特高土石壩超長距離變形監測技術研究

湯洪潔，李 俊

(1.水利部 水利水電規劃設計總院，北京 100120； 2.中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710000)

0 引 言

20世紀80年代，引張線式水平位移計和水管式沉降儀首次應用于中國第一座面板堆石壩[1]，通過模型試驗和現場原位試驗，成功開展了面板堆石壩的內部變形觀測，并逐步全面推廣應用于中國100 m級面板堆石壩內部變形監測。

天生橋一級水電站混凝土面板堆石壩[2-3]采用“八五攻關”科技成果的ZP型引張線式水平位移計、SC型水管式沉降儀來監測壩體內部變形，最長測線350 m；洪家渡水電站混凝土面板堆石壩[4]在前者基礎上改進了儀器埋設方法，采用開挖溝槽法，將基床帶1%的坡比改為“壩軸線上游1%、壩軸線下游2%”，實現了壩體內部402 m長測線變形監測。南京水利科學研究院為滿足水布埡大壩壩體內部500 m級變形測線要求，通過模型試驗驗證了引張線式水平位移計和水管式沉降計用于200 m級面板堆石壩內部變形觀測的適用性及合理的儀器測點結構形式、保護結構、管路結構和自動化系統等[5-7]，成功將壩體內部變形測線延長至520 m。

目前，土石壩安全監測技術在200 m高度級別上發展已相對成熟，但在250～300 m級土石壩體內部超長距離的變形監測應用中仍存在不足，不能完全滿足耐久可靠、實用經濟、相互驗證、全生命期內全面反映工程建設和運行性態的安全監測要求。為此，結合新的傳感與通訊技術，開展了適應特高土石壩超長距離變形監測需求的技術研究。

1 存在問題

傳統實踐在獲得200 m級面板堆石壩內部變形原位觀測資料的同時，也暴露出常規的引張線式水平位移計和水管式沉降儀在內部變形觀測中存在的問題[8-11]。

(1) 壩體內部變形呈中間大兩側小的規律，長距離監測儀器管路彎折后易堵塞，導致觀測數據不準確、水管式儀器無法回水、沿程阻力過大、引張線配重增大使鋼絲拉斷等問題。

(2) 隨著壩高增加，壩體變形增大，且大壩底寬相應增加，安全監測儀器承受外壓大、埋設距離長，并存在實施難度大、施工時間長、影響主體工程進度、實施效果欠佳或局部失效等問題。

(3) 在200 m級高土石壩運行中，部分監測儀器存在成活率低、適應變形能力差導致后期損壞多、測量誤差大、維護困難、監測數據不準確或不符合規律、監測數據異常等問題，一定程度造成大壩運行性狀安全評價監測數據無法采信。

隨著新的傳感和通訊技術的發展，研究適應250 m級高土石壩內部超長距離的新變形監測技術手段刻不容緩。

2 研究方向

(1) 超長水管式沉降儀。改進常規的壩體內部變形水平垂直位移計，研究適用于特高土石壩內部超長距離變形監測的超長水管式沉降儀。

(2) 多聯桿式水平位移計。普通桿式位移計可監測壩體內部小范圍內的水平位移，因此，可嘗試連接多支桿式位移計以監測壩體內部某一測線的水平位移。需要對桿式位移計的連接方式、測線布置形式和誤差分析方法等進行研究。

(3) 管道機器人。在堆石體內部埋設管道，通過管道機器人來監測壩體內部變形。需對壩體內部水平及垂直位移監測方法、監測管道和變形監測標點設計、系統測量誤差分析和誤差分析方法等進行研究。

(4) 柔性測斜儀。柔性測斜儀采用“剛柔相濟”的思路，可為超長距離連續變形監測提供高精度、高可靠性的自動化監測方案。需主要對測線布置形式進行研究。

2.1 超長水管式沉降儀

可通過針對常規水管式沉降儀的缺陷進行改進，或在常規的水管式沉降儀上增加傳感器探頭，改進測讀裝置，在實現自動化測讀的基礎上，提高測量精度、擴大適用范圍，以實現特高土石壩內部沉降變形超長距離監測。

2.1.1 常規水管式沉降儀改進

水管式沉降儀的常用改進方法如下[12]。

(1) 雙排水系統。在傳統的三管式結構基礎上，增加一個排水電磁閥，電磁閥控制器設置在觀測房內，通過水管保護管與測頭處的電磁閥連接，具體結構如圖1所示。當沉降測頭無法排水時，通過控制器打開電磁閥排水，大大提高水管式沉降儀測頭的使用壽命，但儀器成本有所增加。

(2) 可互換結構的沉降測頭。如圖1所示，在通氣管、連通水管的前端各補充安裝1個水杯，2個水杯的高度差固定為h。在使用過程中，如果出現無法回水或其他原因導致無法觀測的情況，可以將觀測房內的連通管和通氣管互換使用，但更改后需要將測值減去2個水杯的高度差h作為真實測值。

圖1 具備雙排水系統且可互換結構的沉降測頭Fig.1 Settlement probe with dual drainage system and interchangeable structure

(3) 增大管徑、減小黏滯阻力。目前水管式沉降儀所采用水管直徑在10 mm左右，因此可將管徑增加至15 mm或20 mm，以提高管內液體的流動性。改用其他黏滯性較小的液體，如四氯化碳、苯、乙醚等。

(4) 施工細節改進。在每一測頭處修建漿砌石墩臺，墩臺朝向觀測房一側為接近45°的斜坡，測頭固定在該墩臺上，管路沿墩臺斜坡固定，各測點墩臺頂部高程基本處于同一平面上，坡度與基床坡度一致，既可以保證測頭穩固，同時可避免測頭處沉降偏大而無法繼續觀測[8]。由于管路過長，在經過一段時間的沉降后，可能出現管路被拉彎、拉斷等現象，一般采用在沉降測頭部分預留一定管路沉降富裕度的方式處理；也可加工能容納一定冗余管線的伸縮盒，沿整個條帶每隔30～60 m布設一個伸縮盒，避免管路被拉斷。

2.1.2 水管式電測沉降儀改進

2.1.2.1 水管式電測沉降儀基本原理

水管式電測沉降儀通過測量有壓測頭內液體壓力變化，來反映測頭處的沉降變化。水管式電測沉降儀測頭與觀測房內的儲液罐通過2根水管連接，測頭內設置有壓力傳感器，當測頭處發生沉降時，通過壓力傳感器可測量測頭相對于儲液罐的高度，進而計算測頭處的實際沉降量[13]。水管式電測沉降儀測量系統組成如圖2所示。

圖2 水管式電測沉降儀測量系統組成示意Fig.2 Schematic diagram of the measuring system of the water tube electric settlement meter

2.1.2.2 1 000 m級超長距離水管式電測沉降儀

1 000 m級超長距離水管式電測沉降儀主要技術指標如表1所示，并具備如下技術特點。

表1 1 000 m級超長距離水管式電測沉降儀主要技術指標

(1) 超長距離監測。管路長度達到1 000 m，比常規使用的百米數量級土石壩內部變形監測手段的監測長度提高至少1倍以上。

(2) 智能傳感器實現電測功能。沉降測點的液體壓力由智能壓力傳感器實現自動化測量，智能壓力傳感器具有高精度、高可靠性、數字量輸出、小體積等特點。其中，小體積的結構特點對觀測房的空間要求大大降低，無需砌建傳統意義的觀測房。智能數字量輸出方式可確保管路安裝完畢即可實現自動化測量功能，與一體化自動化數據采集儀配套使用后還可以進一步實現遠程測控功能。

(3) 自測溫與溫度修正。為修正熱脹冷縮效應引起的測量誤差，1 000 m級長距離水管式沉降儀感知單元設計了溫度傳感器，可實時監測管路內液體溫度和管路外部環境溫度，在此基礎上實現溫度修正功能，確保測值的準確性。

(4) 管路封閉，無需后期補液。1 000 m級超長距離水管式電測沉降儀的管路設計成封閉形式，管內液體不會泄漏或揮發，在安裝施工結束之后，無需進行補液操作。

2.2 多聯桿式水平位移計

2.2.1 桿式水平位移計

桿式水平位移計如圖3所示，其原理為：在堆石體中，若錨固點在水平方向上發生位移，則通過一端固定在錨固板上的玻璃纖維測桿傳遞給位移傳感器，從而得到測點處的水平位移。

圖3 桿式水平位移計測量原理示意Fig.3 Schematic diagram of measuring principle of rod type horizontal displacement meter

2.2.2 桿式水平位移計連接方式

為了實現特高土石壩內部超長距離監測，將桿式水平位移計以串聯、并聯與混聯3種方式連接，構建壩體內部變形超長測線。

2.2.2.1 串 聯

串聯桿式水平位移計是指僅用一根連接桿線連接多錨固裝置。以5點串聯桿式水平位移計為例，其布置形式如圖4所示。每2個錨固板之間用1根傳遞桿連接，將電位器式位移傳感器布置在靠近錨固板的傳遞桿上。電位器式位移傳感器所測的位移為該測點與前一測點間的土體相對位移，若要獲得該測點的絕對水平位移，需要將該測點之前的所有測點位移值與觀測房該方向上的水平位移值疊加。

圖4 串聯桿式水平位移計布置示意Fig.4 Layout diagram of horizontal displacement meter with series rod

2.2.2.2 并 聯

并聯桿式水平位移計指每個錨固裝置有單獨的連接桿線，位移傳感器均位于觀測房內，每個測點所測的位移均為該測點與觀測房的相對位移。若錨固點在水平方向上發生位移，則通過一端固定在錨固板上的玻璃纖維測桿傳遞給位移傳感器，從而得到所測位置的水平位移。

每個錨固裝置有單獨的連接桿線，連接桿線通過不銹鋼桿連接至觀測臺。觀測臺置于觀測房內，每根桿式位移計配有單獨的觀測臺，其上安裝1 m長游標尺，不銹鋼桿與游標連接即可讀數。以5點并聯桿式水平位移計為例，其布置形式如圖5所示。

圖5 并聯桿式水平位移計布置示意Fig.5 Layout diagram of parallel rod type horizontal displacement meter

2.2.2.3 混 聯

混聯桿式水平位移計即將串聯桿式水平位移計與并聯桿式水平位移計結合使用，綜合兩者的優點。對于特高土石壩內部超長距離變形監測，測線較長，可能需要布置十多個測點。若采用串聯桿式水平位移計，可能會出現累計誤差較大、傳感器損壞無法修復等問題；若采用并聯桿式水平位移計，則會出現連接桿用量較多、所需要的鋪設場地較大等問題。因此，可采用混聯桿式水平位移計的連接方式，將2～4個測點串聯成一組串聯桿式位移計，再將多組串聯桿式位移計并聯使用。各測點所測的位移量值與其所處的測點位置相關，需要單獨參照串聯或者并聯桿式位移計的計算方法。以5點混聯桿式水平位移計為例，其布置形式如圖6所示。

圖6 混聯桿式水平位移計布置示意Fig.6 Layout diagram of horizontal displacement meter with mixed rod type

2.2.3 不均勻沉降影響

由于桿式位移計的傳遞桿為剛性傳遞，測點與觀測房之間的不均勻沉降變形會使傳遞桿傾斜，進而影響水平位移的測量精度[14-15]。以下通過理論計算，就實際應用中，不均勻沉降對水平位移測量的影響程度進行分析，如圖7所示。

圖7 不均勻沉降對桿式水平位移計影響的計算示意Fig.7 Calculation diagram of influence of uneven settlement on bar horizontal displacement meter

以單點式桿式位移計為例，設初始狀態1時，傳遞桿水平布置，桿長為L；經過一段時間后變化為狀態2，桿長為L′；測點處水平、垂直位移分別為x1，y1，傳感器處水平、垂直位移分別為x2，y2，則傳感器測量測點處絕對水平位移為

(1)

測點處實際水平位移為

x1=L+x2-L′cosθ

(2)

式中：θ為傳遞桿狀態1與狀態2間的夾角，并由幾何關系得：

(3)

則理論測量誤差：

(4)

特高土石壩同一條水平位移測線上，沉降量最大差值與測線長度有關。一般在250 m長的測線上，最大沉降差值不超過10 cm，取y1-y2=10 cm，L′=250 m，則理論測量誤差Δ僅為0.002 mm，因此不均勻沉降對桿式水平位移計的影響，理論上可以忽略不計。

2.3 管道機器人

管道機器人監測系統首先需要在壩體內部預埋專用管道，并保證管道變形與壩體內部變形保持一致。測量時，令具有變形測量功能的機器人在管道內行走，當管道機器人到達指定測點時，自動測量該測點的水平與垂直位移。管道機器人監測系統受壩高影響較小，與傳統監測手段相比，具有可維修性。只要保證壩體內部的專用管道完好，機器人可以隨時維修更換，而且管道成本遠低于水平垂直位移計的相應成本[16]。

2.3.1 發展優勢

管道機器人在國內外取得了豐富的研究成果，目前具有代表性的管道機器人研究單位有南京水利科學研究院(以下簡稱“南科院”)和武漢大學(以下簡稱“武大”)。

“南科院”機器人模型試驗管路呈直線型，由35套可調節沉降和水平位移的支架和34根12 m長管路系統組成，模型全長408 m(假定壩體內部變形沿壩軸線對稱分布，原型試驗模型按300 m級面板堆石壩最大管線一半長度設計)。試驗結果表明：機器人的沉降結果曲線與管道實際調節曲線基本相符，可以滿足250 m級混凝土面板堆石壩壩體內部沉降監測工作需要；水平位移測量結果顯示機器人測量結果與管道實際調節結果比較吻合，單點和系統測量整體誤差均不大，單點誤差最大為0.3 mm，整體誤差小于2 mm，表明機器人水平位移測量技術基本可行。

“武大”管道機器人線路為“U”型，利用慣性導航與里程計融合，通過誤差估計和最優化算法，得到最優的管道三維曲線，利用不同時期的管道三維軌跡計算大壩的垂直、水平和撓度變形。先通過卡爾曼濾波和RTS平滑算法對多里程計和慣導數據進行組合處理，所得結果作為迭代優化初值代入全局優化方法。具體而言，構造多種約束條件，通過最小化約束條件殘差，求解最優導航狀態軌跡。

內部變形觀測機器人系統為準分布式監測系統，理論上可以0.5～12.0 m的測點間隔距離對堆石壩壩體內部變形(沉降與水平位移)進行測量，且該技術實現了水平位移和沉降位移的逐點單系統同時測量。內部變形觀測機器人系統解決了傳統水管式沉降計和引張線水平位移計無法完全準確開展特高壩長距離內部變形監測的技術難題，大比尺模型試驗表明：這種系統監測精度滿足工程需要，是可靠的特高混凝土面板堆石壩內部變形監測技術。與傳統水管式沉降計和引張線水平位移計相比，該技術具有明顯經濟優勢，且測點數量越多，經濟優勢更顯著。

2.3.2 工程應用

大石峽混凝土面板砂礫石壩內部變形監測共布置4個橫向監測斷面，即壩右0+125.00 m(1-1斷面，最大面板條塊斷面)、壩右0+275.00 m(2-2斷面，最大砂礫石壩高斷面)、壩右0+375.00 m斷面(3-3斷面)、壩右0+455.00 m(4-4斷面，古河床斷面)。在4個主監測斷面選擇1 670.00，1 630.00，1 600.00，1 550.00 m和1 497.00 m等5個高程，利用水平垂直位移計進行壩體內部分層水平與垂直位移監測。

大石峽面板砂礫石壩壩體最大沉降發生在壩右0+277.00 m附近，在壩右0+275.00 m監測斷面上布置管道機器人，與水平垂直位移計對比分析。按照壩右0+275.00 m斷面的地形特點和沉降位置，1 510.00 m高程附近因上、下游基礎上翹，在1 555.00 m水平分層以下不便于管道布置，因此在1 548.30，1 598.30，1 628.30 m高程分別布置3套“U”型管道機器人線路，長度分別為565，373，269 m，布置形式如圖8所示。

圖8 大石峽面板砂礫石壩管道機器人線路布置Fig.8 Pipeline robot layout of Dashixia slab gravel dam

2.4 柔性測斜儀

2.4.1 結構形式及測量原理

柔性測斜儀以節點作為基本組成單元，節點之間采用中空柔性連接件連接，具有較大幅度的任意角度柔性旋轉能力(可以在±60°范圍內任意彎折)，能充分匹配型面變化要求。節點的儀器電纜穿過中空柔性連接件逐級傳遞，從頭至尾始終保持單根電纜出線形式[17]，如圖9所示。

圖9 柔性測斜儀結構形式示意Fig.9 Schematic diagram of structure of flexible inclinometer

柔性測斜儀是以靜止方式在管道中進行測量，可以直接用慣性導航系統中加速度計來進行角度測量。得到角度后，已知柔性智能位移計的每一節長度L，就可以計算每節的位移量，最后通過積分求解整個位移計的累計位移量。計算參考示意如圖10所示。

圖10 柔性測斜儀測量原理計算參考示意Fig.10 Flexible inclinometer measurement principle calculation reference diagram

2.4.2 技術特點

柔性測斜儀測量系統是基于連續測斜原理設計的高精度一體化測量裝置，由數個長度0.5 m的剛性傳感器節點首尾連接組成，傳感器節點之間采用軸向±60°范圍內可自由彎曲的關節連接，以適應監測界面有較大變形時導致的傳感器失效狀況。每個傳感器節點之間采用柔性連接，外表面敷以高強度不銹鋼編織網，具有極高的抗拉強度。儀器采用整體防水密封結構，能在各種惡劣環境下工作。

柔性測斜儀測量系統的傳感器節點連續分布且相鄰節點之間的間距較小，因此可以連續、準確地測量整個裝置覆蓋區域的位移變形情況。埋設安裝時具有簡便性，無需控制方向或使用帶有導槽的測斜管。無論是鉛直、水平還是傾斜方向，只需將傳感器整體插入預先埋設的套管中或者直接埋入預留的回填溝槽中即可。

2.4.3 工程應用

兩河口大壩心墻沿壩軸線2 641 m高程左岸安裝1套40 m長加拿大進口SAA柔性測斜儀，右岸安裝1套40 m長的韓國3DGBMS柔性測斜儀。心墻沉降監測成果較好地反映出了礫石土心墻沿壩軸線的沉降分布規律[18-19]。

3 結 論

超高土石壩超長距離變形監測的方法應用創新與儀器設備改進研發主要成果總結如下。

(1) 針對常規水管式沉降儀難以適應長距離監測、施工難度大及要求高的問題，對水管式沉降儀進行了改良、改進，包括測點電測代替觀測房人工測讀，增大水管管路管徑、加硬材質，增大管內液體密度、減小黏滯力等，加強了儀器設備對長距離、大變形條件的適應性，進一步提高了儀器設備的可靠性與穩定性。

(2) 針對鋼絲水平位移計長距離監測中鋼絲受力過大、容易出現折斷的問題，采用桿式位移計進行監測。為提高位移計對長距離、大變形條件的適應性，在分段上根據計算成果采取縮短距離、不等間距布設等措施，采用柔性纖維桿代替傳統不銹鋼桿，同時分析了不均勻沉降對水平位移測量的影響，實現了桿式位移計長距離、可靠的水平位移計監測。

(3) 研究了管道機器人、柔性測斜儀的技術原理及發展情況，分析了兩種技術分別在大石峽、兩河口堆石壩中的監測應用情況及其良好的變形監測效果。

綜上所述，本文所研究的變形監測技術可以實現特高土石壩超長距離變形監測，為擬建及在建的250 m級至300 m級特高混凝土面板堆石壩的安全監測與改進方向提供技術參考。