朱振權(quán)，田國民

（中國水電工程顧問集團(tuán)有限公司 桃源開發(fā)有限公司，湖南 常德 415700）

0 引言

水平位移是水工建筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析的重要指標(biāo)。水平位移累積量可分解為水平方向的位移值和切線方向的位移值。對于閘壩工程，垂直于壩軸線且順?biāo)鞣较虻乃轿灰剖亲钪饕奈灰屏恐?，可以直接反映閘壩的安全狀態(tài)?；炷灵l壩工程的水平位移監(jiān)測可采用引張線法、真空激光準(zhǔn)直法、垂線法、視準(zhǔn)線法、大氣激光準(zhǔn)直法監(jiān)測。引張線法和垂線法監(jiān)測精度可以達(dá)到0.5 mm，受壩線長度限制較小，投資適中；視準(zhǔn)線法最經(jīng)濟(jì)，但受視線長度限制，精度也相對偏低；真空激光準(zhǔn)直法與大氣激光準(zhǔn)直法測量精度可以達(dá)到0.1 mm，對外部環(huán)境要求較高，比較適合在廊道內(nèi)或?qū)Ｓ玫目臻g內(nèi)布設(shè)，運(yùn)行成本相對較高［1］。本文重點(diǎn)分析引張線法在桃源水庫壩頂位移觀測中的應(yīng)用。

1 工程概況

桃源水利樞紐位于湖南省常德市桃源縣城邊的沅水干流上，壩址緊臨湖南省桃源縣城，上游距凌津?yàn)┧娬?8 km，下游距常德市城區(qū)31 km，屬沅水干流梯級水電開發(fā)中的最末一級。該電站為低水頭河槽徑流式電站，是以發(fā)電為主，兼顧航運(yùn)、旅游、防洪等綜合利用的水電工程，水庫控制流域集水面積8.67萬km2，正常蓄水位39.5 m，相應(yīng)庫容1.28億m3，總裝機(jī)容量180 MW，多年平均發(fā)電量7.93億kW·h，為二等大（2）型工程［2］。

該樞紐工程擋水建筑物分布于左、右兩個河槽，中部為雙洲洲尾。左河槽主要建筑物有14孔泄洪閘、船閘和土石副壩，右河槽主要建筑物有11孔泄洪閘、河床式發(fā)電廠房和土石副壩，其中發(fā)電廠房和船閘分別靠近雙洲布置。左槽泄洪閘壩段總長329.10m，右槽泄洪閘壩段總長260.00m，發(fā)電主廠房長222.20m，發(fā)電廠房（含防洪墻段）壩頂總長271.2 m。

該工程產(chǎn)生水平位移的原因主要有外力荷載作用的水平位移滑動、壩基不均勻沉降產(chǎn)生的整體側(cè)向滑動位移、水工結(jié)構(gòu)物及基巖自身的材料徐變與彈性變形造成的微位移。根據(jù)工程特性，水平位移監(jiān)測技術(shù)方案僅考慮外力荷載作用的水平位移滑動和壩基不均勻沉降產(chǎn)生的整體側(cè)向滑動位移量的水平位移累積量。經(jīng)過監(jiān)測方案綜合比較，推薦采用引張線和垂線法相結(jié)合的監(jiān)測技術(shù)方案。

2 壩頂引張線系統(tǒng)布設(shè)方案

2．1 引張線布置［3］

右槽泄洪閘為第一段引張線，從泄洪閘1#壩段起點(diǎn)開始，貫穿混凝土閘壩，至廠房副安裝間壩段止，長約260 m，共設(shè)10個測點(diǎn)；發(fā)電廠房為第二段引張線，從廠房副安裝間壩段開始，至3#擋水壩段結(jié)束，長約250 m，共設(shè)11個測點(diǎn)；左槽泄洪閘為第三段引張線，從泄洪閘1#壩段開始，至泄洪閘15#壩段結(jié)束，長約328 m，共設(shè)13個測點(diǎn)。這3段引張線均由倒垂為其提供工作基準(zhǔn)。

2．2 引張線敷設(shè)方式優(yōu)化

傳統(tǒng)的閘壩工程壩頂引張線系統(tǒng)敷設(shè)一般是在壩頂沿壩軸線貫通架設(shè)預(yù)制的U型梁結(jié)構(gòu)，在其內(nèi)安裝引張線保護(hù)管設(shè)施，頂部敷設(shè)蓋板進(jìn)行保護(hù)。為了確保引張線保護(hù)管全管段有效孔徑能夠達(dá)到變形幅度要求，預(yù)制U型梁結(jié)構(gòu)必須有足夠大的空間，供引張線管道的整體拼裝和調(diào)整。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，引張線系統(tǒng)有獨(dú)立的使用空間，便于后期技術(shù)升級或改造等；其缺點(diǎn)是，受土建施工進(jìn)度制約和干擾，往往無法及時(shí)安裝引張線設(shè)施而取得初始值，工程成本相對較高。閘壩工程壩頂引張線系統(tǒng)的另一種敷設(shè)方案是，在壩頂沿壩軸線貫通預(yù)留專用通道，在其表面敷設(shè)引張線管道、安裝引張線設(shè)施。該方案的優(yōu)點(diǎn)是，管線安裝操作方便；缺點(diǎn)是，對外部環(huán)境要求較高，由于引張線系統(tǒng)設(shè)備長期暴露在外，不利于設(shè)備的保護(hù)，并且影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的精度。

桃源水利樞紐工程閘墩順?biāo)鞣较驅(qū)嶓w結(jié)構(gòu)長為29．0 m，頂部挑出結(jié)構(gòu)長為4．7 m，壩頂寬度為33．7 m，壩頂公路寬為 7．0m，弧形閘門半徑為 20．0 m，壩頂電纜溝、油管溝、人行道及防浪墻等寬合計(jì)約3．8 m。根據(jù)壩頂?shù)牟贾们闆r，該工程僅能夠在壩頂靠上游側(cè)電纜溝旁或閘墩尾部布設(shè)預(yù)制U型梁。這樣，不但增加了原本就緊張的壩頂空間布設(shè)難度，還需為此布設(shè)43榀預(yù)制梁，投入較大。為了解決壩頂布置空間的問題，降低工程成本，經(jīng)研究決定，取消預(yù)制U型梁結(jié)構(gòu)，采用在現(xiàn)有壩頂上游公路橋人行道底部敷設(shè)引張線保護(hù)管的方案。

3 引張線敷設(shè)方案分析

3．1 敷設(shè)位置代表性分析

該閘壩工程閘墩實(shí)體結(jié)構(gòu)尺寸為29．0 m×29．7 m×3．2 m（長×高×厚），假定其為剛性板結(jié)構(gòu)，在不考慮材料自身徐變和彈性變形的情況下，最能代表閘墩水平位移的部位為閘墩中心14．5 m處。從理論上講，當(dāng)發(fā)生垂直于壩軸線順?biāo)鞣较蛲饬奢d作用的水平位移滑動時(shí)，閘墩上任何一個點(diǎn)均能有效反映其水平位移；當(dāng)發(fā)生壩基不均勻沉降產(chǎn)生整體側(cè)向滑動位移時(shí)，離中心越近，側(cè)向滑動位移量值越接近真實(shí)值，但其敏感度低；離中心越遠(yuǎn)，側(cè)向滑動位移敏感度越高，但量值會有一個擴(kuò)大值。因此，在壩頂上游公路橋人行道底部布置引張線系統(tǒng)方案的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有代表性。

3．2 敷設(shè)空間可行性分析

桃源水利樞紐右槽閘壩和發(fā)電廠房壩頂總長度為 521．2 m，左槽閘壩壩頂總長度為 329．1 m。如何在長距離下一次性成功預(yù)埋引張線保護(hù)管，確保其有效孔徑能夠達(dá)到要求，并預(yù)留一定的變形空間，成為該工程的一個技術(shù)難點(diǎn)。壩頂上游公路橋人行道位于壩頂公路橋T型梁頂部，走道板尺寸為995 mm×400 mm（寬×高），扣除墊層混凝土、保護(hù)層厚度以及鋼筋直徑所占空間，其走道板總空間約為895 mm×250 mm（寬×高）。引張線測點(diǎn)箱尺寸為514 mm×300 mm×225 mm（長×寬×高），扣除其上部保護(hù)鋼蓋板10 mm厚度，還有15 mm高的空間。根據(jù)以上分析，在壩頂上游公路橋人行道底部敷設(shè)引張線管線方案是可行的。

4 引張線施工技術(shù)方案

4．1 引張線保護(hù)管材料與管徑的確定

由于材料不同，預(yù)埋管與混凝土之間會存在線膨脹。而不同材料的不均勻變形會損壞引張線保護(hù)管。為了便于施工保護(hù)，降低引張線保護(hù)管的安裝固定風(fēng)險(xiǎn)，優(yōu)先選用無縫鋼管。而且，由于混凝土與鋼材的線膨脹接近，也能解決材料線膨脹的問題。

在監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)中，引張線系統(tǒng)的水平位移測量變形量為±40 mm，預(yù)留變形余量設(shè)計(jì)值為±15 mm，即引張線保護(hù)管預(yù)埋有效孔徑應(yīng)達(dá)到110 mm；疊加施工軸線放樣允許誤差為±5 mm，允許全管段安裝誤差為±10 mm。因此，預(yù)埋管最小孔徑應(yīng)大于等于140 mm。引張線測點(diǎn)箱高225 mm，距人行道底板高15mm，即埋管最大的調(diào)節(jié)空間為240mm。引張線系統(tǒng)預(yù)留變形余量設(shè)計(jì)值為±15 mm，施工軸線放樣允許誤差為±5 mm，允許全管段安裝誤差為±10 mm，鋼管加工標(biāo)準(zhǔn)壁厚5～6 mm［4］。 因此，預(yù)埋管允許的最大外徑尺寸為小于等于168 mm。按照上述結(jié)果，預(yù)埋管規(guī)格（外徑）應(yīng)在152～168 mm之間。經(jīng)查鋼材規(guī)格型號標(biāo)準(zhǔn)，符合要求的無縫鋼管規(guī)格為DN150（φ162×6 mm）。

4．2 引張線施工方案及埋設(shè)工藝

在監(jiān)測技術(shù)設(shè)計(jì)中，左槽泄洪閘引張線系統(tǒng)保護(hù)管分14段布設(shè)，右槽泄洪閘引張線系統(tǒng)保護(hù)管分11段布設(shè)，發(fā)電廠房引張線系統(tǒng)保護(hù)管分12段布設(shè)。引張線保護(hù)管采用分段布設(shè)增大了鋼管安裝的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。為了確保鋼管的安裝精度，經(jīng)過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對比后，選用管螺紋絲扣對接。管螺紋對接時(shí)，將公絲纏繞麻紗并涂抹油漆進(jìn)行填充，達(dá)到密閉效果。為了便于鋼管的加工，按照分段管長對鋼管進(jìn)行分節(jié)下料、加工，統(tǒng)一編號，然后在施工現(xiàn)場順序?qū)印雾擳型梁兩端頭與閘墩搭接部位有結(jié)構(gòu)分縫。為了避免縫面錯位變形損壞引張線保護(hù)管，在鋼管過縫后的閘墩混凝土內(nèi)1．05 m段，采用瀝青或黃油包裹，使其形成自由變形空隙，達(dá)到保護(hù)效果。

4．3 引張線施工放樣技術(shù)

引張線埋管精度要求非常高，因此，引張線保護(hù)管放樣精度非常關(guān)鍵。該工程根據(jù)施工控制網(wǎng)，采用LaicaTCA2003全站儀測量 （儀器標(biāo)稱精度 Ms＝1 mm＋1 ppm／km，Ma＝±0．5″） 進(jìn)行施工放樣和精度控制，確保放樣精度達(dá)到或高于設(shè)計(jì)要求，降低中軸線偏差風(fēng)險(xiǎn)。由于無縫鋼管的外形尺寸偏差量級很小，在不考慮鋼管外形尺寸偏差的情況下，測量各分段分節(jié)預(yù)埋鋼管的坐標(biāo)和外壁頂點(diǎn)值（高程），可以換算出各分段分節(jié)的軸線偏差，并近似得出各分段分節(jié)預(yù)埋管的有效孔徑。但是，在分段分節(jié)測量時(shí)，如何才能始終找到鋼管的頂點(diǎn)。由游標(biāo)卡尺和水準(zhǔn)儀的工作原理得知，可以加工制造鋼管水平居中卡尺，在水平居中卡尺中心點(diǎn)放置棱鏡標(biāo)靶，利用LaicaTCA2003全站儀自動捕捉棱鏡標(biāo)靶，按小角度法結(jié)合三角光電測距進(jìn)行測量和數(shù)據(jù)記錄。

5 引張線質(zhì)量檢驗(yàn)技術(shù)

常規(guī)的引張線系統(tǒng)保護(hù)管安裝是在開敞的空間環(huán)境下進(jìn)行的，往往只注重施工的安裝精度控制，若后期需要進(jìn)行技術(shù)調(diào)整和升級改造，具備再次對其進(jìn)行精度控制的條件。受工程條件限制，桃源水利樞紐壩頂引張線保護(hù)管采用預(yù)埋敷設(shè)方案，不具備后期調(diào)整和改造的條件。因此，現(xiàn)階段必須充分考慮后期環(huán)境因素變化的影響，為后期的技術(shù)調(diào)整或升級改造預(yù)留條件。這就需要對引張線保護(hù)管預(yù)埋施工進(jìn)行全過程精度控制，從而確保埋管質(zhì)量。埋管施工完成后、且混凝土澆筑成型前，應(yīng)對全管段預(yù)埋管有效孔徑進(jìn)行技術(shù)檢驗(yàn)。

該工程采用LaicaTCA2003全站儀按小角度法結(jié)合三角光電測距測量，得出分段分節(jié)鋼管各斷面的中軸線偏差值，計(jì)算各斷面累積疊加值，即為全管段有效孔徑。假定中軸線上下游偏差為X坐標(biāo)、軸線垂直偏差為Y坐標(biāo)、預(yù)埋管中心為坐標(biāo)原點(diǎn)O，坐標(biāo)軸象限正負(fù)號規(guī)定如圖1所示。鋼管斷面中心偏差計(jì)算公式為

式中：S為軸線偏差值；X為軸線上下游偏差；Y為軸線垂直偏差。

鋼管各斷面中心偏差計(jì)算累積疊加后，取各個象限極大值，在坐標(biāo)軸上繪制連線，以連線中最長邊的中點(diǎn)為圓心，以其0.5倍邊長為半徑，繪制有效圓。該有效圓的孔徑即為引張線的變形幅度。

圖1 坐標(biāo)軸象限正負(fù)號Fig.1 Axis quadrant sign

6 結(jié)語

桃源水利樞紐壩頂引張線工程，取消預(yù)制U型梁溝管結(jié)構(gòu)，采用在現(xiàn)有壩頂上游公路橋人行道底部空間布置引張線系統(tǒng)的方案，優(yōu)化了壩頂結(jié)構(gòu)布置，也節(jié)約了工程成本。目前，該工程已經(jīng)完成了右槽閘壩和發(fā)電廠房兩段引張線保護(hù)管的預(yù)埋施工，經(jīng)過技術(shù)檢驗(yàn)，有效孔徑分別達(dá)到130．4 mm和132．8 mm，大于設(shè)計(jì)要求的變形幅度110 mm。通過實(shí)踐證明，引張線系統(tǒng)的預(yù)埋敷設(shè)方案是可行的。

［1］ DL ／T5178-2003，混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.桃源水電站可行性研究報(bào)告:工程布置及建筑物篇［R］．長沙:中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，2010:183-188.

［3］中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院.桃源水電站安全監(jiān)測儀器埋設(shè)及觀測技術(shù)要求［R］．長沙:中國水電顧問集團(tuán)中南勘測設(shè)計(jì)研究院，2012:4-9.

［4］ DL ／T5173-2003，水利水電工程施工測量規(guī)范［S］．