李克綿，馬洪亮，彭立斌，高垠

（中水東北勘測設(shè)計研究有限責任公司，吉林長春130061）

0 引言

為了掌握土石壩在施工和運行期間的壩體內(nèi)固結(jié)和沉降變形情況，結(jié)合其他觀測資料進行綜合分析，以判定其穩(wěn)定性和有無變形開裂，作為施工控制和工程安全運用的依據(jù)[1]，土石壩的內(nèi)部沉降觀測是非常重要的監(jiān)測項目之一。土石壩內(nèi)部分層沉降常用的監(jiān)測方法主要有橫梁管式沉降儀、深式標點、電磁式沉降儀、水管式沉降儀、振弦式沉降儀等[1]。目前在土石壩中較為普遍應用的是電磁式沉降儀、水管式沉降儀和振弦式沉降儀，這三種方法原理簡單。雖然電磁式沉降儀和水管式沉降儀目前也可以通過各種途徑實現(xiàn)自動或半自動化觀測，但仍存在以下幾方面的問題：

（1）電磁式沉降儀實現(xiàn)自動監(jiān)測控制過程繁瑣，國內(nèi)應用實例不多見，更多的是采用人工觀測。

（2）水管式沉降儀和振弦式沉降儀更多地應用在面板壩與心墻壩，這兩種類型的儀器需要通過通液管將埋設(shè)在壩體內(nèi)部沉降測點處的測頭與壩下游面觀測房內(nèi)的儲液罐相連通，通氣管、連通水管等管路易出現(xiàn)凍結(jié)、摻氣、堵塞等問題，同時暴露在外部的通液管易受液體、管路、容器等的熱脹冷縮影響，從而很大程度上影響整個系統(tǒng)的觀測精度。

（3）在使用水管式沉降儀和振弦式沉降儀時，為獲得壩體的絕對沉降值，必須定期通過大地測量確定觀測房的變形量來修正沉降儀的測值。這不僅使觀測過程復雜化，而且在納入自動化觀測后也需要定期輸入人工修正值，給沉降監(jiān)測的無人職守造成了困難。

（4）特別對于均質(zhì)土壩來說，由于各種管路較多且水平埋設(shè)，管路周邊的防滲尤為重要，一旦做不好，極易破壞壩體的防滲。

為解決上述問題，并實現(xiàn)哈達山水利樞紐工程均質(zhì)土壩沉降自動化觀測，在總結(jié)分析土體位移計監(jiān)測壩體水平位移的基礎(chǔ)上，采用了豎向串聯(lián)安裝振弦式土體位移計的方法，與沉降磁環(huán)共同監(jiān)測壩基和壩體的分層沉降，不僅實現(xiàn)了壩體沉降的自動化監(jiān)測，同時與電磁式沉降儀人工觀測的結(jié)果實現(xiàn)了相互校核。

哈達山水利樞紐工程位于第二松花江干流下游，壩址在吉林省松原市東南約20 km處，下距二松與嫩江匯合口約60 km。土壩為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，為1級建筑物，壩軸線全長1726.4 m，壩頂高程為146.00 m，最大壩高13.00 m，壩頂寬10.00 m。壩基為均勻中砂，壩基砂層厚度12.00～22.00 m，壩基垂直防滲采用塑性混凝土防滲墻。土壩壩基為均勻中砂，根據(jù)壩基砂土體地震液化判別，土壩基礎(chǔ)砂層為液化砂層，在8度地震下將產(chǎn)生液化。

介紹了利用串接土體位移計進行沉降監(jiān)測的工作原理，分析了測量的不確定度，通過對兩種監(jiān)測方法的實測資料進行對比，表明了串接土體位移計進行均質(zhì)土壩的沉降監(jiān)測是可行的，并在此基礎(chǔ)上提出了在今后使用過程中的改進建議。

1 工作原理

這種沉降監(jiān)測系統(tǒng)主要由振弦式位移傳感器、位移傳遞桿、保護管、伸縮節(jié)、沉降盤及連接件等部件組成。整個系統(tǒng)豎直安裝，其基本原理就是采用分段測量、組段累加計算的方法對整個高程的各個測點的沉降進行監(jiān)測。系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

如在整個高程中安裝了n支傳感器，由下向上分別為S1、S2、S3……Sn-1、Sn，則S1作為基準傳感器并用來監(jiān)測第一個沉降盤相對于基準錨頭垂直距離H1的變化量ΔH1，S2用來監(jiān)測第二個沉降盤相對于第一個沉降盤垂直距離H2的變化量ΔH2。。。。。。第n個傳感器用來監(jiān)測最上部兩個沉降盤之間的變化量ΔHn，每個沉降盤在測量分析中可以簡化成一個點，假定自下向上第一個沉降盤為K1點，第二個為K2點，第三個為K3點，……第n個為Kn點。根據(jù)矢量相加原理，各個點相對于基準錨頭的沉降可以按下述方法計算：

圖1 沉降監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Structure of the settlement monitoring system

每一位移傳感器和沉降盤組成一組區(qū)域沉降測量系統(tǒng)，監(jiān)測兩個沉降盤之間的沉降變形。最底部的位移傳感器作為整個沉降監(jiān)測系統(tǒng)的基準傳感器。該傳感器固定在錨桿上，通過鉆孔灌漿固定在大壩基巖上。隨著壩體的填筑，依次將各個高程的傳感器和沉降盤安裝埋設(shè)在設(shè)計位置，其沉降變形量通過累加計算與基準傳感器比較并計算出各點的垂直位移。所有傳感器的電纜引到附近觀測房，接入自動化采集系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)測量不確定度

由于整個系統(tǒng)由若干相互獨立的位移傳感器構(gòu)成，為使測量結(jié)果真實可靠，需要對整個系統(tǒng)的最大測量不確定度（即測量誤差）進行分析。本工程中使用的沉降監(jiān)測系統(tǒng)最多由5個測點組成，每支位移傳感器的測量精度是0.1%FS，選擇的是量程為100 m的傳感器，每支傳感器的測量不確定度為：

根據(jù)測量不確定度的合成原理，可知位于最上部的5號測點的測量不確定度最大。該測點的不確定度可由下式確定：

這就是系統(tǒng)最大的測量不確定度。其他測點的測量不確定度計算方法類似，數(shù)值小于0.22 mm。系統(tǒng)最大的測量不確定度隨測點數(shù)量的增加而增大。由于位移傳遞桿兩端采用萬向鉸連接以及傳遞桿埋設(shè)在壩體的內(nèi)部，溫度變化不大，上述計算可以忽略位移傳遞桿撓曲變形以及受溫度影響產(chǎn)生的伸縮變形[2]。即使計入這些影響，其系統(tǒng)的監(jiān)測精度也在毫米級范圍內(nèi)，所以采用這種沉降監(jiān)測方式能夠滿足本工程沉降監(jiān)測的要求。

3 儀器布置

選定土壩樁號0+521 m、0+864 m、1+222 m、1+465 m、1+822 m剖面為監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面沿上下游方向布置4條沉降磁環(huán)觀測管線，位于壩軸線1條、壩軸線上游1條、壩軸線下游2條，間距10 m。每個監(jiān)測斷面壩軸線處同時布置1條土體位移計測線，樁號1+222 m監(jiān)測斷面為主觀測斷面，每條土體位移計測線旁都布置了沉降磁環(huán)觀測管線，兩條測線相距1 m。兩種觀測儀器在每一層位于同一高程。整個工程共布置了土體位移計測線8條，合計37套土體位移計。布置見圖2。

4 安裝埋設(shè)方法

串接土體位移計與沉降磁環(huán)的埋設(shè)方法基本相同，均采用“鉆孔法”與“坑式開挖法”相結(jié)合的方法。

壩基覆蓋層采用“鉆孔法”進行安裝，鉆孔深入基巖1 m，向孔內(nèi)安裝傳遞桿時下部錨頭安裝在鉆孔底部，回填砂漿與基巖固結(jié)一體，逐層回填夯實，接近建基面時安裝傳感器部分及沉降盤，使沉降盤與沉降磁環(huán)位于同一高程，并在沉降盤上部連接下一套儀器錨頭、傳遞桿和保護管，并做好保護措施，并做好向上串接儀器的準備。

壩體內(nèi)土體位移計采用“坑式開挖法”進行安裝，當壩體填筑高程超過儀器安裝高程0.3～0.5 m后，挖除保護管上部土料，套上伸縮套，在儀器限位鎖定情況下將傳感器部分接入傳遞桿并擰緊，拉伸傳感器到滿量程（注意：此時已解除限位鎖定，不能再轉(zhuǎn)動傳感器），回填土料，分層夯實，達到上部錨頭后連接沉降盤和下一套儀器的錨頭、傳遞桿和保護管，并做好保護措施。隨著壩體填筑高度逐步升高，土體位移計也逐段向上串接，直至全部完成。

5 實測成果

僅以埋設(shè)安裝較早、沉降變形歷時較長的樁號0+521 m監(jiān)測斷面的沉降數(shù)據(jù)為代表進行簡要分析。該斷面位于均質(zhì)土壩與溢流壩壩段連接段，土壩建基高程為120 m，基礎(chǔ)為夾粉砂巖薄層的泥巖，135 m以上為粉質(zhì)粘土均質(zhì)壩，135 m以下土壩壩基垂直防滲采用塑性混凝土墻防滲，塑性混凝土防滲墻兩側(cè)為粉質(zhì)粘土，其它開挖部位回填中粗砂，壩基砂層采用振沖加壓重方案防止地震液化。

圖2 典型斷面沉降監(jiān)測布置圖Fig.2 Distribution of the settlement monitoring system on the typical section

圖3 土體位移計與沉降磁環(huán)實測沉降量對比結(jié)果Fig.3 Comparison of settlement data measured by soil displacement meter and magnetic core

該監(jiān)測斷面僅在壩軸線部位設(shè)置了一條利用串接土體位移計進行沉降監(jiān)測的測線，共串接了5支土體位移計。自2009年10月開始填筑至2012年4月完成壩體填筑，這5支土體位移計與沉降磁環(huán)觀測歷時2年半，累計沉降量自135 m高程至143 m高程逐漸增大，截至2012年4月143.00 m高程處土體位移計測得最大累計沉降量為313 mm，而沉降磁環(huán)測得最大累計沉降量為319 mm。

從壩體累計沉降過程線與壩體填筑過程線可知，壩體沉降與填筑過程顯著相關(guān)，壩體填筑施工開始后沉降速率明顯增加，當填筑施工停止后，壩體沉降速率開始減小。自2011年11月起，壩體累計沉降變形逐漸趨于穩(wěn)定，哈達山水利樞紐工程均質(zhì)土壩壩體沉降符合變形的一般規(guī)律，沉降監(jiān)測結(jié)果可靠，表明這種觀測方法是有效的。

6 結(jié)語

哈達山水利樞紐工程均質(zhì)土壩沉降監(jiān)測的實際應用效果表明，由串接土體位移計組成的沉降監(jiān)測系統(tǒng)具有安裝方法簡單、土建工程量小、測量精度高、易于實現(xiàn)自動化監(jiān)測等優(yōu)點，為均質(zhì)土壩、黏土心墻壩內(nèi)部分層沉降監(jiān)測提供了一種便捷高效的方法。建議在今后的使用過程中考慮采用并接的布置方式，避免因測線上某支傳感器失效而影響整條測線沉降量的累加計算。若位移傳遞桿過長且壩體內(nèi)溫度變化較大，宜對其長度變化量進行撓曲變形修正和溫度修正?！?/p>

[1]張啟岳.土石壩觀測技術(shù)[M].北京:水利電力出版社，1993.

[2]霍家平,陳生水,方緒順，陳與非.TSD型桿式水平位移計研制及應用[J].水力發(fā)電學報，2005，24（1）：65-68.