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        天花板水電站碾壓混凝土拱壩安全監(jiān)測設(shè)計

        2012-03-13 07:58:44張晨亮季祥耿貴彪王永輝
        大壩與安全 2012年1期
        關(guān)鍵詞:設(shè)置變形

        張晨亮,季祥,耿貴彪,王永輝

        (中國水電顧問集團(tuán)北京勘測設(shè)計研究院,北京100024)

        1 工程概況

        天花板水電站位于云南省昭通市境內(nèi)的牛欄江上,是金沙江右岸較大的一級支流,河流發(fā)源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮(zhèn)。

        天花板水電站采用混合開發(fā)方式,電站壩址選在牛欄江與清水河交匯口上游約1.5 km的天花板峽谷處,攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩,壩頂高程1076.8 m,最大壩高107.0 m,壩頂總長159.87 m。正常蓄水位1071.0 m,死水位1050.0 m,總庫容7871萬m3,電站裝機(jī)容量為180 MW。

        根據(jù)GB18306-2001《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》,場區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g,地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s,地震基本烈度為Ⅶ度。

        2 設(shè)計原則

        工程安全監(jiān)測的目的是為了解掌握工程建筑物在施工期和運(yùn)行期的工作性態(tài),指導(dǎo)施工和運(yùn)行,并為設(shè)計提供可靠的反饋數(shù)據(jù)資料。

        本工程安全監(jiān)測設(shè)計遵循以下原則:

        (1)以安全監(jiān)測為主,監(jiān)測系統(tǒng)儀器設(shè)備的布置,力求能夠?qū)φ麄€工程進(jìn)行控制性安全監(jiān)測,以便較全面地了解工程建筑物的工作狀況。

        (2)根據(jù)拱壩受力特點(diǎn)并結(jié)合理論計算成果進(jìn)行監(jiān)測布置,重點(diǎn)是變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測,并選擇結(jié)構(gòu)或地質(zhì)條件復(fù)雜部位進(jìn)行集中監(jiān)測。

        (3)結(jié)合拱壩壩體結(jié)構(gòu)整體性強(qiáng)的特點(diǎn),其相關(guān)監(jiān)測項目統(tǒng)籌安排,配合設(shè)置,對于基礎(chǔ)地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜部位,采用多種監(jiān)測方式,以便相互補(bǔ)充、校核和驗證。

        (4)儀器設(shè)備的選擇,在滿足可靠、實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和精度要求前提下,盡可能減少設(shè)置儀器及量測方式的種類,對于電信號傳輸?shù)乃斜O(jiān)測儀器,均應(yīng)具備接入自動化系統(tǒng)的條件。

        3 監(jiān)測項目

        本工程碾壓混凝土雙曲拱壩安全監(jiān)測設(shè)置的監(jiān)測項目主要有:

        (1)環(huán)境量監(jiān)測:包括上下游水位、泥沙淤積、水溫等。

        (2)變形監(jiān)測:包括表面變形、壩體水平和垂直位移、壩基基巖變位、壩體接縫位移、庫岸邊坡穩(wěn)定監(jiān)測等。

        (3)滲流監(jiān)測:包括壩基揚(yáng)壓力、壩體滲透壓力、繞壩滲流、壩體滲漏量監(jiān)測和水質(zhì)分析等。

        (4)應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測:包括壩體應(yīng)力應(yīng)變、拱座壓應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、壩體和壩基溫度監(jiān)測等。

        (5)強(qiáng)震動監(jiān)測。

        4 監(jiān)測布置

        4.1 環(huán)境量監(jiān)測

        (1)上、下游水位監(jiān)測

        在拱壩上、下游分別設(shè)置1個涂漆水尺。同時,在上、下游各設(shè)置1支遙測水位計,監(jiān)測上、下游水位變化。

        (2)泥沙淤積監(jiān)測

        本工程汛期河流含沙量較高,為監(jiān)測壩前泥沙淤積情況,在上游壩面布設(shè)3支土壓力計和2支滲壓計。

        (3)庫水溫監(jiān)測

        庫水溫監(jiān)測在2號表孔最大斷面壩體內(nèi)距上游壩面約8~10 cm處布置溫度計,正常蓄水位到死水位之間溫度計間距為10 m,死水位以下為20 m,共設(shè)置溫度計7支??赏瑫r兼測壩面溫度。

        4.2 變形監(jiān)測

        (1)表面變形、谷幅監(jiān)測

        首部樞紐工程表面變形監(jiān)測范圍相對集中,但拱壩上、下游河道兩岸地形條件復(fù)雜、陡峻,可利用位置選擇困難,致使變形監(jiān)測網(wǎng)在布網(wǎng)環(huán)境上受到較大制約,單一的測角網(wǎng)或測邊網(wǎng)均不能滿足精度、可靠度等要求,因此首部樞紐工程變形監(jiān)測網(wǎng)布設(shè)采用三維邊角網(wǎng)交會技術(shù)方案[1],最終選定的變形監(jiān)測網(wǎng)由6個網(wǎng)點(diǎn)組成。

        表面變形測點(diǎn)原則上布設(shè)在變形較大,能準(zhǔn)確反映壩體及邊坡變形的部位,測點(diǎn)標(biāo)石與壩體及邊坡巖體牢固結(jié)合。具體分別在拱壩壩頂下游側(cè)、泄洪表孔弧形閘門閘墩上下游側(cè),以及左右岸邊坡等部位設(shè)置測點(diǎn),進(jìn)行首部樞紐工程表面變形監(jiān)測。同時,根據(jù)有限元計算結(jié)果,在壩體變形較大的壩頂高程和1037 m高程壩肩部位設(shè)置4個測點(diǎn)進(jìn)行拱壩谷幅監(jiān)測。具體位置見圖1。

        (2)壩體水平位移監(jiān)測

        壩體水平位移采用正、倒垂線聯(lián)合監(jiān)測,倒垂線錨入基巖一定深度。具體在靠近左右岸壩肩約1/4拱圈及拱冠梁處,通過上、中、下層廊道,在廊道內(nèi)設(shè)置水平位移測站,共設(shè)置3組正、倒垂線,聯(lián)合監(jiān)測壩體水平位移。同時為監(jiān)測兩壩肩的水平位移,在左右岸灌漿廊道內(nèi)各設(shè)置1條倒垂線。具體位置見圖2。

        (3)壩體垂直位移監(jiān)測

        壩體垂直位移采用幾何水準(zhǔn)法和靜力水準(zhǔn)法監(jiān)測。在979 m高程基礎(chǔ)灌漿廊道和1010 m高程廊道內(nèi)設(shè)置水準(zhǔn)測點(diǎn),測點(diǎn)基本采用等間距布置。同時,在979 m高程基礎(chǔ)灌漿廊道內(nèi)設(shè)置2套靜力水準(zhǔn)儀,并在廊道內(nèi)靜力水準(zhǔn)儀測線上設(shè)置雙金屬管標(biāo)作為靜力水準(zhǔn)儀的觀測基準(zhǔn)。

        (4)壩體接縫變形監(jiān)測

        為了解拱壩的整體性以及掌握施工期拱壩誘導(dǎo)縫、橫縫、壩體與基巖接縫開合度,以指導(dǎo)封拱和接觸灌漿,在壩體的誘導(dǎo)縫、橫縫、左右岸拱座與岸坡基巖接合面分別設(shè)置監(jiān)測斷面,各監(jiān)測斷面不同高程沿上下游方向設(shè)置2~3支單向測縫計,同高程單向測縫計形成水平監(jiān)測斷面;在拱冠梁最大斷面基礎(chǔ)與基巖結(jié)合處(包括護(hù)袒)設(shè)置一組單向測縫計監(jiān)測其接縫變形。

        4.3 滲流監(jiān)測

        (1)壩基揚(yáng)壓力

        壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測根據(jù)壩基滲透壓力控制工程措施和地質(zhì)條件進(jìn)行設(shè)置。為監(jiān)測壩基揚(yáng)壓力并檢驗防滲帷幕及壩基排水效果,沿壩基灌漿廊道在防滲帷幕后布置一排揚(yáng)壓力監(jiān)測孔,共8個。沿最大監(jiān)測橫斷面的壩基和護(hù)袒基礎(chǔ)上下游方向布置滲壓計,監(jiān)測其相應(yīng)部位的基礎(chǔ)揚(yáng)壓力。拱座混凝土與基巖結(jié)合面沿不同高程設(shè)置滲壓計,在壩基斷層出露位置設(shè)置滲壓計,監(jiān)測其拱座基面的揚(yáng)壓力。

        (2)壩體滲透壓力

        為監(jiān)測碾壓混凝土拱壩壩體內(nèi)部的滲透壓力,選擇壩體最高大橫斷面上986 m、1006 m和1026 m高程,每層布置4~5支滲壓計,對壩體水平施工縫上的滲透壓力進(jìn)行監(jiān)測。

        (3)繞壩滲流

        根據(jù)壩體布置、兩岸地形地質(zhì)條件、滲流控制措施及滲流特征等,在左右岸壩肩灌漿帷幕后各布設(shè)4個地下水位監(jiān)測孔,監(jiān)測繞壩滲流情況。

        (4)滲流量

        根據(jù)滲透水流向、集流和排水設(shè)施的設(shè)置,在上、中、下層交通和帷幕灌漿廊道的排水溝內(nèi)共設(shè)置量水堰12個,監(jiān)測壩體及壩基不同區(qū)域的滲流情況。

        4.4 應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測

        (1)壩體應(yīng)力應(yīng)變

        碾壓混凝土雙曲拱壩受力情況復(fù)雜,根據(jù)拱壩拱梁分載法和有限元計算結(jié)果,拱冠梁和拱座部位應(yīng)力應(yīng)變較大;最不利工況組合下的計算結(jié)果表明拱壩1052 m、1007 m高程附近應(yīng)力應(yīng)變較大。因此在相應(yīng)部位斷面設(shè)置九向應(yīng)變計組進(jìn)行監(jiān)測,應(yīng)變計組主平面平行于壩面,在不同高程沿上、下游布設(shè)測點(diǎn)。在左右岸壩肩距拱座基巖面約1.5 m埋設(shè)應(yīng)變計組,主平面垂直于拱座基巖面,在不同高程亦沿上、下游布設(shè)測點(diǎn)。應(yīng)變計組旁均埋設(shè)無應(yīng)力計,共設(shè)置九向應(yīng)變計組29組,無應(yīng)力計29支。同時,在左、右壩肩1052 m、1007 m高程附近拱座基巖面布設(shè)壓應(yīng)力計,壓應(yīng)力計平面平行于拱座基巖面,監(jiān)測拱座壓應(yīng)力變化。具體布置見圖3。

        (2)鋼筋應(yīng)力

        根據(jù)拱壩有限元應(yīng)力應(yīng)變計算結(jié)果,在壩體開孔位置應(yīng)力集中較大,且孔口附近受力條件復(fù)雜,因此在表孔、中孔周邊設(shè)置鋼筋應(yīng)力計,監(jiān)測相應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)鋼筋應(yīng)力。

        圖3 拱壩應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測布置圖Fig.3 Distribution of monitoring points for arch dam stress and strain

        4.5 壩體和壩基溫度監(jiān)測

        (1)壩體溫度監(jiān)測

        為給施工期壩體溫控提供依據(jù),掌握壩體溫度分布、變化規(guī)律及驗證冷凝系統(tǒng)的效果,在2號表孔最大斷面和距右壩肩約1/4拱圈處設(shè)置2個溫度監(jiān)測斷面。在監(jiān)測斷面呈網(wǎng)格狀布置溫度計,網(wǎng)格間距約10 m×10 m。共設(shè)置溫度計62支。

        (2)基巖溫度監(jiān)測,在2號表孔最大斷面壩基上、下游側(cè)各設(shè)置一組基巖溫度計并與基巖變位計同孔埋設(shè),溫度計距基巖面分別為0 m、2 m、5 m、10 m,共設(shè)置溫度計8支。

        4.6 強(qiáng)震動監(jiān)測

        工程區(qū)設(shè)計地震烈度為Ⅶ度,為監(jiān)測壩體強(qiáng)震動對壩體的影響,分別在拱冠梁壩頂及上、中、下層廊道內(nèi)各布置1個強(qiáng)震動測點(diǎn),在壩頂兩壩肩灌漿平洞內(nèi)各設(shè)置1個強(qiáng)震動測點(diǎn),在左右岸中層灌漿平洞內(nèi)靠近拱座位置各設(shè)置1個強(qiáng)震動測點(diǎn)。強(qiáng)震動監(jiān)測設(shè)置1套工程數(shù)字地震儀,共8個空間三分向拾震器。

        5 結(jié)語

        混凝土雙曲拱壩屬于高次超靜定結(jié)構(gòu),受力條件復(fù)雜,在天花板碾壓混凝土雙曲拱壩安全監(jiān)測設(shè)計過程中,具體根據(jù)計算分析成果并結(jié)合樞紐布置與結(jié)構(gòu)特點(diǎn),力爭做到監(jiān)測目的明確、針對性強(qiáng),為工程施工及運(yùn)行期的安全運(yùn)行提供可靠的依據(jù),同時對理論計算分析成果進(jìn)行驗證與反饋,促進(jìn)碾壓混凝土雙曲拱壩設(shè)計與建設(shè)水平?!?/p>

        [1]劉東慶,王紹純,翟明成.云南天花板水電站工程區(qū)表面變形監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)設(shè)計書.北京勘測設(shè)計研究院.2009.

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