安全監(jiān)測自動化技術(shù)在三河口水利樞紐中的應(yīng)用

馬夢鴿,厙海鵬

(陜西省引漢濟(jì)渭工程建設(shè)有限公司，陜西 西安 710024)

1 工程概況

三河口水利樞紐位于佛坪縣子午河峽谷下游，是引漢濟(jì)渭調(diào)水工程的調(diào)蓄庫，總庫容7.1 億m3。大壩采用碾壓混凝土拱壩，最大壩高145.0 m，大壩泄洪采用壩身表、底孔相結(jié)合的泄洪方式，壩后引抽水電站廠房設(shè)置在大壩下游右岸[1]。三河口水利樞紐大壩按1 級建筑物設(shè)計，建筑物多為2 級，監(jiān)測設(shè)計分別依據(jù)各建筑物的級別設(shè)計，同時對環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測、滲壓監(jiān)測、大壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測及邊坡安全監(jiān)測等方面進(jìn)行了專項監(jiān)測。

2 監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計及施工要求

2.1 變形監(jiān)測網(wǎng)設(shè)計

根據(jù)三河口水利樞紐壩區(qū)地形地貌和樞紐各建筑物布置情況，設(shè)置了水平和豎直方向交錯的監(jiān)測網(wǎng)。水平向總共設(shè)置有9 個水平位移網(wǎng)點，網(wǎng)點選擇在地形較開闊且通視條件較好的穩(wěn)定可靠、便于監(jiān)測的地方，其標(biāo)墩為鋼筋混凝土監(jiān)測墩，盡可能建立在基巖上，墩頂設(shè)不銹鋼強制對中基座。在大壩永久水平位移監(jiān)測網(wǎng)建成前工作基點采用二等施工控制網(wǎng)，大壩永久水平位移監(jiān)測網(wǎng)建成后，工作基點采用一等永久水平位移監(jiān)測網(wǎng)。工作基點的穩(wěn)定性由監(jiān)測網(wǎng)按規(guī)范要求定期檢測。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)由1 座基準(zhǔn)點、6 座工作基點和6 座網(wǎng)測點組成。

2.2 施工要求

充分利用碾壓混凝土壩儀器施工方法的研究成果[1-3]，吸收在其他碾壓混凝土工程儀器埋設(shè)的經(jīng)驗[4-6]，針對三河口水利樞紐工程的特點改進(jìn)和完善安裝埋設(shè)的技術(shù)要求和操作規(guī)程，加強安裝埋設(shè)隊伍的培訓(xùn)和管理。安裝埋設(shè)時嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行，埋設(shè)前對每支儀器都要經(jīng)過檢驗、率定合格后方能使用，埋設(shè)后在混凝土覆蓋足夠厚度前都應(yīng)有人守護(hù)，并跟蹤埋設(shè)過程監(jiān)測，一旦發(fā)現(xiàn)儀器不正常，采取相應(yīng)措施，立即更換儀器;電纜嚴(yán)格按設(shè)計要求布設(shè)，并認(rèn)真保護(hù)。

3 拱壩安全監(jiān)測運用

3.1 壩體位移監(jiān)測

本工程大壩及其基礎(chǔ)水平位移在水平位移監(jiān)測網(wǎng)的整體聯(lián)系控制下，采用正垂線和倒垂線進(jìn)行監(jiān)測，監(jiān)測點標(biāo)墩為鋼筋混凝土墩體，壩頂監(jiān)測墩水平位移與垂直位移監(jiān)測共用，監(jiān)測點標(biāo)墩為1.2 m 的鋼筋混凝土墩體，墩頂設(shè)置強制歸心底座，墩體底盤的表面埋設(shè)垂直位移標(biāo)志。因三河口拱壩較長，除壩頂設(shè)水平外監(jiān)測點及在拱冠處設(shè)置1 條垂線組外，還需在左岸、右岸1/3 和1/5 拱處各設(shè)置一條垂線組;同時在左右壩肩隧洞內(nèi)各設(shè)置一條垂線組(布置7 條垂線)以監(jiān)測壩肩的水平位移，大壩水平位移變形共設(shè)置組進(jìn)行監(jiān)測。

3.2 變形監(jiān)測

3.2.1壩體基巖變位監(jiān)測

為監(jiān)測壩基巖體自開挖至拱壩澆筑完成并運行后的變形全過程，在壩基每個壩段沿六個縱向斷面各布設(shè)一套多點位移計，同時在每個橫斷面壩址和壩踵位置各布設(shè)一套多點位移計，監(jiān)測壩基巖體在拱推力作用下的變形。

3.2.2壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

壩體應(yīng)力應(yīng)變水平監(jiān)測截面沿拱冠梁不同高程按10 m～30 m 的間距，各個橫斷面根據(jù)壩基高程510 m 到640 m 之間設(shè)7 層監(jiān)測儀器，水平分別在距上下游2.0 m，水平截面中部根據(jù)高程不同布置1 到2 套。為了監(jiān)測壩踵、壩址部位的應(yīng)力情況，在拱冠梁壩踵部位布置4 支應(yīng)變計，在壩址部位布置2 支應(yīng)變計，應(yīng)變計均布置在墊層混凝土內(nèi)，呈豎向布置。

3.2.3壩體接縫及裂縫監(jiān)測

為有利于混凝土在施工期間的散熱，從而降低混凝土的收縮應(yīng)力，防止混凝土產(chǎn)生裂縫，各壩段間設(shè)收縮縫。在垂直于縫面，各灌漿區(qū)域沿高程方向梅花形設(shè)1～2 支單向測縫計以監(jiān)測變形縫狀態(tài)。測縫計既可測縫的開合度，又可測溫度。同時設(shè)置誘導(dǎo)縫，誘導(dǎo)縫上布置測縫計不僅可以反映誘導(dǎo)縫的工作狀態(tài)，同時也可以為拱壩封拱時機提供可靠的依據(jù)。為監(jiān)測拱壩建基面與壩體之間的開合度和錯動情況，在拱壩基礎(chǔ)設(shè)置5 個橫向監(jiān)測斷面，監(jiān)測橫斷面與垂線，應(yīng)力應(yīng)變及溫度壩段重合。每個縱向監(jiān)測斷面在每個壩段布設(shè)一支測縫計，每個橫向斷面在順?biāo)鞣较虿荚O(shè)4 支測縫計，其中一支在壩鍾部位，一支在壩址部位，壩中布置2 支，這兩支與縱向斷面重合部分儀器共用，采用豎向布置單向埋入式測縫計。

3.3 滲壓監(jiān)測

3.3.1壩體滲透壓力

拱壩基礎(chǔ)揚壓力布置綜合考慮壩基地質(zhì)條件和滲排工程措施，并結(jié)合變形及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測壩段的布置等因素，拱壩基礎(chǔ)設(shè)置5 橫2 縱監(jiān)測斷面。水庫蓄水后壩前會有泥沙淤積，為監(jiān)測灌漿帷幕前壩基揚壓力情況，在幕前壩踵處設(shè)1 支滲壓計，在帷后排水帷線前后對稱設(shè)2 支滲壓計，在壩趾設(shè)1支滲壓計，在排水帷幕前后各設(shè)1 支滲壓計，總計10 支滲壓計。壩體滲透壓力監(jiān)測主要目的是監(jiān)測混凝土的防滲性能和施工質(zhì)量，與壩體應(yīng)力監(jiān)測斷面結(jié)合，故在515 m、565 m、610 m 三個高程中每處布置3 支，可測得壩體防滲層內(nèi)不同位置的滲透壓力分布情況。

3.3.2繞壩滲流

兩岸壩基滲壓也影響著大壩安全，為分析繞壩滲流對其影響，確保下游兩岸邊坡的滲透穩(wěn)定性，在壩下游設(shè)水位監(jiān)測孔，以監(jiān)測下游近壩區(qū)邊坡地下水位的變化，了解壩后岸坡地下水位分布情況。共設(shè)2 個監(jiān)測斷面，位于兩岸邊坡帷幕后，每個監(jiān)測斷面設(shè)4 個水位監(jiān)測孔。繞壩滲流孔位布置時，盡量利用上壩交通洞、施工支洞和灌漿廊道等地下洞室，并和帷幕監(jiān)測孔統(tǒng)籌考慮，以便合理布置測點和減少施工工程量及施工難度。

3.4 邊坡安全監(jiān)測

邊坡安全監(jiān)測需考慮安全性和一致性，三河口大壩邊坡監(jiān)測設(shè)置為1 級，監(jiān)測內(nèi)容主要包括邊坡變形監(jiān)測。壩肩開挖邊坡范圍較大，邊坡較高。根據(jù)兩壩肩開挖邊坡的實際情況，在左右壩肩開挖邊坡各選取2 個斷面，其中1 個布置拱肩槽上游側(cè)順向坡，一個布置在壩肩拱端部位。運用多點位移計的設(shè)置，監(jiān)測壩肩邊坡內(nèi)部深度變形。

每個斷面布置錨桿應(yīng)力計對進(jìn)行邊坡支護(hù)監(jiān)測，錨桿應(yīng)力計主要布置在長錨桿上裂隙發(fā)育部位，根據(jù)邊坡裂隙發(fā)育情況選取部分長錨桿呈組布置應(yīng)力計;每個斷面布置錨索測力計對錨索工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。同時，在每個斷面上布設(shè)4支滲壓計，監(jiān)測地下水位情況，深入至地下水位至少1 m 以下，共布設(shè)16 支滲壓計。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.1 壩體位移監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

三河口拱壩于2019 年12 月29 日開始下閘蓄水，截止2019 年12 月31 日，庫水位上升幅度不大，目前拱壩徑向位移向下游最大位移為0.64 mm，隨著庫水位上升，拱壩徑向向下游位移，切向向兩岸位移。在蓄水初級階段徑向位移向下游位移，最大為2.39 mm;隨著庫水位上升，拱壩徑向向下游位移，切向向兩岸位移;初期蓄水結(jié)束后，徑向位移主要受氣溫影響，最大位移為-1.25 mm;在正常蓄水位蓄水階段，庫水位上升至621.4 m，拱壩向下游位移最大為28.82 mm，出現(xiàn)在646 m 高程Ⅳ斷面。

初蓄階段切向位移量值較小，切向位移較小，規(guī)律性不明顯，位移量在0.5 mm 以內(nèi)，說明在目前水頭作用下大壩拱向推力還較小。三河口拱壩565 m 高程以下切向位移較小，普遍向右岸位移，位移量不大，切向向右岸最大位移為-1.99 mm，目前階段溫度荷載對水平位移的影響大于水壓荷載影響。蓄水階段切向位移向左岸最大位移為2.60 mm，出現(xiàn)在646 m 高程Ⅱ斷面，發(fā)生時間2021 年12 月21 日;切向位移向右岸最大位移為7.02 mm，出現(xiàn)在610m 高程Ⅴ斷面，發(fā)生時間2021 年12 月25 日，可看出目前水壓荷載對水平位移的影響較大。在汛期階段，庫水位上升，拱壩徑向位移從-1.26 mm 快速增長到-0.82 mm，可看出壩體徑向位移對庫水位變化比較敏感。

4.2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.2.1壩體基巖變位監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

基巖變形受上部蓋重影響較大，隨著碾壓混凝土的澆筑進(jìn)行，基巖壓縮量緩慢增加。從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，靠近上游側(cè)兩組測點除孔口位移處于壓縮狀態(tài)(位移量分別為-1.80 mm和-0.63 mm)外， 其余測點均處于拉伸狀態(tài)， 變形量基本在2 mm 以內(nèi)。靠近下游側(cè)兩組測點孔口和5 m 處位移呈壓縮狀態(tài)，10 m 和20 m 深處測點呈拉伸狀態(tài)，位移量變化在-4.24 mm～1.54 mm 之間(圖1)。其中Ⅳ斷面安裝在504.5 m高程測點位移量最大，最大壓縮量為8.07 mm(圖2)。基巖豎向位移變化規(guī)律正常，變形量不大，無明顯異常變化，水平向位移普遍較小，測值較為穩(wěn)定。

圖1 Ⅴ斷面典型多點位移計過程線圖

圖2 Ⅳ斷面典型多點位移計過程線圖

4.2.2壩體及基礎(chǔ)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

1)壩體應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

從監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，處于受壓狀態(tài)應(yīng)變計測點占應(yīng)變計總數(shù)73.72%;在受拉的123 個測點中，大部分測點應(yīng)力應(yīng)變在100 με以內(nèi)(87 支)，在100 με～200 με之間的有30 支，大于200 με的有6 支，主要出現(xiàn)在533 m 高程、595 m 高程、607 m 高程和619 m 高程。綜合分析，壩體應(yīng)力應(yīng)變變化規(guī)律正常，大部分測點處于受壓狀態(tài)，雖然存在少部分拉應(yīng)變，但拉應(yīng)變值大部分在100 με以內(nèi)，結(jié)合其他數(shù)據(jù)分析出現(xiàn)拉應(yīng)力原因可能受溫度等多種因素共同影響，在后續(xù)水位抬升階段需進(jìn)一步監(jiān)測分析。

2)壩基應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

從壓應(yīng)力計過程線圖可以看出(圖3)，隨著壩體澆筑高程的增加，壩體與基巖接觸部位的壓應(yīng)力也隨之有所增大，目前各測點處于受壓狀態(tài)，最大壓應(yīng)力為3.39 MPa，出現(xiàn)在593.8 高程9 號壩段的E13 測點。總體來看，壩基接觸壓應(yīng)力未見異常變化。

表1 拱肩基礎(chǔ)壓應(yīng)力計特征值統(tǒng)計表 單位:MPa

圖3 大壩壓應(yīng)力計典型測點過程線圖

4.2.3壩體接縫及裂縫監(jiān)測

橫縫、誘導(dǎo)縫開合度受混凝土溫度影響較大，溫度越低，接縫開合度越大。目前隨著通水冷卻的進(jìn)行，橫縫、誘導(dǎo)縫處于緩慢張開的狀態(tài)。通過對六期接縫灌漿的接縫及裂縫進(jìn)行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)灌漿整體效果良好，六次灌漿接縫開合度變化均較小，變幅基本在0.5 mm 以內(nèi)。某些測點受冬季氣溫下降后開合度略微張開，但隨后測點開合度變幅較小，已處于穩(wěn)定狀態(tài)。但和前期相比，經(jīng)過一個冬季的變化，變幅超過1 mm 的測點數(shù)量有所增加，目前有9 個測點變幅超過1 mm，有部分測點變幅在1.5 mm 以上，該部分測點后期需進(jìn)一步對其進(jìn)行分析。

4.3 滲壓監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4.3.1壩體滲透壓力數(shù)據(jù)分析

從壩基滲壓計過程線圖(圖4)可看出:壩基滲透壓力主要受上游水位、周邊巖體地下水位、降雨等多種因素影響。大壩未蓄水前，幕前滲壓水頭基本穩(wěn)定，部分滲壓計水頭增大與壩前基礎(chǔ)黏土回填有關(guān)。大壩蓄水階段，導(dǎo)流洞下閘蓄水至底孔過流，帷幕前滲壓水頭隨上游水位上升而增大，上游水位穩(wěn)定后帷幕前滲壓水頭基本處于穩(wěn)定狀態(tài)。正常蓄水后滲壓水頭受降雨影響較小。目前帷幕前最大水頭為40.27 m。

圖4 帷幕前滲壓水頭與庫水位相關(guān)圖

4.3.2繞壩滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

左右岸繞壩滲流安裝高程在600 m 以上，遠(yuǎn)高于初期蓄水庫水位高程，庫水位對左右岸壩肩繞壩滲流基本無影響，繞壩滲流水位主要受地下水位和降雨等因素影響，從目前測值來看，除左岸UP(zrb)7 測點水頭為14.08 m 外，其余兩岸繞壩滲流滲壓水頭不大，基本在10 m 以內(nèi)，無異常情況。

4.4 邊坡安全監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

壩肩多點位移計典型測點過程線圖見圖5，可看出壩肩多點位移計測值普遍較小，SMJ2-1 測點主要呈壓縮變化，位移量在-4.13 mm～-1.38 mm 之間，其余測點位移均在1mm 以內(nèi)，位移變化趨勢目前已趨緩。總體分析，壩肩基巖位移變化較為穩(wěn)定，無明顯異常變化。

圖5 壩肩多點位移計典型測點過程線圖

5 結(jié)語

安全監(jiān)測自動化技術(shù)在國內(nèi)大壩安全監(jiān)測中運用成功的案例較多，分析其在三河口水利樞紐的運用情況，總體運行效果較好。三河口水利樞紐安全監(jiān)測項目全面，監(jiān)測儀器和設(shè)施布置合理，儀器設(shè)備選型耐久、可靠、實用、有效，形成了一套完整的樞紐安全監(jiān)測系統(tǒng)，在施工期取得了大量可靠性高、連續(xù)性好的監(jiān)測數(shù)據(jù)，做到了全面、同步、及時而準(zhǔn)確地反映出各部位在施工期過程中的變化。同時，對大壩應(yīng)力變形及滲透壓力等變化規(guī)律以及各變化的原因分析有直接性的作用，從而能及時發(fā)現(xiàn)隱患并采取相應(yīng)措施，確保大壩安全穩(wěn)定運行，提高大壩運行綜合效益。