萬 永 波

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

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長河壩水電站大壩沉降監(jiān)測技術(shù)

萬 永 波

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：介紹了長河壩水電站大壩沉降監(jiān)測儀器的選型，對各種類型沉降儀器的觀測成果進行了對比分析，分析了大壩沉降觀測資料的真實性和可靠性，總結(jié)了用于大壩沉降觀測使用的儀器及其具有的性能特點，指出了大壩沉降監(jiān)測儀器的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：長河壩水電站；沉降監(jiān)測；分層沉降

1工程概述

長河壩水電站礫石土心墻堆石壩最大壩高240 m，基礎(chǔ)覆蓋層最大厚度為60 m，大壩按Ⅷ度進行抗震設(shè)計，因此，掌握大壩的沉降監(jiān)測成果對強震區(qū)深厚覆蓋層上修建超高土石壩非常重要。

2長河壩水電站大壩沉降的觀測

土石壩的沉降監(jiān)測主要包括大壩內(nèi)部的沉降和大壩外表的沉降。對于大壩外表的沉降主要采用水準測量；而測量大壩內(nèi)部的沉降方法和監(jiān)測儀器類型較多，且各型儀器的觀測原理不同，其觀測精度、真實性、可靠性亦不相同，因此，了解其特性就顯得非常重要。筆者介紹了幾種工程中常用的監(jiān)測儀器。

(1)電磁沉降環(huán)。

電磁沉降環(huán)觀測用于大壩內(nèi)部的沉降變形。其作法是：從大壩基礎(chǔ)開始埋設(shè)一根沉降管(或?qū)y斜管兼作測斜觀測)，將沉降管底部錨固在大壩基礎(chǔ)上，把磁性沉降環(huán)套在沉降管外圓埋設(shè)于觀測點位置。當(dāng)大壩發(fā)生沉降時，磁性沉降環(huán)隨大壩填筑體一起下沉，沉降管通過伸縮節(jié)下沉。在觀測大壩沉降數(shù)據(jù)時，從管孔中放下磁性探頭并測量磁環(huán)的位置，采用外觀測量觀測沉降管口高程并計算出磁環(huán)觀測時的高程；用磁環(huán)埋設(shè)的初始高程減去觀測時的高程，進而計算出大壩填筑體的沉降量。

(2)水管式沉降儀。

水管式沉降測量裝置即靜水溢流管式沉降儀是利用液體在連通管兩端口保持同一水平面的原理制成的。將水管沉降儀測頭埋設(shè)在壩體內(nèi)部觀測位置(測點)并將進水管與大壩下游觀測房內(nèi)的測量裝置連通，進氣管與大氣連通；沉降儀底部的排水管及時排除測頭內(nèi)多余的液體。當(dāng)觀測人員在觀測房內(nèi)測出連通管一個端口的液面高程時，便可知另一端(測點)的液面高程，前后兩次高程讀數(shù)之差即為該測點的沉降量。

(3)分層電位器沉降儀。

長河壩水電站使用的分層電位器式沉降儀是根據(jù)大壩填筑土體分層壓縮變形的原理在壩體內(nèi)按設(shè)計分層埋設(shè)電位器位移計，使用電位器式傳感器觀測大壩填筑體的分層壓縮量(沉降量)，將同一豎直線上的分層沉降量匯總計算出壩體監(jiān)測點的總沉降。分層電位器式沉降儀通過鉆孔至分層底部，在每層的底部埋設(shè)錨頭、分層的頂部安裝電位器位移計與沉降板連結(jié)，錨頭與位移計之間用傳力桿連接。當(dāng)大壩發(fā)生沉降時，沉降板與大壩填筑體一起沉降，沉降板將大壩的沉降量傳遞給電位器位移計，傳感器將沉降量轉(zhuǎn)換成電信號。電位器式傳感器為直滑式精密儀器，測量時，傳感器采用5芯電纜恒流供電，儀器測值不受傳輸電纜的長度及環(huán)境溫度變化等的影響，觀測成果精度高，測值穩(wěn)定可靠。

(4)振弦式沉降儀。

振弦式沉降儀用于測量不同測點之間的沉降。將儲液罐放置在固定的基準點并用兩根充滿液體的通液管(通液管)把它們連接在沉降測點的傳感器上，傳感器通過通液管感應(yīng)液體的壓力并將其換算為液柱的高度，據(jù)此即可實現(xiàn)在儲液罐和傳感器之間測量出不同高程的任意測點的高度。所使用的典型測量裝置用于測量壩體內(nèi)部的沉降。傳感器內(nèi)包含一個半導(dǎo)體溫度計與一個防雷擊保護器，使用通氣電纜將傳感器連接到儲液罐上并使整個系統(tǒng)達到自平衡，以確保傳感器不受大氣壓變化的影響。安裝在通氣管末端的干燥管用來防止傳感器內(nèi)部受潮。

(5) 智能式沉降儀。

長河壩水電站大壩使用的智能式沉降儀利用電磁感應(yīng)原理，將與測桿固接的導(dǎo)磁體活塞桿插入螺管線圈(其可來回移動)，線圈的電感量與導(dǎo)磁體活塞桿插入線圈的長度有關(guān)。當(dāng)發(fā)生位移時，將引起線圈電感量的變化，電感調(diào)頻電路將線圈電感量的變化轉(zhuǎn)換成頻率信號，通過讀數(shù)儀即可顯示位移值。

(6) 水準測量。

長河壩水電站大壩的水準測量使用的是高精度的數(shù)字水準儀和銦鋼板尺，按照一、二等水準測量線路觀測大壩表面沉降點的高程，用初始高程減去觀測高程即可計算出壩體表面的沉降量。水準測量主要用于觀測長河壩水電站大壩壩體的表面沉降、水管沉降儀的基點校核、基礎(chǔ)廊道的基礎(chǔ)沉降量。

3沉降成果對比分析

圖1　長河壩水電站大壩沉降量與填筑過程線圖

圖2　大壩基礎(chǔ)水準過程線圖

圖3　分層電位器位移計沉降成果圖

長河壩水電站大壩心墻內(nèi)埋設(shè)的電磁沉降環(huán)觀測到的最大沉降量是VE2，為1 530 mm，位于樁號(縱)0+256內(nèi)的壩軸線處。在長河壩水電站大壩心墻下游過渡料中埋設(shè)的水管沉降儀觀測到的最大沉降是C57，為1 461 mm，位于樁號(縱)0+256的反濾區(qū)。分層電位器式位移計觀測到的最大沉降量為1 750 mm，位于(縱)0+190樁號上游靠近反濾區(qū)。長河壩水電站觀測到的壩體沉降量與填筑呈正相關(guān)，沉降量隨壩體填筑高程的增高不斷增大；三種儀器觀測到的沉降成果基本一致。由于儀器埋設(shè)日期不同，觀測沉降量有小幅度的差異，但觀測 成果量級一致，沉降量為填筑壩體高度(163.7 m)的1.07%，沉降成果可信。

長河壩水電站大壩基礎(chǔ)水準沉降值最大的是LD9，為86.9 mm，位于基礎(chǔ)廊道河床部位；水準成果規(guī)律性一致，基礎(chǔ)沉降分布規(guī)律為河床最大，向兩岸逐漸遞減，與設(shè)計報告基本一致。水準監(jiān)測成果精度高，使用水準儀精度達到0.3 mm/km。

長河壩水電站大壩埋設(shè)的振弦式沉降儀和智能式沉降儀為科研項目，采用新型儀器，目前觀測到的壩體最大沉降僅為292 mm，明顯小于大壩實際沉降量(圖1～4)。

4監(jiān)測方法分析

電磁沉降環(huán)為傳統(tǒng)的大壩內(nèi)部沉降監(jiān)測儀器，性能穩(wěn)定，技術(shù)成熟，能夠觀測施工期的總沉降量，但電磁沉降環(huán)的測量精度低，沉降管抗側(cè)向變形差，容易損壞，并且埋設(shè)電磁沉降環(huán)對土建施工干擾大，沉降管周邊人工回填料的密實度影響觀測成果的精度且不能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，故其主要用于施工期的沉降監(jiān)測。

圖4　智能式沉降儀過程線圖

水管式沉降儀為傳統(tǒng)的大壩內(nèi)部沉降監(jiān)測儀器，性能較穩(wěn)定，產(chǎn)品技術(shù)成熟，可以監(jiān)測施工期的總沉降量，但該儀器觀測精度不高，其監(jiān)測成果受施工埋設(shè)方法和施工工藝的影響大，觀測成果受大氣壓、溫度、操作人員的熟練程度等因素影響。分層電位器式沉降儀用于分層觀測大壩內(nèi)部的沉降，儀器性能穩(wěn)定，測值可靠性好。

振弦式沉降儀性能與測值(讀數(shù))穩(wěn)定，儀器埋設(shè)對施工干擾小并能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，但該儀器設(shè)計原理不合理，用于觀測長河壩水電站的沉降量時失真。

智能式沉降儀為新型大壩內(nèi)部沉降監(jiān)測儀器，儀器埋設(shè)對施工干擾小，能實現(xiàn)自動化監(jiān)測，但該儀器結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理，外套沉降磁環(huán)滑動不靈敏，用于觀測長河壩水電站沉降量時失真。水準測量為成熟的沉降監(jiān)測技術(shù)，觀測成果精度高，成果真實性高；但水準測量只能觀測表面沉降，人工工作量大，不能實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

5結(jié)語

通過對采用不同類型監(jiān)測儀器觀測到的長河壩水電站大壩的沉降資料進行分析得知：水準測量觀測大壩表面沉降和基礎(chǔ)沉降成果精度最高，水準監(jiān)測成果可靠。電磁沉降環(huán)、水管式沉降儀和分層電位器式沉降儀用于觀測大壩內(nèi)部沉降精度滿足設(shè)計要求，但觀測大壩沉降成果與其安裝埋設(shè)方法和施工工藝相關(guān)，受其影響較大。智能式沉降儀和振弦式沉降儀用于觀測長河壩水電站大壩內(nèi)部沉降量失真，需要通過優(yōu)化設(shè)計儀器結(jié)構(gòu)來保障沉降成果的真實性。隨著科技水平的不斷發(fā)展、儀器可靠性和觀測精度的不斷提高，儀器性能愈來愈趨于穩(wěn)定成熟，實現(xiàn)大壩內(nèi)部沉降自動化觀測已成為今后大壩內(nèi)部沉降監(jiān)測發(fā)展的趨勢和方向。

萬永波(1973-)，男，重慶豐都人，高級工程師，碩士，從事水電水利工程安全監(jiān)測工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

作者簡介:

收稿日期:2015-11-05

文章編號:1001-2184(2016)01-0061-03

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV7；TV222；TV641