兩河口水電站土石壩測斜管及電磁沉降管的設計與安裝

孫 全

(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

土石壩安全監測技術的發展與應用明顯滯后于土石壩填筑技術，監測儀器的適應性仍停留在100 m級壩高水平，難以完全適應于300 m級超高土石壩，進而導致高土石壩變形監測儀器的存活率普遍較低。礫石土心墻壩在施工期和運行初期均存在較大的沉降變形(累計變形一般會達到壩高的1%～1.5%，尤其在施工期)，因此，施工期和運行期的變形監測非常重要。但在以往的工程建設中，土石壩內安裝長度超過200 m的測斜管兼電磁沉降管其安裝成活率較低，因此，壩體內測斜管及電磁沉降管的設計與安裝技術的提升是迫切的[1]。

技術人員在兩河口水電站大壩填筑前利用上游圍堰開展了相關測斜管安裝及變形試驗，并在實驗室內進行了測斜管及接頭抗碾壓和抗側壓試驗，最終確定了測斜管及電磁沉降管的布置形式、施工方法以及管材。目前，兩河口水電站大壩已經填筑到頂，根據施工過程中出現的問題以及測斜管的應用情況，提出了測斜管及電磁沉降管分管安裝、測斜管采用srtp管安裝的優化思路。

2 工程概況及監測布置方案

兩河口水電站為一等大(1)型工程，樞紐建筑物由擋水建筑物、右岸引水發電系統和左岸泄水建筑物等組成。

擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，壩頂高程為2 875 m，河床部位心墻底高程為2 582 m，最大壩高295 m，壩頂寬度為16 m，壩頂長668 m。壩殼料采用堆石填筑，上游壩坡坡比為1∶2，下游壩坡坡比為1∶1.9；心墻與上游設兩層反濾保護土料，下游設兩層反濾保護土料，上、下游坡度與心墻坡度相同，均為1∶0.2；上、下游反濾層與壩體堆石之間設置過渡層，過渡層延伸至坡頂，上、下游坡度均為1∶0.4。

礫石土心墻大壩在樁號(縱)0+200.0監測斷面的上游堆石區(DC1)、心墻區(VE1)、下游堆石區(DC2)分別布置了測斜管兼電磁沉降管；在樁號(縱)0+340.5監測斷面的上游堆石區(DC3)、心墻區(VE2和DC4)、下游堆石區(DC5)分別布置了測斜管兼電磁沉降管；在樁號(縱)0+550.0監測斷面的心墻區(VE3)布置了測斜管兼電磁沉降管。

在該心墻壩軸線布置了電磁式沉降儀觀測導管，沿電磁沉降管高程方向每隔5 m布設了一個沉降環；在上、下游堆石體內布置了電磁式沉降儀觀測導管，沿電磁沉降管高程方向每隔10 m布設了一個沉降環[2]。 礫石土心墻電磁沉降管布置情況見圖1。

圖1 礫石土心墻電磁沉降管布置圖

3 現場試驗及應用情況

3.1 現場試驗情況

2016年，技術人員在現場利用上游圍堰測斜管分段進行了不同安裝方式的試驗(堆埋法、坑埋法以及鉆孔埋設)，上游圍堰底部2 573.7～ 2 612.7 m高程約39 m采用鉆孔埋設， 2 612.7～ 2 637.7 m高程采用坑埋法， 高程2 637.7 m以上部位采用堆埋法，測斜管的埋設長度約為83 m，成活81 m。

鉆孔埋設方法簡單方便，測斜管安裝后不易遭到破壞，但覆蓋層鉆孔需進行跟管、拔管等鉆孔作業，成本高且測斜管外的回填密實度無法得到保證。更為重要的是采用鉆孔法埋設測斜管將無法安裝傳統電磁式沉降環。

坑埋法是在安裝測斜管時預留直徑為1 m、深0.5 m的坑槽，待壩體大范圍碾壓完成后再連接測斜管，然后在坑槽中回填墊層料、用平倉碾進行多次碾壓，直至達到設計給出的碾壓密實度指標。該方法存在需要人工不間斷值守、以防止施工機械人為破壞測斜管的問題。

堆埋法主要是在連接好測斜管后將墊層料堆放在測斜管周邊并進行碾壓、碾壓后的測斜管周邊會高出大壩填筑倉面，施工機械不容易對測斜管造成損壞。

3.2 室內試驗情況

技術人員選取工程中常用的幾個生產廠家生產的測斜管在實驗室內模擬土石壩心墻高圍壓情況下測斜管在承受水平、垂直方向荷載環境條件下工作的適應性。

(1)試件準備工作：將φ85 mmABS測斜儀套管按照60 cm的長度進行加工組裝，再將套管兩端用混凝土砂漿封閉，封閉深度為10 cm左右并做好防水處理。

試件分兩類：第一類套管沒有接頭，第二類套管有接頭，垂直、水平受力試驗的接頭采用伸縮接頭。

(2)三軸試驗模擬填礫石土材料按照兩河口水電站大壩心墻礫石土填筑材料配比進行。首先將試件放置在三軸試驗模具中心，填入心墻礫石土(填入過程需按照計算得出的壓實密度進行夯實)，填夯工作完成后將模具封閉并將試驗外罩固定好，將試件放置到三軸試驗機上，試驗前的準備工作即告完成。

(3)水平受力試驗：根據兩河口水電站最大蓄水高程水平理論壓力，結合試驗機最大功率對試件分3級加壓，每級加壓后檢查試件的受力狀況。

(4)垂直受力試驗：將試件加壓至水平受力的最后一級壓力，待穩定后進行垂直受力試驗，直至試件破壞，取出試件后檢查試件的破壞情況。

(5)壓力試驗：將試件放置在試驗機夾具上固定后對試件進行加壓、直至試件破壞；對壓力、水平、垂直受力試驗全過程進行攝影記錄、影像收集留存。

3.3 現場應用情況

技術人員根據現場試驗和室內試驗結果，最終確定了在測斜管兼電磁沉降管外圍增加外套壁厚6 mm的高強PE管以提高測斜管的抗圍壓能力的措施，并在最大壩高斷面測斜管兼電磁沉降管旁增加布置了1套電磁沉降管，使用壁厚7.5 mm的ABS管、接頭采用外套加固式套筒的安裝形式，該管材的規格和接頭處理方法均為國內首次采用。

目前，兩河口水電站大壩堆石區測斜管全部完好，安裝總長度達577 m，其中單根最大長度為199 m；心墻區增設的電磁沉降管DC4的安裝長度已達297 m，全管段的存活長度為世界之最。

略為遺憾的是：DC4同部位旁安裝的測斜管VE2分別在110 m和183 m處損壞。110 m位置的損壞原因是外圍壓力過大造成破損，183 m位置的損壞原因是局部變形過大造成測斜儀探頭卡在該深度無法取出。由于兩河口水電站大壩心墻填筑碾壓時間長達5 a之久，在此期間，心墻測斜管VE2多次意外損壞，現場修復經驗表明：管路破損部位基本在伸縮接頭部位。由于測斜管采用 “公母”插槽結構連接，故其接頭部位壁厚較正常管壁縮小一半以上。前期試驗成果表明：測斜管壁厚對其抗壓強度影響較大，上部管路在受到施工機械等外力作用后難免會引起填土以下管路接頭的變形和偏位。

兩河口水電站心墻電磁沉降管DC4采用的壁厚7.5 mm的ABS管接頭為外套式接頭，未采取外套保護管也成活了297 m，說明DC4采用的安裝方式值得肯定。心墻測斜管兼電磁沉降管VE2的損壞說明測斜管材質的選取和安裝保護方式仍需進一步改進。

3.4 測斜管材質選用建議

測斜管材質一般分為ABS塑料、鋁合金、聚氯乙烯塑料管等[3]。其中鋁合金材質通常用于建筑物表面的位移觀測，而在土石壩內部一般采用ABS和PVC材質。ABS管比PVC管更能保持其形狀和彈性，且相較鋁合金管而言，ABS塑料能適應更大的變形，更適合于在土石壩內安裝。因此，兩河口水電站測斜管材質最終決定采用ABS管，其壁厚為3.5 mm，接頭部位壁厚僅為1.75 mm，外套壁厚為6 mm的PE保護管。

在土石壩心墻內部長達61個月的測斜管管材安裝過程中，管材多次因大型施工機械碰撞而斷裂。保護管雖然能夠加強測斜管的側向抗壓能力，但ABS管的彎曲強度較差且其力學性能受溫度影響較大，在兩河口水電站高海拔和低溫環境下其強度進一步降低，因此，在其安裝過程中測斜管接頭部位更容易損壞。

目前，國內高壓給水管路多采用鋼絲網骨架塑料復合管[4](又稱srtp管)。srtp管采用高強度過塑鋼絲網骨架和熱塑性塑料聚乙烯為原材料，將鋼絲纏繞網作為聚乙烯塑料管的骨架增強體，以高密度聚乙烯(HDPE)為基體，采用高性能的HDPE改性粘結樹脂將鋼絲骨架與內、外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起，使其具有優良的復合效果[5]。由于有高強度鋼絲增強體被包覆在連續熱塑性塑料之中，故這種復合管克服了鋼管和塑料管各自存在的缺點，同時又保持了鋼管和塑料管各自具有的優點。

srtp管因其內部有鋼絲，故不適用于電磁沉降管，但如果測斜管能夠采用該材質制作的管路，將能夠更好地適用于心墻內部的安裝和測量。srtp管路的連接方式見圖2。

圖2 srtp管連接方式示意圖

采用srtp管材作為測斜管的優點：

(1)srtp管的強度、剛性、抗沖擊性高，能夠適當抵抗施工過程中大型施工機械的碾壓及撞擊破壞。

(2)srtp管的柔韌性較好，不會因其鋼度過大而導致測斜管無法取得大壩的水平變形。

(3)srtp管的安裝方便，其管道連接采用電熱熔連接和法蘭連接，連接技術成熟可靠，管件品種規格齊全。

(4)施工過程中孔口保護便利。在孔口出露端可采用法蘭盤進行密封，現場閑雜人員無專用工具無法打開，進而減少了人為破壞的可能。

4 結 語

實踐證明：兩河口水電站測斜管及電磁沉降管的總體設計思路是成功的。但在實際應用中發現：工程后期的電磁沉降管和測斜管應該分管安裝，這樣實施更有利于管路材料的選擇。鑒于測斜管對管路變形的要求較高，如在施工中因碾壓等因素造成變形過大易將活動測斜儀探頭卡住而造成大壩沉降數據無法獲取、后果將非常嚴重。文中提出的粗淺想法，希望能為后續超高土石壩監測工程測斜管及電磁沉降管的設計和安裝提供借鑒。