形量和扭旋引起的變形量剝離開來，分開計算，有效保障了深部位移測量的準確性。

(4)在線傳輸，實時分析：現場安裝完成接通電源，即可實現云平臺數據回傳與分析。

(5)二次開發，平臺兼容。①測量原理(圖2)。通過檢測各部分的重力場，可以計算出各段軸之間的彎曲角度θ，利用計算得到的彎曲角度和已知各段軸長度L(30 cm或50 cm)，每段SAA的變形Δχ便可以完全確定出來, 即Δx=θ·L，再對各段算術求和∑Δx，可得到距固定端點任意長度的變形量x。②數據采集方式。通過SAAUSB直接連接電腦(圖3)，采集數據，導入數據處理計算軟件，可直接取得成果，后期可直接接入自動化監測系統。

圖2 測量原理示意圖

圖3 SAAUSB直接連接電腦

2.2 儀器保護

陣列式位移計安裝埋設于瀝青混凝土心墻下游側30 cm處，而大壩心墻填筑施工工藝為：先對心墻上下游兩側細過渡料進行鋪填40 cm，然后使用攤鋪機在心墻上進行瀝青混凝土鋪填35 cm，隨后利用3 t振動碾進行8次碾壓。因陣列式位移計為整套組裝連接，此過程涉及到碾壓時對陣列式位移計的干擾。為保證陣列式位移計傳感器完好，采取了以下措施：

(1)采取立式支架立于過渡料層旁約2 m處，給3t振動碾留出富裕行進空間，隨著心墻及過渡料填筑逐層上升，在每填筑二層(60 cm)將傳感器(50 cm)接續一節，支架抬升后未碾壓區域使用打夯機進行壓實，確保陣列式位移計周邊填筑料密實度達到設計值。

(2)立式支架立于過渡料層水平段2 m槽坑，采用高強度φ150 mmPPR管進行保護，防止陣列式位移計傳感器在攤鋪機鋪料和振動碾壓過程中被損壞。

3 陣列式位移計安裝技術方案

3.1 埋設準備

埋設前在空曠區域將陣列式位移計展開，采用直徑略大于傳感器的PVC管每節50 cm與節點對應，穿入傳感器上，然后重新繞盤，運至安裝部位。此項工作可為后期儀器埋設節省大量時間，也是監測數據可靠性和有效性的保障。

3.2 基準施工

3.2.1 垂直鉆孔

在監測剖面壩基廊道頂部混凝土基座垂直鉆孔，具體位置根據施工圖紙確定，鉆孔位于心墻下游側30 cm處，孔徑為Φ76 mm，有效孔深不小于2.0 m。鉆孔完成后，采用鋼蓋板封閉孔口，待瀝青混凝土心墻底座填筑完成后進行現場溫度試驗，根據試驗結果確定是否采用隔熱降溫措施以保證在瀝青攤鋪時陣列式位移計埋設位置溫度不超過75 ℃。

3.2.2 埋設陣列式位移計

試驗完成后隨土建施工安裝埋設陣列式位移計，打開鉆孔孔口鋼蓋板，在孔內注滿水泥砂漿，宜采用微膨脹水泥砂漿(可加速凝劑)，然后將陣列式位移計下入孔內2 m，固定在混凝土基座內，將此段作為觀測基準。

3.3 安裝埋設

(1)待水泥砂漿凝固后，保持陣列式位移計在豎直方向上平行于瀝青混凝土心墻，使陣列式位移計始終距離心墻下游面約30 cm處，并特別注意對其進行保護。

(2)下一層瀝青混凝土心墻攤鋪前，在陣列式位移計所在斷面過渡料垂直于心墻方向開挖溝槽，溝槽深25 cm、寬25 cm，長度超出攤鋪機下游側下料斗攤鋪范圍1 m以上，確保陣列式位移計不受損傷。

(3)當瀝青混凝土心墻攤鋪碾壓60 cm后，刨出陣列式位移計傳感器，使其在豎直方向上平行于瀝青混凝土心墻上升1節(陣列式位移計每節長度50 cm)，每節傳感器位置必須穿套略微粗于傳感器直徑的PVC管(或其他管材)，并在管內回填細沙，使傳感器能緊貼管壁，確保監測數據的可靠性和有效性。然后重復步驟(2)～(3)，隨瀝青混凝土心墻施工及壩體填筑逐層完成其安裝埋設。

(4)陣列式位移計在施工過程中需加強保護，并派專人看守，防止施工過程中損壞儀器。

3.4 初步成果

安裝完成后于2020年4月15日取得基準值：以底部混凝土基座內部位作為0值，監測成果表明，在填筑施工期間瀝青混凝土心墻水平順河向變形不大，大壩填筑完成(2020年5月)最大變形僅在2.3 mm，一、二期蓄水(分別為2021年1月、2021年5月)以后變形有所增加，達到15.68 mm，隨后庫區水頭基本穩定變形趨勢減緩。截至目前，最大變形為18.23 mm，位于三分之二壩高處，當前變形趨勢已明顯趨小。心墻陣列式位移計(壩0+268 m)監測成果見圖4。

圖4 心墻陣列式位移計(壩0+268m)監測成果圖

4 結 語

由于堆石壩變形是否超出設計標準是大壩安全運行的重要判斷分析指標，因常規監測手段有較大局限性，監測瀝青混凝土心墻與周邊細過渡料常規手段大多是檢測豎直向的變形，其水平向位移確無法觀測，而瀝青混凝土心墻陣列式位移計較好地解決了水平向位移的檢測難題。目前，在國內應用不多，主要原因是陣列式位移計在堆石壩填筑過程中受土建施工干擾極大，且必須與心墻周邊填筑料一同牽引，經過蘇洼龍水電站的實踐證明，上述陣列式位移計埋設方法不僅保證與大壩填筑進度相結合，且極大減少了土建施工對現場長置儀器的破壞，確保陣列式位移計成功安裝，并取得填筑期與蓄水期較為豐富的觀測成果。