龔 靜

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

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300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究

龔 靜

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都610072)

300 m級(jí)高土石壩在心墻施工填筑期間，受自重影響，心墻內(nèi)部有較大的垂直位移。在蓄水后受庫(kù)水壓力等影響，心墻內(nèi)部有較大的水平位移，因此心墻變形監(jiān)測(cè)是重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。對(duì)300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的儀器布置及選型進(jìn)行了總結(jié)歸納和研究探討，并推薦了心墻水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)的首選方案，為長(zhǎng)河壩等類似規(guī)模工程心墻變形監(jiān)測(cè)技術(shù)奠定了基礎(chǔ)并積累經(jīng)驗(yàn)。

300 m級(jí)高土石壩；心墻；變形監(jiān)測(cè)；長(zhǎng)河壩水電站

1 研究目的和意義

長(zhǎng)河壩壩基覆蓋層厚度60～70 m，大壩最大壩高為240 m，考慮到壩基覆蓋層的厚度，大壩設(shè)計(jì)為300 m級(jí)高土石壩。由于300 m級(jí)高土石壩筑壩材料為散粒體結(jié)構(gòu)且各種材料性狀差別大，目前壩體應(yīng)力變形計(jì)算理論計(jì)算尚不成熟，設(shè)計(jì)處于半理論半經(jīng)驗(yàn)階段，壩體材料真實(shí)的應(yīng)力變形復(fù)雜很難準(zhǔn)確模擬。心墻作為大壩防滲系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其內(nèi)部變形情況(水平位移和垂直位移)是關(guān)注的焦點(diǎn)。對(duì)于300 m級(jí)高土石壩心墻變形監(jiān)測(cè)，現(xiàn)有的常規(guī)監(jiān)測(cè)手段有其局限性，對(duì)儀器選型和量程方面提出了許多新的挑戰(zhàn)。因此，對(duì)300 m級(jí)高土石壩心墻變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究具有非常重要的意義。

2 心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

心墻內(nèi)部水平位移主要監(jiān)測(cè)斷面一般布置在壩軸線縱斷面上，選取最大橫剖面以及其他特征斷面(原河床、地質(zhì)及地形復(fù)雜段等)。通過(guò)調(diào)研，心墻內(nèi)部水平位移一般采用活動(dòng)式測(cè)斜儀、固定式測(cè)斜儀等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，國(guó)內(nèi)典型高土石壩工程心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)儀器布置及運(yùn)行情況見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)高土石壩工程心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)儀器布置及運(yùn)行情況

工程覆蓋層最大厚度/m最大壩高/m心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)儀器損壞情況糯扎渡壩基為基巖26150活動(dòng)式測(cè)斜儀、固定式測(cè)斜儀活動(dòng)式測(cè)斜部分失效瀑布溝779018600活動(dòng)式測(cè)斜儀、固定式測(cè)斜儀活動(dòng)式測(cè)斜大部分失效固定式測(cè)斜儀部分損壞小浪底800016000活動(dòng)式測(cè)斜儀活動(dòng)式測(cè)斜部分失效獅子坪>9013600活動(dòng)式測(cè)斜儀活動(dòng)式測(cè)斜儀后期取消磽磧696012550活動(dòng)式測(cè)斜儀、固定式測(cè)斜儀活動(dòng)式測(cè)斜全部失效固定式測(cè)斜儀部分損壞

由表1可知，大壩心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)主要有活動(dòng)式測(cè)斜管和固定式測(cè)斜儀兩種監(jiān)測(cè)手段，以下詳細(xì)介紹其布置及選型方案。

2.1 活動(dòng)式測(cè)斜管布置及選型

(1)活動(dòng)式測(cè)斜管布置。儀器布置應(yīng)主要選擇在最大剖面以及結(jié)構(gòu)變化較大的重要剖面。主要監(jiān)測(cè)剖面儀器應(yīng)從壩基至壩頂豎向同管路連續(xù)布置，以保證獲得最大壩高斷面的心墻分層水平位移。雖然該儀器在已建工程應(yīng)用最多，但由于保護(hù)難度大，測(cè)斜管較易損壞。

(2)活動(dòng)式測(cè)斜儀選型。國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)的活動(dòng)式測(cè)斜儀，其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 活動(dòng)式測(cè)斜儀技術(shù)性能

儀器型號(hào)生產(chǎn)廠家測(cè)頭型式量程位移方向BC?10型測(cè)斜儀南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠彈性擺式0～±10°水平一向測(cè)斜儀美國(guó)SINCO公司伺服加速度計(jì)式0～±53°水平兩向GK?603測(cè)斜儀美國(guó)Geokon伺服加速度計(jì)式0～±53°水平兩向TS0002加拿大RST伺服加速度計(jì)式02～±53°水平兩向

從表2可知，進(jìn)口活動(dòng)式測(cè)斜儀長(zhǎng)期穩(wěn)定性更好，且探頭靈敏度高，讀數(shù)儀有自動(dòng)記錄裝置，使用配套軟件可輸出圖形和結(jié)果，因此建議選用進(jìn)口活動(dòng)式測(cè)斜儀。

2.2 固定式測(cè)斜儀布置及選型

(1)固定式測(cè)斜儀布置。儀器布置應(yīng)主要選擇在最大剖面以及結(jié)構(gòu)變化較大的重要剖面。主要監(jiān)測(cè)剖面儀器應(yīng)從壩基至壩頂豎向連續(xù)布置，以保證獲得最大壩高斷面的心墻分層水平位移。根據(jù)類似工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，參照工程結(jié)構(gòu)計(jì)算成果，在選定的監(jiān)測(cè)剖面布置測(cè)斜管，測(cè)斜管內(nèi)按間隔5～10 m布置固定式測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)心墻水平位移。對(duì)300 m級(jí)高土石壩心墻中可考慮分段鉆孔實(shí)施固定式測(cè)斜儀。

(2)固定式測(cè)斜儀選型。國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)的固定式測(cè)斜儀，其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表3。

表3 固定式測(cè)斜儀技術(shù)性能

儀器名稱生產(chǎn)廠家量程/(°)GK?6150MEMS美國(guó)基康±15SINCO57804222美國(guó)SINCO±10ACCUTILTRT?20M加拿大ROCTEST±30H14966北京恒奧德±10TCH2392104上海東南儀器±30

國(guó)產(chǎn)固定式測(cè)斜儀在工程中應(yīng)用尚少，進(jìn)口固定式測(cè)斜儀一般具備雙軸感應(yīng)元件，具有極高的精度、穩(wěn)定性，且非常堅(jiān)固耐用，測(cè)量范圍較大，可達(dá)到±30°，因此建議選用進(jìn)口固定式測(cè)斜儀。

由以上研究可知，進(jìn)口活動(dòng)式測(cè)斜儀，雖然該儀器在已建工程應(yīng)用最多，但測(cè)斜管較易損壞，施工中需采取嚴(yán)格的保護(hù)措施提高成活率。進(jìn)口固定式測(cè)斜儀由于其成活率較高，可作為長(zhǎng)河壩及類似規(guī)模的300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)的首選方案，但該監(jiān)測(cè)設(shè)備費(fèi)用高，可根據(jù)情況適量使用。

3 心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

結(jié)構(gòu)計(jì)算和調(diào)研成果顯示，心墻內(nèi)部垂直向位移較大，各部位不均勻沉降產(chǎn)生的裂縫會(huì)直接削弱其防滲效果。所以心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)，特別是施工期以及初蓄期的監(jiān)測(cè)尤為重要。國(guó)內(nèi)典型高土石壩工程心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)儀器布置及運(yùn)行情況見(jiàn)表4。

表4 國(guó)內(nèi)高土石壩工程心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)儀器布置及運(yùn)行情況

工程覆蓋層最大厚度/m最大壩高/m心墻垂直位移監(jiān)測(cè)儀器損壞情況糯扎渡壩基為基巖26150電磁式沉降儀、弦式沉降儀電磁式沉降儀均損壞、弦式沉降儀部分損壞瀑布溝779018600電磁式沉降儀、弦式沉降儀電磁式沉降儀深部測(cè)點(diǎn)損壞較多、弦式沉降儀取消較多小浪底800016000電磁式沉降儀、弦式沉降儀、電位器式位移計(jì)電磁式沉降儀、弦式沉降儀、電位器式位移計(jì)部分損壞獅子坪>9013600電磁式沉降儀電磁式沉降儀后期取消磽磧696012550電磁式沉降儀電磁式沉降儀均損壞

由表4可知，大壩心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)主要有電磁式沉降儀、弦式沉降儀、電位器式位移計(jì)等監(jiān)測(cè)手段，以下詳細(xì)介紹其布置及選型方案。

3.1 電磁式沉降儀布置及選型

(1)電磁式沉降儀布置。在選定監(jiān)測(cè)剖面測(cè)斜管外每間隔5～10 m布置一個(gè)磁感應(yīng)沉降環(huán)，用電磁式沉降儀監(jiān)測(cè)心墻垂直位移。

(2)電磁式沉降儀選型。電磁式沉降儀主要生產(chǎn)廠家和技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表5。由于進(jìn)口電磁式沉降儀量程大、精度高，且在國(guó)內(nèi)很多工程中應(yīng)用效果較好，因此建議選用進(jìn)口電磁式沉降儀。

表5 電磁沉降儀技術(shù)性能

儀器型號(hào)生產(chǎn)廠家量程/mmR?4加拿大RST30～150CL?50南京電力自動(dòng)化設(shè)備廠50CJY南科院土工所30～50CFC?40武勘院電子儀器所30～50BGK1910北京GK1000

3.2 弦式沉降儀布置及選型

(1)弦式沉降儀布置。在選定監(jiān)測(cè)剖面中心線及其上下游心墻內(nèi)沿豎向連續(xù)布置測(cè)點(diǎn)，從心墻底部至壩頂分段埋設(shè)，每30 m布置1套弦式沉降儀監(jiān)測(cè)心墻垂直位移。各套儀器之間交錯(cuò)布置而不串聯(lián)，每套儀器可監(jiān)測(cè)30 m內(nèi)的心墻土體壓縮量，通過(guò)累加得到整個(gè)心墻的沉降量。

(2)弦式沉降儀選型。國(guó)內(nèi)外主要廠家生產(chǎn)的弦式沉降儀，其技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表6。從表6可知，該儀器各項(xiàng)性能指標(biāo)相差不大，由于國(guó)產(chǎn)弦式沉降儀在工程中應(yīng)用較少，建議選用進(jìn)口弦式沉降儀。

表6 弦式沉降儀技術(shù)性能

儀器名稱生產(chǎn)廠家測(cè)量范圍/mVW沉降系統(tǒng)美國(guó)SINCO15～30GK4600美國(guó)基康7～30PWS?350KPa加拿大ROCTEST5～70M195370北京中西遠(yuǎn)大科技20～90

3.3 電位器式位移計(jì)布置及選型

(1)電位器式位移計(jì)布置。與弦式沉降儀布置類似，在選定的監(jiān)測(cè)剖面，從心墻底部至頂部采取分段埋設(shè)方式，每30 m布置1套電位器式位移計(jì)，對(duì)心墻垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。各套儀器之間交錯(cuò)布置而不串聯(lián)，每套儀器可監(jiān)測(cè)30 m內(nèi)的心墻土體壓縮量，通過(guò)累加可得到整個(gè)心墻的沉降量。

(2)電位器式位移計(jì)選型。國(guó)內(nèi)外主要廠家生產(chǎn)的電位器式位移計(jì)技術(shù)性能指標(biāo)見(jiàn)表7，對(duì)于300 m級(jí)高土石壩，因其心墻垂直位移較大，要求使用大量程儀器。綜合考慮，建議選用國(guó)產(chǎn)大量程電位器式位移計(jì)。

表7 電位器式位移計(jì)技術(shù)性能

型號(hào)生產(chǎn)單位測(cè)量深度/m量程/mm電位器式位移計(jì)南科院任意1200SDW?6?20型捷興巖土30～50100MPBX型挪威杰娜公司任意100BJ?CS日本Kyouwa公司9100

電位器式位移計(jì)近年來(lái)開(kāi)始運(yùn)用于高土石壩工程，目前該儀器最大量程可達(dá)1 200 mm、精度為3‰FS、耐水壓4 MPa，可以跟管鉆孔埋設(shè)，便于實(shí)施和保護(hù)。其優(yōu)點(diǎn)是大量程直接測(cè)讀、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，豎直向埋設(shè)，不易損壞、耐久性強(qiáng)。大量程電位器式位移計(jì)作為一種新型監(jiān)測(cè)手段，推薦在300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)使用。

由以上研究可知，高土石壩心墻內(nèi)的測(cè)斜管在施工期較易被沉降擠壓破壞、側(cè)向剪切破壞和施工破壞，導(dǎo)致被破壞處以下高程的電磁式沉降儀測(cè)點(diǎn)一并無(wú)法使用。由于變形超量程、電纜被剪切斷、儀器埋設(shè)和保護(hù)不仔細(xì)等原因，弦式沉降儀在使用中較易損壞。而大量程電位器式位移計(jì)具有量程大、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不易損壞、耐久性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可作為長(zhǎng)河壩及類似規(guī)模的300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)的首選方案。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜上所述，300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)對(duì)儀器選型和量程方面提出了許多新的挑戰(zhàn)，本文對(duì)300 m級(jí)高土石壩心墻內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的儀器布置及選型進(jìn)行了總結(jié)歸納和研究探討，并推薦了心墻水平位移和垂直位移監(jiān)測(cè)的首選方案，可供長(zhǎng)河壩及類似規(guī)模工程心墻內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)提供參考。

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(責(zé)任編輯 高 瑜)

Research on Key Technologies of Core Wall Internal Deformation Monitoring for 300 m-Level High Earth-Rock Dam

GONG Jing

(PowerChina Chengdu Engineering Corporation Limited, Chengdu 610072, Sichuan, China)

During the construction period of 300 m-level high earth-rock dam, the core wall will appear larger vertical displacement as affected by self weight. After reservoir water storage, the core wall will appear larger horizontal displacement as affected by water pressure and other factors. Thus, the deformation monitoring of core wall is focus of monitoring item. The monitoring arrangement and equipment selection of core wall internal deformation monitoring for 300 m-level high earth-rock dam are summarized and analyzed, and based on the results, the monitoring schemes of horizontal and vertical displacements of core wall are recommended. The research provides foundation and experience reference for core wall internal deformation monitoring of Changheba Hydropower Station project and other 300 m-level high projects．

300 m-level high earth-rock dam; core wall; deformation monitoring; Changheba Hydropower Station

2016- 07- 22

龔靜(1981—)，男，湖北襄陽(yáng)人，高級(jí)工程師，碩士，從事工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、資料分析及技術(shù)管理工作．

TV698.1(271)

A

0559- 9342(2016)10- 0039- 03