韓建東，張 琛

（中國(guó)水利水電建設(shè)工程咨詢西北公司，陜西 西安 710075）

0 引言

大壩沉降變形監(jiān)測(cè)作為糯扎渡水電站建設(shè)過(guò)程原型監(jiān)測(cè)內(nèi)容之一，對(duì)于充分認(rèn)識(shí)大壩內(nèi)部沉降變形狀況、鑒定大壩施工質(zhì)量、確保土石壩安全運(yùn)行具有重要作用，為大壩填筑進(jìn)度控制、施工期安全評(píng)價(jià)、變形預(yù)測(cè)及參數(shù)反演提供重要數(shù)據(jù)支持。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)水管式沉降儀大壩變形監(jiān)測(cè)進(jìn)行了大量研究和實(shí)踐[1-5]，但是，以往研究都是基于特定大壩、特定環(huán)境，對(duì)于水管式沉降儀器在土石壩中的應(yīng)用沒(méi)有普遍的指導(dǎo)作用。

本文以糯扎渡水電站水管式沉降儀的應(yīng)用為研究對(duì)象，結(jié)合糯扎渡電站工程建設(shè)實(shí)際，按照特定施工環(huán)境、氣候條件下水管沉降儀的穩(wěn)定性和適應(yīng)性要求，模擬大壩堆石體施工條件開展水管沉降安裝埋設(shè)試驗(yàn)，重點(diǎn)對(duì)試驗(yàn)布置、材料要求、安裝埋設(shè)方法及壩料回填方法進(jìn)行研究。

1 水管式沉降儀工作原理及結(jié)構(gòu)

1.1 水管式沉降儀器原理及結(jié)構(gòu)

水管式沉降儀是以連通原理為基礎(chǔ)，用于監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)體內(nèi)部沉降變形的一種儀器，在堆石壩垂直變形監(jiān)測(cè)中應(yīng)用廣泛，主要由沉降包、進(jìn)水管、連通管、排氣管、平衡裝置、量測(cè)裝置等部件組成，結(jié)構(gòu)示意見圖1。

圖1 水管式沉降儀結(jié)構(gòu)

玻璃管和沉降測(cè)點(diǎn)水杯通過(guò)通水管連接，通氣管使沉降測(cè)點(diǎn)和外界大氣相通，補(bǔ)水裝置由進(jìn)水管給玻璃管和水杯加水，根據(jù)連通器原理，當(dāng)水杯充滿水并溢流后，玻璃管水位應(yīng)與水杯液面等高，這樣，測(cè)得的玻璃管內(nèi)水位的變化量就是壩內(nèi)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于觀測(cè)房的垂直位移量。應(yīng)用水準(zhǔn)測(cè)量等方法測(cè)量出觀測(cè)房的絕對(duì)沉降后，即可計(jì)算出壩內(nèi)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)沉降。水管式沉降儀主要用于測(cè)量建筑物內(nèi)部的垂直位移。監(jiān)測(cè)讀數(shù)時(shí)，水或蒸餾水通水測(cè)試應(yīng)把握液面的穩(wěn)定，每次需進(jìn)行2個(gè)測(cè)回以上測(cè)試，且2個(gè)測(cè)回的讀數(shù)差不超過(guò)設(shè)計(jì)或規(guī)程規(guī)范規(guī)定時(shí)，2次讀數(shù)的平均值為監(jiān)測(cè)值。

1.2 沉降監(jiān)測(cè)計(jì)算原理

水管式沉降儀器進(jìn)行大壩沉降變形監(jiān)測(cè)，沉降測(cè)頭端、測(cè)量管端保持在同一平面內(nèi)，通過(guò)讀取觀測(cè)房?jī)?nèi)一個(gè)端口的測(cè)點(diǎn)高程，就可以了解壩體內(nèi)部測(cè)點(diǎn)液面高程，不同時(shí)間點(diǎn)監(jiān)測(cè)高程之差，即為壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量。

計(jì)算被測(cè)結(jié)構(gòu)的沉降量計(jì)算公式：

式中，△H為各測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降值；Hx為各測(cè)點(diǎn)實(shí)際監(jiān)測(cè)值；H0為各測(cè)點(diǎn)的基準(zhǔn)值。

在實(shí)際數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，考慮到觀測(cè)房本身沉降變形及氣溫變化等因素影響，需要對(duì)該公式進(jìn)行修正。

式中，H為各測(cè)點(diǎn)的實(shí)際沉降值；H測(cè)點(diǎn)為監(jiān)測(cè)房沉降變形值。

2 水管式沉降儀安裝試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)布置及材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)布置

試驗(yàn)場(chǎng)地選擇火燒寨溝堆石碾壓試驗(yàn)場(chǎng)，碾壓試驗(yàn)場(chǎng)由防滲土料、大壩反濾料、堆石料及圍堰過(guò)渡料組成，水管式沉降儀試驗(yàn)場(chǎng)地的要求如下：

水管式沉降儀現(xiàn)場(chǎng)埋設(shè)場(chǎng)地為反濾料和粗堆石料，反濾料場(chǎng)地長(zhǎng)12 m寬2 m，總厚度6 m；堆石料場(chǎng)地長(zhǎng)20 m寬6 m，總厚度4 m，場(chǎng)地外圍采用同等材料做成1∶1的斜坡。儀器布設(shè)水管式沉降儀1套，兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)SY-V-01位于離地面1.6 m高的心墻摻礫土料中，離觀測(cè)房30 m；測(cè)點(diǎn)SY-V-02位于離地面1.4 m高的粗堆石料中，離觀測(cè)房12 m，實(shí)驗(yàn)儀器布設(shè)如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)儀器布設(shè)

2.1.2 試驗(yàn)材料

糯扎渡水電站下游壩殼區(qū)水管式沉降儀現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)材料主要包括心墻摻礫土料、反濾料、粗細(xì)堆石體料、河灘料。

為了有效的提高現(xiàn)場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)的精度和代表性，能真實(shí)的反應(yīng)實(shí)際大壩填筑過(guò)程中水管式沉降儀安裝埋設(shè)，在儀器埋設(shè)回填的過(guò)程中，對(duì)混合土料、摻礫土料、Ⅰ區(qū)粗堆石料、Ⅱ區(qū)粗堆石料、反濾Ⅰ、反濾Ⅱ都要求達(dá)到一定的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，各種填筑料的顆粒級(jí)配要求也要按照大壩填筑料碾壓試驗(yàn)的實(shí)際結(jié)果，選取最優(yōu)的參數(shù)。不同料源回填部位采用不同的施工工藝和方法，結(jié)合碾壓試驗(yàn)，選擇最優(yōu)碾壓參數(shù)，對(duì)于靠近儀器安裝的特殊部位，采用專項(xiàng)碾壓措施，具體設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及參考參數(shù)見表1、2。

表1 各種填筑料設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)

表2 碾壓參考參數(shù)

2.2 試驗(yàn)步驟及方法

心墻堆石壩水管式沉降儀器安裝埋設(shè)模擬試驗(yàn)主要有基床帶開挖、管線及儀器的安裝埋設(shè)、各種壩料的運(yùn)輸和回填、場(chǎng)地清理和碾壓、取初值等6個(gè)主要步驟，在模擬大壩填筑環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)，各環(huán)節(jié)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)要求及DL/T 5129—2001《碾壓式土石壩施工規(guī)范》、SL 60《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求開展工作。

（1）基床帶開挖及管路鋪設(shè)。機(jī)床帶開挖是水管式沉降儀器安裝的主要環(huán)節(jié)之一，直接關(guān)系著水管式沉降儀器安裝的外部環(huán)境，開挖的深度、寬度對(duì)埋設(shè)過(guò)程中及埋設(shè)后的回填都有重要影響。根據(jù)糯扎渡水電站高心墻堆石壩實(shí)際特點(diǎn)，模擬實(shí)驗(yàn)機(jī)床帶開挖按照以下標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行：在粗堆石料填筑2 m后以反鏟挖出一條從反濾料到臨時(shí)觀測(cè)站的溝，溝深2 m，寬2.5 m。在溝底鋪填一層最大粒徑300 mm的細(xì)堆石料，厚50 cm，以振動(dòng)碾碾壓5遍，再鋪一層50 cm厚的河灘料，鋪層表面剔除大于5 mm粒徑顆粒，以振動(dòng)碾碾壓3～5遍，基床帶表面起伏差≤5 mm。在水管式沉降儀旁以人工挖一條50 cm寬的溝，溝底以1%坡度朝向臨時(shí)觀測(cè)站，做好溝底由粗向細(xì)的 “反濾”保護(hù)。沿溝蛇形排放進(jìn)水管、出水管和排氣管并用膠帶纏緊成一束，然后穿入φ50 mm硬塑料保護(hù)管，把進(jìn)水、出水和排氣管管端連接到沉降測(cè)頭。

（2）儀器的安裝埋設(shè)。水管安裝過(guò)程中，首先要連接測(cè)線上所有沉降測(cè)頭，其次將一條測(cè)線上所有沉降測(cè)頭的硬塑料保護(hù)管的下游端穿入觀測(cè)房，各保護(hù)管內(nèi)的進(jìn)水、出水管與觀測(cè)房?jī)?nèi)讀數(shù)板上各編號(hào)的豎立讀數(shù)玻璃管和充水閥門連接，最后對(duì)其進(jìn)行加固。

（3）蒸餾水充水及測(cè)頭固定。充水是檢驗(yàn)管路連通性的方法之一，整個(gè)系統(tǒng)安裝完成后，運(yùn)用充水裝置，即蒸餾水裝置、氣壓罐、水壓罐按照物理方法進(jìn)行檢查、調(diào)試。同時(shí)，運(yùn)用土標(biāo)號(hào)不小于C25混凝澆筑在測(cè)頭周圍10 cm范圍內(nèi)對(duì)測(cè)頭進(jìn)行固定。

（4）溝槽回填。先沿基床帶鋪一層包裹測(cè)線的河灘料，該層河灘料須剔除大于5 mm粒徑的顆粒并以人工搗實(shí)，鋪層沿管線的厚度為50 cm，在測(cè)頭混凝土墩處需加厚，必須包裹住混凝土測(cè)頭。然后在河灘料上鋪兩層50 cm厚最大粒徑300 mm的細(xì)堆石料，每層都以振動(dòng)碾靜壓6遍。接著在細(xì)堆石料上鋪一層厚80 cm的堆石料，以振動(dòng)碾靜壓6遍，之后再正?；靥?～2層粗堆石料，并進(jìn)行振動(dòng)碾壓。

（6）取初始值。在觀測(cè)房?jī)?nèi)，將各測(cè)頭的管路對(duì)號(hào)就位連接到量測(cè)板上，打開各測(cè)頭通氣管路上的閥門，依次用脫氣水給各測(cè)頭的量測(cè)管充水排氣，氣泡排盡后開通向玻璃量管的閥門，使其水位升高一點(diǎn)，關(guān)緊水閥，待管內(nèi)水位穩(wěn)定后，讀出水面刻尺數(shù)值，即為測(cè)頭初始讀數(shù)，同時(shí)測(cè)出量測(cè)管安裝基面的高程。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

糯扎渡水電站水管式沉降儀模擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，安裝1套水管式沉降儀，SY-V-01、SY-V-02兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)SY-V-01位于離地面1.6 m高的心墻摻礫土料中，離觀測(cè)房30 m；測(cè)點(diǎn)SY-V-02位于離地面1.4 m高的粗堆石料中，離觀測(cè)房12 m。2011年08月15日安裝完成，8月17日取得基準(zhǔn)值，對(duì)2011年8月15日～2011年9月15日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 水管式沉降儀實(shí)驗(yàn)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)成果過(guò)程線

根據(jù)SY-V-01、SY-V-02實(shí)驗(yàn)水管沉降儀測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以得到以下結(jié)果：

（1）從整體變化上分析，摻礫土料中測(cè)點(diǎn)的沉降量明顯大于堆石料中測(cè)點(diǎn)的沉降量。

（2）2011年8月15日～2011年8月21日， 水管沉降儀器接近碾壓面，SY-V-01、SY-V-02水管測(cè)點(diǎn)沉降速率較大，隨著壩體填筑的不斷升高，試驗(yàn)部位兩水管測(cè)點(diǎn)沉降速率逐漸趨于平穩(wěn)。

（3）整個(gè)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)期，從初值取得到9月13日，測(cè)點(diǎn)SY-V-01的最大沉降量為145 mm，測(cè)點(diǎn)SY-V-02的最大沉降量為37 mm。

（4）水管SY-V-02在2011年8月 27日～2011年9月8日呈現(xiàn)波動(dòng)性變化，初步分析是由于觀測(cè)期間處于雨季，填筑料受降雨和太陽(yáng)暴曬影響，產(chǎn)生膨脹和收縮，導(dǎo)致測(cè)值不穩(wěn)。

通過(guò)對(duì)2011年8月15日～2011年9月13日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，測(cè)點(diǎn)SY-V-01、SY-V-02最大沉降量分別為145 mm、37 m，變化過(guò)程穩(wěn)定，符合填筑期間變化規(guī)律。糯扎渡水電站高心墻堆石壩水管式沉降儀安裝埋設(shè)過(guò)程工藝合理，方法正確，對(duì)提高高心墻堆石壩水管式沉降儀成活率及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性具有重要的實(shí)踐意義。

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