鄒青（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

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中國(guó)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展與展望

鄒青
（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

摘要：通過(guò)收集整理國(guó)內(nèi)具有代表性的高面板堆石壩關(guān)鍵監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用情況，對(duì)國(guó)內(nèi)200 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入調(diào)查，總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)、難點(diǎn)，對(duì)主要監(jiān)測(cè)措施的有效性和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，積累相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，為擬建300 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的提升和改進(jìn)提供解決思路和方向。

關(guān)鍵詞：高面板堆石壩；安全監(jiān)測(cè)；關(guān)鍵技術(shù)；進(jìn)展與展望

0　引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，以天生橋一級(jí)（壩高178 m）、洪家渡（壩高179.5 m）、三板溪（壩高185.5 m）和水布埡（壩高233 m）水電站等為代表的一批典型面板堆石壩工程相繼建成，將面板堆石壩筑壩高度由100 m級(jí)提升至200 m級(jí)，中國(guó)面板堆石壩設(shè)計(jì)理論及施工技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。但隨著面板堆石壩筑壩技術(shù)由200 m級(jí)向300 m級(jí)邁進(jìn)，面板堆石壩監(jiān)測(cè)技術(shù)明顯滯后于筑壩技術(shù)的發(fā)展，不少監(jiān)測(cè)儀器的適應(yīng)性、耐久性、抗沖擊等性能仍停留在100～200 m級(jí)壩高時(shí)的水平。

目前中國(guó)已建成和在建的壩高超過(guò)100 m的混凝土面板堆石壩有近40座，其中已建成的天生橋一級(jí)、洪家渡、三板溪和水布埡壩均為世界級(jí)的高面板堆石壩，尤其是水布埡和洪家渡面板堆石壩被國(guó)際大壩委員會(huì)評(píng)為里程碑工程。這些高面板堆石壩的安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行既有共性，也有各自的特點(diǎn)。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)200 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入調(diào)查，總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)特點(diǎn)、難點(diǎn)，對(duì)主要監(jiān)測(cè)措施的有效性和存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，為300 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

1　高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

面板堆石壩的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目一般有壩表面和壩體內(nèi)部變形及面板撓度和脫空，壩身、壩基及繞壩滲流，堆石體應(yīng)力及面板應(yīng)力應(yīng)變和溫度，環(huán)境量和強(qiáng)震等。其中表面變形監(jiān)測(cè)主要采用位移標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行，內(nèi)部主要采用水平垂直位移計(jì)和電磁式沉降儀等，部分進(jìn)行了縱向變形監(jiān)測(cè)。滲流監(jiān)測(cè)主要采用滲壓計(jì)、水位監(jiān)測(cè)孔和量水堰等，有的工程滲流量采取分區(qū)監(jiān)測(cè)，有的采用光纖傳感器監(jiān)測(cè)。環(huán)境量和強(qiáng)震監(jiān)測(cè)項(xiàng)目與其他工程監(jiān)測(cè)相差不大。

自20世紀(jì)80年代引進(jìn)面板堆石壩技術(shù)以來(lái)，中國(guó)十分重視面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)工作，在“六五”至“九五”科技攻關(guān)期間都將高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)列為國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目。有關(guān)科研單位先開(kāi)發(fā)研制了滿(mǎn)足100 m級(jí)高面板堆石壩原型監(jiān)測(cè)所需的儀器設(shè)備，隨后又研發(fā)了200 m級(jí)高面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)所需的大量程、高精度監(jiān)測(cè)儀器，具有代表性的主要有：由水管式沉降儀和引張線式水平位移計(jì)組成的水平垂直位移計(jì)，以滿(mǎn)足天生橋一級(jí)面板堆石壩監(jiān)測(cè)碾壓堆石體內(nèi)部變形的需要；伺服加速度活動(dòng)式測(cè)斜儀和斜面測(cè)斜儀，分別滿(mǎn)足高面板堆石壩壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)和高面板堆石壩面板撓度監(jiān)測(cè)的需要；高精度、小直徑壓阻式和鋼弦式孔隙水壓力計(jì)，可以直接放置在測(cè)壓管中，滿(mǎn)足已建面板堆石壩原型監(jiān)測(cè)設(shè)施更新改造的需要。特別是在“九五”國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目研究中，研制出遙控遙測(cè)水平垂直位移計(jì)和高精度雙向固定測(cè)斜儀，滿(mǎn)足了壩高233 m的水布埡面板堆石壩及洪家渡、吉林臺(tái)、公伯峽、紫坪鋪等200 m級(jí)面板堆石壩工程壩體內(nèi)部變形和面板撓度監(jiān)測(cè)的需要，這兩類(lèi)儀器設(shè)備的技術(shù)性能達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。經(jīng)過(guò)30多年的科技攻關(guān)，中國(guó)面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)已經(jīng)形成了可以觀測(cè)200 m級(jí)高面板堆石壩的壩體和壩基變形、應(yīng)力和滲流，面板應(yīng)力、應(yīng)變和撓度，周邊縫與垂直縫變形等項(xiàng)目的一整套安全監(jiān)測(cè)技術(shù)。

進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，中國(guó)開(kāi)始重視面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化，相關(guān)科研單位開(kāi)發(fā)了分布式面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在采用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通訊技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)字量傳輸和資料整理的自動(dòng)化。目前，國(guó)內(nèi)很多水電工程都實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)自動(dòng)化。

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，隨著筑壩高度的不斷增加，已有多座200 m級(jí)高面板堆石壩的水平垂直位移計(jì)長(zhǎng)度超過(guò)400 m后，出現(xiàn)位移計(jì)失效問(wèn)題而不能滿(mǎn)足監(jiān)測(cè)要求；水庫(kù)蓄水后，存在上游水下面板表面位移點(diǎn)不能監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。針對(duì)超高混凝土面板堆石壩，需從傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的適用性、監(jiān)測(cè)新技術(shù)的研制和開(kāi)發(fā)等方面進(jìn)行系統(tǒng)的研究。因此需盡快研發(fā)大尺度水平垂直位移監(jiān)測(cè)設(shè)施，其適應(yīng)變形的能力和技術(shù)可靠性需進(jìn)一步提高并找出解決方案。深厚覆蓋層上面板堆石壩滲流量的監(jiān)測(cè)方法和設(shè)施也需進(jìn)一步摸索和發(fā)展。監(jiān)測(cè)自動(dòng)化也要適應(yīng)高面板堆石壩的建設(shè)而快速發(fā)展。

2　面板堆石壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)手段

根據(jù)DL/T 5259-2010《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的要求，面板堆石壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形、滲流、應(yīng)力等。在合適的典型監(jiān)測(cè)斷面上，變形、滲流、應(yīng)力等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)宜結(jié)合布置，互相校驗(yàn)。典型橫向監(jiān)測(cè)斷面宜選在最大壩高、地基突變、地質(zhì)條件復(fù)雜等部位，一般不宜少于3個(gè)?？v斷面一般不少于4個(gè)，通常在壩頂?shù)纳舷掠蝹?cè)布設(shè)1～2個(gè)斷面，下游壩坡1/2壩高以上布設(shè)1～3個(gè)斷面，以下布設(shè)1～2個(gè)斷面。在每個(gè)觀測(cè)橫斷面和縱斷面交點(diǎn)處布設(shè)表面變形觀測(cè)點(diǎn)。典型縱向監(jiān)測(cè)斷面可由橫向監(jiān)測(cè)斷面上的測(cè)點(diǎn)構(gòu)成，必要時(shí)可根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)情況增設(shè)縱向監(jiān)測(cè)斷面。

面板堆石壩由面板-趾板-接縫止水組成的防滲體系和堆石壩體兩部分構(gòu)成，面板和堆石壩體是兩個(gè)材料不同、剛度與質(zhì)量相差懸殊的結(jié)構(gòu)物，因此面板與堆石壩體的變形協(xié)調(diào)及其相互作用是影響面板工作性狀的關(guān)鍵。此外，面板堆石壩的滲流控制極為重要，需要重點(diǎn)監(jiān)測(cè)有無(wú)發(fā)生通過(guò)面板裂縫或因面板破碎、接縫張開(kāi)或損壞引起的嚴(yán)重滲漏，以及滲流對(duì)壩體材料的沖蝕。所以混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)的重點(diǎn)是壩體變形、接縫位移、面板變形和應(yīng)力以及滲透壓力和滲流量。

面板堆石壩最主要的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目是變形與滲流，其中內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)是面板堆石壩安全監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目之一，大壩施工期能采集到有效沉降數(shù)據(jù)，對(duì)控制筑壩速度、保證施工質(zhì)量、合理調(diào)配施工機(jī)械等具有指導(dǎo)性的作用；運(yùn)行期如果大壩沉降過(guò)大，就有可能發(fā)生裂縫和滑坡破壞。沉降變形是反映堆石壩工作性態(tài)是否正常的最主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目之一。以往工程實(shí)踐及研究表明，在高水頭作用下，面板周邊縫將產(chǎn)生復(fù)雜的三向位移，使周邊縫成為漏水通道。一旦止水結(jié)構(gòu)被破壞，面板堆石壩將會(huì)在高水頭作用下沿周邊縫漏水，造成嚴(yán)重的滲漏問(wèn)題，繼而引發(fā)堆石體不均勻沉降、壩體局部或大面積失穩(wěn)，甚至引起滲透破壞。因此，為了保證大壩的安全運(yùn)行，需要對(duì)面板堆石壩內(nèi)部變形及滲流進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，掌握壩體、周邊縫等在各階段的工作狀態(tài)，為大壩安全評(píng)估及預(yù)報(bào)提供可靠的監(jiān)測(cè)資料。面板堆石壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及監(jiān)測(cè)手段見(jiàn)表1。

從天生橋一級(jí)、洪家渡、水布埡等工程的實(shí)際監(jiān)測(cè)情況看，目前的監(jiān)測(cè)手段基本能滿(mǎn)足200 m級(jí)面板堆石壩的監(jiān)測(cè)要求，達(dá)到指導(dǎo)筑壩施工和設(shè)計(jì)反饋的目的。

表1　面板堆石壩主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目及其監(jiān)測(cè)手段Table 1 Main monitoring items and instruments for face slab rockfill dam

3　已建典型面板堆石壩的監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

3.1變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1.1外部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

面板堆石壩變形監(jiān)測(cè)主要包括外部變形、內(nèi)部變形和接縫變形等。外部變形監(jiān)測(cè)手段已較成熟，一般采用在大壩表面布置變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，采用視準(zhǔn)線法、邊角網(wǎng)法，通過(guò)測(cè)量?jī)x器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

面板堆石壩外部變形觀測(cè)的測(cè)量?jī)x器主要采用光學(xué)水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，外部變形監(jiān)測(cè)儀器在測(cè)量精度、方便適用、自動(dòng)化等方面都有了持續(xù)的改進(jìn)。如高精度的水準(zhǔn)儀和全站儀，以及有“測(cè)量機(jī)器人”之稱(chēng)的全自動(dòng)全站儀；GNSS系統(tǒng)雖測(cè)量精度相對(duì)較低，但對(duì)測(cè)點(diǎn)與基點(diǎn)間無(wú)通視要求，可以用于變形量較大的高面板堆石壩的觀測(cè)；光纖陀螺儀等適合全天候自動(dòng)監(jiān)測(cè)的新型儀器設(shè)備也在研究和應(yīng)用中。

GNSS系統(tǒng)測(cè)量在國(guó)際上尚屬于前沿課題，具有速度快、自動(dòng)化、全天候以及測(cè)點(diǎn)之間無(wú)需通視等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)已做了一些探索性的研究工作。隨著接收機(jī)硬件性能和軟件處理技術(shù)的提高，近年來(lái)GNSS定位技術(shù)已在大壩測(cè)量、地殼變形監(jiān)測(cè)、精密工程測(cè)量等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用性能優(yōu)良的接收機(jī)和較好的數(shù)據(jù)處理軟件，平差后點(diǎn)位的平面位置精度為1～2 mm，高程精度為2～3 mm。影響GPS定位精度的因素有很多，還應(yīng)針對(duì)具體內(nèi)容采取相應(yīng)的措施，減小誤差，進(jìn)一步提高精度。目前GPS一機(jī)多線技術(shù)也得到迅速發(fā)展，可大大降低成本。

自從1976年美國(guó)猶他大學(xué)的VALI和SHORT?HILL等人成功研制第1個(gè)光纖陀螺（fiber-optic gy?roscope，F(xiàn)OG）以來(lái)，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展了近40年。采用光纖陀螺儀監(jiān)測(cè)高壩面板撓度，解決了傳統(tǒng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)高壩面板撓度變形精度較低的問(wèn)題。光纖陀螺儀是當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，在不同的前進(jìn)方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對(duì)于環(huán)路在靜止時(shí)的光程都會(huì)產(chǎn)生變化，利用光程的變化，檢測(cè)出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測(cè)出光路旋轉(zhuǎn)角速度，能夠精確地確定運(yùn)動(dòng)物體的方位。光纖陀螺儀為全固態(tài)，沒(méi)有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長(zhǎng)，動(dòng)態(tài)范圍大、瞬時(shí)啟動(dòng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、成本低等特點(diǎn)。

3.1.2內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)

面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)包括分層垂直位移、分層水平位移監(jiān)測(cè)等，主要采用水管式沉降儀和引張線式水平位移計(jì)觀測(cè)。

水管式沉降儀適用于長(zhǎng)期觀測(cè)面板堆石壩、土堤、邊坡等土體內(nèi)部的沉降，是了解被測(cè)物體穩(wěn)定性的有效監(jiān)測(cè)設(shè)備。水管式沉降儀的測(cè)量原理簡(jiǎn)單，測(cè)量結(jié)果直觀。水管式沉降儀由沉降測(cè)頭、管路、測(cè)量柜等組成。

引張線式水平位移計(jì)適用于長(zhǎng)期觀測(cè)面板堆石壩堆石體內(nèi)部的位移。引張線式水平位移計(jì)可單獨(dú)安裝，也可與水管式沉降儀一起安裝并進(jìn)行觀測(cè)。引張線式水平位移計(jì)的監(jiān)測(cè)原理簡(jiǎn)單，測(cè)值直觀可靠。儀器主要由錨固板、銦合金鋼絲、保護(hù)鋼管、伸縮接頭、測(cè)量架、配重機(jī)構(gòu)、讀數(shù)游標(biāo)卡尺等組成。

3.1.3國(guó)內(nèi)高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用情況

中國(guó)已建成的200 m級(jí)面板堆石壩壩體內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀布置大多采用三個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)高程設(shè)置間距在40 m左右一層，每層測(cè)點(diǎn)間距大多在40～50 m之間。國(guó)內(nèi)部分典型高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)施布置統(tǒng)計(jì)情況見(jiàn)表2。從多年的監(jiān)測(cè)成果看，面板堆石壩內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器的運(yùn)行情況總體較好，測(cè)值基本能反映各部位堆石體的實(shí)際變形情況。

3.2滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

堆石壩的滲漏比較復(fù)雜，一般通過(guò)壩體和壩基滲漏。壩體滲漏包括周邊縫、垂直縫、面板混凝土裂縫滲漏等，壩基滲漏包括帷幕或防滲墻的基礎(chǔ)滲漏。在面板堆石壩工程中，監(jiān)測(cè)滲漏水的來(lái)源對(duì)評(píng)價(jià)大壩運(yùn)行狀況具有特別重要的作用。滲流監(jiān)測(cè)主要包括壩體及壩基滲流、繞壩滲流和滲流量等內(nèi)容。

常規(guī)的滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)比較成熟，壩體壩基滲流一般采用滲壓計(jì)觀測(cè)，繞壩滲流采用地下水位孔觀測(cè)，滲流量采用量水堰觀測(cè)。已建的高面板堆石壩多監(jiān)測(cè)壩后滲流總量，在大壩下游坡腳設(shè)置截水墻或防滲墻，在截水墻或防滲墻頂布置量水堰。對(duì)設(shè)置截水墻或防滲墻監(jiān)測(cè)總滲流量有困難，或深覆蓋層地基的面板堆石壩，可通過(guò)在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，測(cè)得不同高程分區(qū)的滲流量，從而了解堆石壩的滲流情況，應(yīng)用實(shí)例如下。

3.2.1水布埡面板堆石壩

水布埡面板堆石壩采用準(zhǔn)分布式光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)周邊縫滲流進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)，以期快速準(zhǔn)確地探明滲漏所在位置，及時(shí)消除安全隱患。堆石壩光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖見(jiàn)圖1。

圖1　光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置示意圖Fig.1 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system

水布埡面板堆石壩光纖光柵滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器、信號(hào)處理器、輔助電纜加熱系統(tǒng)等組成。系統(tǒng)在大壩中的布置見(jiàn)圖2。水布埡面板堆石壩周邊縫防滲監(jiān)測(cè)范圍達(dá)1 200 m，分布式光纖光柵測(cè)溫系統(tǒng)沿周邊縫每100 m一段，每段構(gòu)成一個(gè)測(cè)量單元，共劃分10個(gè)測(cè)量單元，每個(gè)單元內(nèi)放置50～80個(gè)光纖光柵測(cè)溫傳感器，間距1.5～3 m，共設(shè)618個(gè)傳感器。由于水布埡面板堆石壩高233 m，水庫(kù)深處水溫較低，為能準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)到較小流量的滲漏，系統(tǒng)配備了光纜加熱裝置。

表2　國(guó)內(nèi)面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)設(shè)施布置情況表Table 2 Statistics of monitoring measures for inner deformation of domestic face slab rockfill dams

每個(gè)監(jiān)測(cè)段的光纖光柵傳感器相互串接，前后兩端各用一根光纜引入控制室，一端接信號(hào)處理器，一端備用。即使傳感器引線或者傳輸光纜發(fā)生意外損壞（如斷裂），可改用備用端檢測(cè)斷點(diǎn)后面的探頭信號(hào)，系統(tǒng)仍能正常工作。傳感器的位置編號(hào)與大壩周邊的位置坐標(biāo)相對(duì)應(yīng)輸入計(jì)算機(jī)，一旦檢測(cè)到滲漏信號(hào)即可顯示滲漏位置。該方法的優(yōu)點(diǎn)是可監(jiān)測(cè)任意部位并同時(shí)監(jiān)測(cè)很多部位，缺點(diǎn)是無(wú)法對(duì)滲流情況進(jìn)行定量監(jiān)測(cè)，只能確定滲漏部位。

圖2　水布埡面板堆石壩光纖光柵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置圖Fig.2 Distribution of Fiber Bragg Grating monitoring system at Shuibuya face slab rockfill dam

3.2.2洪家渡面板堆石壩

由于深厚覆蓋層及高尾水變幅的工程難以設(shè)置量水堰，故宜采用分區(qū)的方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，即將面板及周邊縫、兩岸繞壩滲流等滲漏分區(qū)監(jiān)測(cè)，洪家渡面板堆石壩的滲流就采用此方法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

在兩岸坡設(shè)截水溝，將滲流量集中引入下游分量水堰，下游設(shè)總量水堰。截水溝蓋板為帶漏水通道的預(yù)制板，蓋板與面板堆石壩間采用塑料盲溝材作反濾保護(hù)。濾材效果好、體積小、施工方便。洪家渡面板堆石壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意圖見(jiàn)圖3。

分區(qū)監(jiān)測(cè)滲流量的優(yōu)點(diǎn)為：一是準(zhǔn)確可掌握各部位的滲流量，給監(jiān)控大壩安全運(yùn)行提供可靠的保障；二是在滲流量發(fā)生突變時(shí)，可確定發(fā)生滲漏的大致部位，縮小查找范圍，避免盲目性；三是可分別檢驗(yàn)左右岸防滲效果、周邊縫的止水效果、混凝土面板的防滲狀況效果。

對(duì)設(shè)置總量水堰有困難或深覆蓋層地基的面板堆石壩工程，可通過(guò)設(shè)置截水溝分別準(zhǔn)確觀測(cè)兩岸的滲流量，還可在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，獲得不同高程分區(qū)的趾板滲透和岸坡繞滲的滲流量，可降低施工難度和工程造價(jià)。

3.3高面板堆石壩常規(guī)監(jiān)測(cè)技術(shù)存在的問(wèn)題

3.3.1壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)施工工藝

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)部位高程沿線的土建施工工作量大，投入機(jī)械多，施工期較長(zhǎng)，且壩體填筑施工干擾大。儀器安裝埋設(shè)工藝要求較高，需對(duì)測(cè)頭和管路進(jìn)行有效保護(hù)，管路連接需牢固可靠。儀器安裝埋設(shè)受壩體分區(qū)影響較大，不易獲取全過(guò)程變形數(shù)據(jù)。為使監(jiān)測(cè)資料連續(xù)，需設(shè)置臨時(shí)觀測(cè)房，引張線水平位移計(jì)的鋼絲安裝技術(shù)要求則更高。

3.3.2監(jiān)測(cè)儀器自身存在的缺陷

圖3　洪家渡面板堆石壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意圖Fig.3 Distribution of cut-off wall and measuring weir of Hongjiadu face slab rockfill dam

引張線式水平位移計(jì)：由于面板堆石壩沉降呈中部沉降大、上下游側(cè)沉降小的分布特征，引張線沿安裝高程必然呈凹狀分布，而沿程不均勻變形必然導(dǎo)致引張線線體回縮，導(dǎo)致產(chǎn)生測(cè)量誤差，目前面板堆石壩均無(wú)法消除此誤差，大壩變形越大，誤差越大。對(duì)于300 m級(jí)高面板堆石壩，安裝在底部的引張線水平位移計(jì)全長(zhǎng)將超過(guò)900 m，引張線沿程阻力將大幅度增加，傳統(tǒng)鋼絲配套重錘重量必然成數(shù)倍增加，鋼絲被拉斷幾率大大增加。

水管式沉降儀：由于面板堆石壩沉降的特點(diǎn)是壩體中部沉降大、上下游側(cè)沉降小，位于面板下部沉降測(cè)點(diǎn)所引管線沿程也呈凹形分布，在沉降最大部位至觀測(cè)房必然形成“倒坡”，管路中容易產(chǎn)生氣泡，且長(zhǎng)管線易造成回水困難，最終導(dǎo)致觀測(cè)無(wú)法正常進(jìn)行。目前水管式沉降儀所采用水管直徑在10 mm左右，在長(zhǎng)管線上液體的沿程阻力成倍增加，勢(shì)必造成觀測(cè)困難。如按照水管式沉降儀1%坡度的埋設(shè)要求，長(zhǎng)管線對(duì)觀測(cè)房的最低高度、管路沿程埋設(shè)開(kāi)挖最大深度要求高，其施工干擾和埋設(shè)難度較高。另外，觀測(cè)程序和維護(hù)措施復(fù)雜，要求觀測(cè)人員具備較高的技術(shù)素質(zhì)，若有不當(dāng)，就會(huì)造成測(cè)量系統(tǒng)失常。

4　展望

4.1先進(jìn)的表面變形監(jiān)測(cè)技術(shù)應(yīng)用

4.1.1GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

面板堆石壩傳統(tǒng)的表面變形監(jiān)測(cè)采用視準(zhǔn)線法。視準(zhǔn)線法觀測(cè)和計(jì)算簡(jiǎn)便，但易受外界影響，當(dāng)視線不長(zhǎng)時(shí)，其觀測(cè)精度較高，較為適用。

近半個(gè)世紀(jì)以來(lái)，隨著衛(wèi)星測(cè)量技術(shù)的發(fā)展，特別是全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)GNSS（Global Navigation Sat?ellite System）的成功建立和應(yīng)用，測(cè)繪業(yè)經(jīng)歷了一場(chǎng)深刻的技術(shù)革命。現(xiàn)在衛(wèi)星通信和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）已廣泛應(yīng)用于各個(gè)行業(yè)，隨著GNSS定位精度的提高，GNSS技術(shù)已逐步應(yīng)用于水電工程中，如隔河巖水電站重力拱壩、拉西瓦水電站壩肩邊坡、小灣水電站拱壩、糯扎渡水電站心墻堆石壩及近壩庫(kù)岸滑坡體等均采用GNSS技術(shù)進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。

與常規(guī)方法相比，GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有的優(yōu)勢(shì)為：不受氣候等外界條件影響，可全天候監(jiān)測(cè)；所有變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)時(shí)間同步，能客觀反映某一時(shí)刻建筑物各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形狀況；可同步測(cè)出監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移和垂直位移；可實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

糯扎渡水電站為了實(shí)現(xiàn)大壩表面變形的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，大壩表面變形監(jiān)測(cè)除采用GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)外，還采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行對(duì)比監(jiān)測(cè)，提高了監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)覆蓋面。測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)站與變形監(jiān)測(cè)網(wǎng)點(diǎn)結(jié)合布置在左右岸坡，基點(diǎn)采用控制網(wǎng)點(diǎn)和GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行雙重校核。觀測(cè)點(diǎn)為視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)，在每個(gè)測(cè)點(diǎn)處布置一個(gè)360°棱鏡和一根GPS天線，通過(guò)自動(dòng)照準(zhǔn)觀測(cè)測(cè)點(diǎn)位移。測(cè)量機(jī)器人和GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)值可相互校核。

GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)投入觀測(cè)后，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與前期人工觀測(cè)能夠?qū)崿F(xiàn)平順銜接，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)可信，目前系統(tǒng)運(yùn)行正常穩(wěn)定。整個(gè)系統(tǒng)的觀測(cè)精度基本能滿(mǎn)足規(guī)范±3 mm的要求。

鑒于GNSS監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備諸多的優(yōu)點(diǎn)，且已在一些實(shí)際水電工程中得到成功應(yīng)用，將來(lái)對(duì)于300 m級(jí)高面板堆石壩，在地形及衛(wèi)星信號(hào)接收得到可靠保障的條件下，有可能大力推廣使用。

4.1.2雷達(dá)干涉（INSAR）技術(shù)

合成孔徑雷達(dá)干涉測(cè)量技術(shù)（INSAR，Interfero?metric Synthetic Aperture Radar，簡(jiǎn)稱(chēng)干涉雷達(dá)測(cè)量）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過(guò)求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對(duì)地觀測(cè)的新技術(shù)。

面板堆石壩在各個(gè)時(shí)期都不可避免會(huì)發(fā)生變形，當(dāng)變形超過(guò)一定范圍時(shí)就會(huì)影響堆石壩的正常使用，成為安全隱患。SAR干涉測(cè)量技術(shù)可以提供遠(yuǎn)距離、大范圍的變形監(jiān)測(cè)結(jié)果，有利于對(duì)壩體變形的性質(zhì)、范圍等進(jìn)行準(zhǔn)確判斷。相對(duì)于傳統(tǒng)的基于離散點(diǎn)的變形測(cè)量方式，SAR干涉測(cè)量技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)大范圍的連續(xù)覆蓋，更有利于分析目標(biāo)的區(qū)域變形分布情況和發(fā)展規(guī)律，同時(shí)非接觸式的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)模式避免監(jiān)測(cè)人員進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域，可全天時(shí)全天候開(kāi)展監(jiān)測(cè)工作，不受天氣、環(huán)境等因素影響。

4.2新型內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)研發(fā)

4.2.1長(zhǎng)距離新型水平位移計(jì)和沉降儀應(yīng)用研究

堆石體內(nèi)部長(zhǎng)距離變形監(jiān)測(cè)是面板堆石壩監(jiān)測(cè)需要解決的主要難題之一，對(duì)于200 m級(jí)堆石壩，其監(jiān)測(cè)管線長(zhǎng)度在400～500 m之間，已是相關(guān)監(jiān)測(cè)材料設(shè)備和施工工藝的極限，在實(shí)際使用過(guò)程中已出現(xiàn)過(guò)了諸多問(wèn)題。而對(duì)300 m級(jí)面板堆石壩，1 000 m左右的管線長(zhǎng)度應(yīng)考慮采用新的方法才能滿(mǎn)足工程監(jiān)測(cè)需要?；诟呙姘宥咽瘔谓ㄔO(shè)及安全性監(jiān)測(cè)的需要，國(guó)內(nèi)有關(guān)單位擬在深入研究高面板堆石壩的工作特性及運(yùn)行機(jī)理的基礎(chǔ)上，結(jié)合已開(kāi)展的新傳感產(chǎn)品──柔性固定式測(cè)斜儀研發(fā)工作，專(zhuān)門(mén)針對(duì)300 m級(jí)高壩開(kāi)展長(zhǎng)距離水平位移計(jì)和沉降儀相關(guān)的新型儀器設(shè)備應(yīng)用研究。通過(guò)深入的研究和試驗(yàn)，可為300 m級(jí)高壩的內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)提供有效的解決途徑，填補(bǔ)高壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)技術(shù)方面的空白，同時(shí)為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)和施工提供具有借鑒意義的技術(shù)解決方案并研制出相應(yīng)的監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備。

4.2.2堆石體內(nèi)管道機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

管道機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一種“直接測(cè)量”的方法，其原理為：在壩體內(nèi)部布設(shè)能夠與壩體同步變形的專(zhuān)用監(jiān)測(cè)管道，作為測(cè)量機(jī)器人的行進(jìn)通道。將經(jīng)過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的變形測(cè)量機(jī)器人送入管道內(nèi)，由其按設(shè)置的程序在管道內(nèi)自動(dòng)行進(jìn)，并利用配備的各種監(jiān)測(cè)儀器，自動(dòng)檢測(cè)管路沿程各測(cè)點(diǎn)垂直和水平方向的變形信息，同時(shí)將采集的所有數(shù)據(jù)傳送給外部監(jiān)控計(jì)算機(jī)；經(jīng)對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，可得出大壩內(nèi)部各監(jiān)測(cè)部位測(cè)點(diǎn)的變形值。管道測(cè)量機(jī)器人見(jiàn)圖4。

圖4　管道測(cè)量機(jī)器人Fig.4 Measurement robot

由于監(jiān)測(cè)管路中沒(méi)有設(shè)置“水管”和“引張線”，測(cè)量機(jī)器人可在管路中自由行進(jìn)，可測(cè)量任意設(shè)定位置的變形情況，測(cè)點(diǎn)數(shù)量不受限制，故其也可稱(chēng)為“分布式”測(cè)量系統(tǒng)，可滿(mǎn)足200～300 m級(jí)高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)的需要。管道機(jī)器人監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與現(xiàn)有的“引張線式”和“水管式”監(jiān)測(cè)方法相比，其設(shè)備簡(jiǎn)化、操作簡(jiǎn)單、成本低廉，一座大壩只需一臺(tái)機(jī)器人設(shè)備就可以對(duì)所有管道進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如推廣該項(xiàng)技術(shù)成果，可以有效取代目前常用的測(cè)量方法，同時(shí)可提高測(cè)量精度和效率，也降低了成本，應(yīng)用前景廣大。

4.3滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)的改進(jìn)

傳統(tǒng)的滲流監(jiān)測(cè)技術(shù)已較為成熟，使用效果較好，在300 m級(jí)面板堆石壩中使用不存在技術(shù)問(wèn)題，應(yīng)繼續(xù)作為主要監(jiān)測(cè)手段。近年來(lái)，光纖光柵傳感器已得到了一定的應(yīng)用，但在觀測(cè)原理、儀器率定檢測(cè)、施工工藝等方面仍有改進(jìn)和提升的空間，可作為滲流監(jiān)測(cè)的輔助手段。

4.4監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能反饋與預(yù)測(cè)系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐應(yīng)用，大壩監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能反饋與預(yù)測(cè)系統(tǒng)研究已取得了較豐富的成果，目前正在開(kāi)展高面板堆石壩監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)智能反饋與預(yù)測(cè)系統(tǒng)的研究。研究的主要目的和內(nèi)容為基于已有科研成果及現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)資料，提出蓄水期、運(yùn)行期的安全評(píng)價(jià)指標(biāo)；對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析及合理評(píng)價(jià)，考慮時(shí)空效應(yīng)結(jié)合多尺度有限元計(jì)算進(jìn)行反演分析，獲得大壩材料的合理參數(shù)，對(duì)大壩進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，并預(yù)測(cè)大壩在不同工況下的運(yùn)行性態(tài)及安全裕度；根據(jù)監(jiān)測(cè)資料分析成果修正完善不同時(shí)期各級(jí)警戒值和安全評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與措施，同時(shí)為提高大壩安全監(jiān)測(cè)的管理水平提供技術(shù)支撐。

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作者郵箱：1009022968@qq.com

Title:Progress and prospect of key technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China//by ZOU Qing//PowerChina Kunming Engineering Corporation Limited

Abstract:Referring to the key monitoring technologies in safety monitoring of high face slab rockfill dams in China and abroad as well as their application，the safety monitoring technologies used on domes?tic 200 m high face slab rockfill dams are studied.The technical characteristics and difficulties are sum?marized，the monitoring efficiency and existing problems are analyzed and engineering experience is ac?cumulated，which lays a foundation for the improvement of safety monitoring technologies for 300 m high face slab rockfill dams.

Key words:high face slab rockfill dam；safety monitoring；key technology；progress and prospect

中圖分類(lèi)號(hào)：TV697.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1671-1092（2016）01-0050-07

收稿日期：2015-10-18

作者簡(jiǎn)介：鄒 青（1969-），男，高級(jí)工程師，主要從事水電工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)與技術(shù)管理工作。