徐朝勇，譚愷炎，胡升偉，宋三紅，王 輝

（1.葛洲壩集團(tuán)試驗檢測有限公司，湖北宜昌，443002；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610072；3.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川康定，626005）

猴子巖面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)

徐朝勇1，譚愷炎1，胡升偉2，宋三紅3，王 輝1

（1.葛洲壩集團(tuán)試驗檢測有限公司，湖北宜昌，443002；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川成都，610072；3.國電大渡河猴子巖水電建設(shè)有限公司，四川康定，626005）

猴子巖面板堆石壩位于地形復(fù)雜的“深切型”不對稱河谷，壩體后期變形較大?？煽?、穩(wěn)定的安全監(jiān)測系統(tǒng)是大壩的關(guān)鍵性技術(shù)問題。在總結(jié)常規(guī)監(jiān)測技術(shù)的基礎(chǔ)上，猴子巖工程引進(jìn)光纖陀螺、磁慣導(dǎo)、光纖測滲漏等新型面板堆石壩監(jiān)測技術(shù)，建立了一套完善的安全監(jiān)測系統(tǒng)。筆者介紹了壩體水平垂直位移、面板撓度、滲流滲壓三個監(jiān)測項目，分析了各監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用原理，供類似水電工程借鑒。

猴子巖面板堆石壩；安全監(jiān)測；常規(guī)技術(shù)；光纖陀螺系統(tǒng)；磁慣導(dǎo)系統(tǒng)；光纖傳感技術(shù)

1 工程概況

猴子巖水電站位于四川省甘孜藏族自治州康定縣境內(nèi)，是大渡河干流梯級開發(fā)規(guī)劃“三庫22級”的第9級電站[1]。電站采用堤壩式開發(fā)，攔河壩為混凝土面板堆石壩，最大設(shè)計壩高223.50 m，是目前世界上已建和在建同類型中的第二高壩。無論工程規(guī)模還是技術(shù)難度，猴子巖工程都處于世界前列，當(dāng)然也伴隨著巨大的失事風(fēng)險。尋求可靠的安全監(jiān)測系統(tǒng)，及時掌握壩體性態(tài)變化顯得十分必要[2]。猴子巖大壩設(shè)計了一套完整的安全監(jiān)測系統(tǒng)，技術(shù)復(fù)雜，種類繁多。針對面板堆石壩這種壩型，筆者選擇了壩體水平垂直位移、面板撓度、滲流滲壓三個具有代表性的重點監(jiān)測項目進(jìn)行分析介紹。

2 壩體水平垂直位移監(jiān)測

高面板堆石壩內(nèi)部水平垂直位移是規(guī)范要求的必測項目，為大壩安全運(yùn)行提供重要依據(jù)。施工期的臨時觀測還可以一定程度反映大壩填筑質(zhì)量，發(fā)揮質(zhì)量評定、指導(dǎo)施工等工程效益[3]。目前應(yīng)用最廣泛的土石壩水平垂直位移常規(guī)監(jiān)測技術(shù)是引張線水平位移計和水管式沉降儀，通常兩者成對埋設(shè)，組成水平垂直位移計[4]。在此基礎(chǔ)上，猴子巖大壩還引進(jìn)了光纖陀螺（FOG）和磁慣導(dǎo)兩種分布式測量技術(shù)，與某一斷面的常規(guī)儀器同步埋設(shè)，點線結(jié)合，相互校核。

2.1 常規(guī)水平垂直位移計

猴子巖面板堆石壩在4個監(jiān)測斷面上總共布置了96組水平垂直位移計：左岸0+87.5斷面分別沿高程1 713 m、1 743 m、1 773 m和1 803 m布設(shè)了4條測線20對測點；右岸0+207.5斷面分別沿高程1 773 m和1 803 m布設(shè)了2條測線12對測點；0+117.5斷面與0+162.8斷面分別沿著高程1 713 m、1 743 m、1 773 m和1 803 m共布設(shè)了64對測點，如圖1所示，每條測線第一個測點埋設(shè)于墊層料內(nèi)，第二個測點埋設(shè)于過渡料區(qū)域，其余測點按30 m或45 m等距埋設(shè)于主堆石區(qū)。2015年12月，猴子巖大壩填筑至壩頂，引張線水平位移計測得的壩體水平位移在-33～65 mm，位移量在同類壩型中偏小，位移方向基本符合堆石體一般變形規(guī)律。水管式沉降儀測得的壩體最大沉降1 105 mm，發(fā)生在高程1 713 m的0+162.8斷面，占壩高比例為0.49%。國內(nèi)外一些面板堆石壩竣工時壩體最大沉降分布在0.4%～2.24%之間，猴子巖大壩最大沉降在上述范圍以內(nèi)，且處于較低水平。

圖1 猴子巖水平垂直位移計0+162.8斷面埋設(shè)示意圖Fig.1 Distribution of the vertical and horizontal displacement gauges on section 0+162.8

2.2 光纖陀螺儀

光纖陀螺儀（FOG）是一種連續(xù)性分布式變形觀測技術(shù)，于1999年開始研究其在大壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用，至今已成功應(yīng)用于多個大型面板堆石壩工程，已經(jīng)有大量文章闡述這種技術(shù)的可行性，更有文章驗證該技術(shù)可靠性高于一般常規(guī)儀器[5]。FOG由三軸陀螺儀組成的載體和埋入壩體的運(yùn)行管道組成，通過解算小車在管道內(nèi)的運(yùn)行軌跡得到壩體變形量。與光纖陀螺導(dǎo)航原理相同的是，載體運(yùn)行過程中，三軸陀螺動態(tài)地提供陀螺儀載體的姿態(tài)角變化，不同的是，該姿態(tài)角并不提供導(dǎo)航，而是進(jìn)行載體運(yùn)動軌跡的解算。

FOG變形觀測的基本原理如圖2所示，管道的變形會使載體運(yùn)動發(fā)生水平傾角變化，當(dāng)載體保持勻速時，管道的變形量與傾角的變化成正比，通過一定的數(shù)學(xué)模型即可解算出載體連續(xù)運(yùn)動軌跡，最后通過水準(zhǔn)測量管口的絕對高程將運(yùn)動軌跡轉(zhuǎn)換成壩體的沉降。猴子巖大壩在1 803 m高程布置了一條FOG測線，F(xiàn)OG運(yùn)行管道與0+117.5斷面的水平垂直位移計埋設(shè)在同一溝槽內(nèi)。經(jīng)過多年的研發(fā)，光纖陀螺技術(shù)在原基礎(chǔ)上有了大量的改進(jìn)，主要表現(xiàn)在：

圖2 FOG測量原理示意圖Fig.2 Monitoring principle of FOG

（1）陀螺儀。隨著光纖傳感技術(shù)進(jìn)步，陀螺儀本身的性能更為良好。在此基礎(chǔ)上，猴子巖工程專門研制了一種適用于大壩變形監(jiān)測的低動態(tài)、高精度、小體積的光纖陀螺。

（2）測量管道。對原系統(tǒng)普通鋼管采取內(nèi)外熱鍍鋅防銹措施，延長使用壽命；優(yōu)化波紋管接頭結(jié)構(gòu)及內(nèi)部涂層料及連接技術(shù)，提高測量管道整體柔韌性，同時使小車載體更加平滑地運(yùn)動，管道的變形更加貼近實際壩體變形。

（3）牽引裝置。載體小車通過卷揚(yáng)機(jī)牽引制動，卷揚(yáng)機(jī)轉(zhuǎn)速一定，但鋼絲繩盤起的直徑會不斷增大，線速度會有所變化。為消除該誤差，牽引裝置增加了加速度計，與陀螺儀同步配套使用，結(jié)合加速度測值進(jìn)行修正計算。

（4）計算方法。通過小波分析對光纖陀螺進(jìn)行濾波降噪，抑制陀螺振動及漂移誤差，取載體的最優(yōu)測量值，提高了計算精度。

2.3 磁慣導(dǎo)系統(tǒng)

磁慣導(dǎo)系統(tǒng)是在光纖陀螺儀系統(tǒng)基礎(chǔ)上開發(fā)的新技術(shù)，只是將原裝置的光纖陀螺更換成三軸磁通門與三軸加速度計，利用恒定重力場與大地磁場獲取載體在行走過程中的三維姿態(tài)變化，再通過數(shù)學(xué)模型解算出運(yùn)動軌跡，如圖3所示。

猴子巖大壩在1 773 m和1 803 m高程分別布置了一條磁慣導(dǎo)測線，測量管道分別與0+117.5和0+162.8斷面的水平垂直位移計埋設(shè)在同一溝槽。相比光纖陀螺儀系統(tǒng)，磁慣導(dǎo)技術(shù)主要的系統(tǒng)突破表現(xiàn)在：

圖3 磁慣導(dǎo)測量原理示意圖Fig.3 Monitoring principle of magnetic technology

（1）集成的測量載體體積大幅減小，可以使用直徑更小的測量管道。猴子巖大壩埋入的磁慣導(dǎo)系統(tǒng)測量管道直徑110 mm，比光纖陀螺測量管道縮小了一半，降低了施工強(qiáng)度，也節(jié)約了成本。

（2）重力場與磁場在局部范圍恒定，測量過程不需要考慮溫差，不受測量時間限制，測量結(jié)果不需要進(jìn)一步處理。

（3）預(yù)埋測量管道的波紋管段均綁縛了永久性磁鐵，測量載體穿行時可以對該永久性磁鐵定位，通過前后兩次定位可以得到磁性環(huán)代表區(qū)域的水平位移。

3 面板撓度測量

混凝土面板的撓度變化直接反映大壩的安全運(yùn)行情況，撓度監(jiān)測是重要的監(jiān)測項目，常規(guī)監(jiān)測手段是在某一斷面的面板鋼筋網(wǎng)上布置固定式測斜儀。測斜儀布設(shè)間距是一個難以權(quán)衡的問題，間距過大則測量精度不高，間距過小則成本高。且儀器在蓄水后會承受較大的水壓，運(yùn)行環(huán)境惡劣，儀器失效率高。撓度監(jiān)測計算方法是以底部第一支儀器為起點，向上依次推算各部位的撓度值，中間某一支失效后，增加計算誤差必然累計至后面的每一個測點。為保證長期、可靠觀測大壩面板撓度，猴子巖工程對常規(guī)監(jiān)測技術(shù)做出了改進(jìn)，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)保護(hù)措施，同時增加了FOG與磁慣導(dǎo)兩種新型監(jiān)測手段。

3.1 固定式測斜儀

固定式測斜儀測量面板撓度通常是在混凝土澆筑前直接將儀器綁縛于鋼筋，待混凝土澆筑完成后一段時間內(nèi)取基準(zhǔn)值。這種方法埋設(shè)的儀器承受了混凝土內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變，可能因此遭到損壞，且測量結(jié)果有局部代表性。猴子巖大壩面板撓度監(jiān)測采用進(jìn)口固定式測斜儀，具有良好的耐水壓性能，精度較高。預(yù)埋的PVC測斜管不僅給儀器增加了一層保護(hù)，且很好地解決了局部代表性問題。如圖4所示，儀器以6 m為間距，通過導(dǎo)輪與測桿卡在導(dǎo)輪中間，導(dǎo)輪間距也是6 m。這種結(jié)構(gòu)的設(shè)計意圖是，測斜管的傾角變化以6 m為一個單位，儀器測量的是該單位6 m管道的整體傾角變化，而不是一個點的角度變化，測量結(jié)果更加符合撓度計算的正弦法則。

圖4 面板測斜儀安裝示意圖Fig.4 Installation of the inclinometer in concrete face slab

3.2.FOG與磁慣導(dǎo)技術(shù)

猴子巖大壩在0+117.5與0+162.8斷面分別布設(shè)了一條FOG和磁慣導(dǎo)測線。測量管道直徑較大，因此不宜裝在面板混凝土內(nèi)，而是對面板下沿的擠壓邊墻開槽埋設(shè)。測量管道緊貼面板混凝土，每隔6 m布置一根U型鋼筋，套住管道后插入面板混凝土。因此，具有柔性的測量管道能與面板同步變形。與沉降監(jiān)測系統(tǒng)不同的是，測量載體進(jìn)入管底是通過自重而下，并非勻速卷揚(yáng)機(jī)牽引，因此撓度測量發(fā)生在載體回程過程中，以管底為起點，管口為終點。

4 滲流滲壓監(jiān)測

猴子巖大壩滲漏系統(tǒng)由帷幕滲漏監(jiān)測、周邊縫滲漏監(jiān)測和板間縫滲漏監(jiān)測組成。帷幕防滲監(jiān)測區(qū)間相對較小，采用常規(guī)耐高水壓滲壓計進(jìn)行觀測即可滿足要求。面板周邊縫部位是防滲的薄弱環(huán)節(jié)，是滲漏監(jiān)測的重點。猴子巖大壩周邊縫長達(dá)820m，僅僅采用常規(guī)單點式布置的滲壓計難免出現(xiàn)滲漏點監(jiān)測盲區(qū)，因此，猴子巖大壩在周邊縫布設(shè)了一條光纖光柵滲漏監(jiān)測系統(tǒng)，加密周邊縫滲漏監(jiān)測間距至1.5～3 m，并與常規(guī)滲壓計相互驗證。板間的連接縫或者混凝土裂縫均可能產(chǎn)生滲漏，但混凝土面板面積太大，滲漏監(jiān)測不可能面面俱到，猴子巖大壩板間縫分布式光纖滲漏監(jiān)測主要布置在受力最大、變形最大的面板區(qū)域。

4.1 常規(guī)滲壓計布置

猴子巖大壩常規(guī)防滲監(jiān)測主要分布在帷幕灌漿前后、面板周邊縫以及壩體內(nèi)部。如圖5所示，帷幕前布置一支滲壓計，用于監(jiān)測基坑的滲壓水頭，作為帷幕后滲壓水頭的參照；帷幕后分別在0+152.8和0+162.8兩個斷面布設(shè)了兩對滲壓計，每對滲壓計共用一個孔，中間使用不透水材料隔開，防止串孔。下側(cè)滲壓計主要監(jiān)測從壩基通過帷幕繞滲的水頭，上側(cè)的滲壓計經(jīng)不透水材料隔開后，監(jiān)測到的滲壓水頭減少了繞滲壓影響，應(yīng)小于前者，兩個斷面的滲壓計各自的監(jiān)測目的明確。

面板周邊縫總共設(shè)計了18支滲壓計，水平趾板3支，其余按照一定間距排列至壩頂，同樣以基坑滲壓水頭作為參照，判斷各部位的防滲效果。壩體內(nèi)部在1 695 m高程布設(shè)了11支滲壓計，用于監(jiān)測蓄水后壩體內(nèi)部水位變化。

圖5 帷幕滲壓監(jiān)測示意圖Fig.5 Seepage pressure monitoring for the curtain

4.2 周邊縫光纖光柵滲漏監(jiān)測

光纖光柵（FBG）滲漏監(jiān)測實際上是應(yīng)用了光纖測溫的特性，加熱后的光纜在滲漏區(qū)溫度下降較其他部位快，具體測量原理參照文獻(xiàn)[6]。猴子巖周邊縫光纖光柵布置如圖6所示，周邊縫總共布置1 630個光柵探頭，測點布置以經(jīng)濟(jì)合理為原則，按照高程將周邊縫劃分為3個區(qū)段，底部測點間距為1.5m，中間2 m，上面3 m。每個監(jiān)測區(qū)段劃分為若干個測量單元，一個測量單元包含40個測量探頭，分兩組串聯(lián)，首尾分別通向左右岸觀測站。兩個觀測站均可以從某一端獨立對其中一串探頭進(jìn)行觀測，這種情況下，即使串聯(lián)的探頭的傳輸光纜中間發(fā)生斷裂，備用觀測站依然可以對斷點另一側(cè)的探頭進(jìn)行觀測。

圖6 面板FBG與DTS分布示意圖Fig.6 Distribution of FBG and DTS in slab

4.3 板間垂直縫分布式光纖滲漏監(jiān)測

分布式光纖（DTS）滲漏監(jiān)測同樣是通過監(jiān)測溫度變化來判斷滲漏的發(fā)生，其觀測精度與分辨率沒有特制光柵探頭高，但這種技術(shù)在水利行業(yè)發(fā)展較早，技術(shù)更成熟。猴子巖大壩面板共布設(shè)了4根測溫光纜，如圖6所示，1號光纜主要用于監(jiān)測一、二期面板水平縫滲漏情況；2號光纜分布于左6～11板間的左岸拉性縫；3號光纜分布于左2～右3板間的中部壓性縫；4號光纜分布于右9～14板間的右岸拉性縫。光纜總長度約3 000 m，取樣間隔0.5 m。

5 結(jié)語

（1）猴子巖大壩水平垂直位移采用的水管式沉降儀與引張線水平位移技術(shù)在土石壩應(yīng)用多年，在業(yè)內(nèi)得到廣泛認(rèn)可，但其仍然只能“以點帶面”，對設(shè)計、施工要求高。分布式測量的光纖陀螺與磁慣導(dǎo)技術(shù)克服了傳統(tǒng)缺陷，但其硬件設(shè)備構(gòu)建復(fù)雜，難以在填筑期間形成臨時系統(tǒng)對大壩進(jìn)行觀測，指導(dǎo)施工。

（2）面板堆石壩的撓度變形一直是監(jiān)測難點，常規(guī)監(jiān)測儀器的使用壽命是難以突破的問題。猴子巖大壩對常規(guī)儀器的選型定位較高，并增加了保護(hù)措施，同時引用兩種新型技術(shù)，確保了面板撓度在后期的正常觀測。

（3）常規(guī)滲漏監(jiān)測手段雖然可靠，但混凝土面板結(jié)構(gòu)特殊，需要進(jìn)行滲漏監(jiān)測的線路較多，常規(guī)儀器顯得乏力。隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，光纖測溫測滲漏點在水利行業(yè)的應(yīng)用也有質(zhì)的突破，已形成了相關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。猴子巖大壩采用兩種光纖傳感技術(shù)，對面板的滲漏情況進(jìn)行全面監(jiān)控，一旦滲漏量異常，可以迅速、準(zhǔn)確地定位滲漏部位。

（4）隨著筑壩技術(shù)的發(fā)展，安全監(jiān)測技術(shù)也在不斷完善。猴子巖工程安全監(jiān)測系統(tǒng)的實施總結(jié)了常規(guī)技術(shù)的成功經(jīng)驗，對常規(guī)監(jiān)測手段做出改進(jìn)、夯實基礎(chǔ)的同時，大膽引進(jìn)新型技術(shù)，與常規(guī)技術(shù)相互結(jié)合，相互驗證，推動了水利行業(yè)科技進(jìn)步。 ■

[1]秦朋，彭成軍，李戰(zhàn)備，等.猴子巖混凝土面板堆石壩施工期沉降分析[J].人民長江，2015，46(1)：153-155.

[2]鄭正勤.猴子巖水電站工程建設(shè)的必要性及關(guān)鍵技術(shù)問題[J].人民長江，2014，45(8)：1-4.

[3]秦朋，譚愷炎，胡升偉.300 m級高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)討論[J].大壩與安全，2016，(1)：57-60.

[4]譚愷炎.高混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測若干問題的討論[J].大壩與安全，2010，(3)：26-29.

[5]黎佛林，蔡德所，秦朋,等.水布埡水電站面板撓度監(jiān)測方法比較[J].水力發(fā)電，2013，39(1)：82-84.

[6]許小東，燕喬，吳長彬.水布埡面板堆石壩周邊縫監(jiān)測新技術(shù)[J].人民長江，2010，41(14)：87-90.

作者郵箱：3426703@qq.com

Safety monitoring technologies for Houziyan concrete face rockfilldam

by XU Chao-yong,TAN Kai-yan,HU Sheng-wei,SONG San-hong and WANG Hui China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.

Houziyan concrete face rockfilldam(CFRD)is constructed in a narrow river valley which is notsymmetrical.There willbe large deformation in the dam after building.Reliable and stable monitor?ing system is criticalfor the dam.To establish an integrated monitoring system,Houziyan CFRD has not only summarized the successfulexperience oftraditionalmonitoring techniques butalso used some lat?esttechnologies such as fiber opticalgyroscope,magnetic technology and distributed opticalfiber tem?perature measurementsystem.This article elaborates three monitoring items,namely horizontaland ver?ticaldisplacement,face slab deflection and leakage.And,the application principle ofthese technologies are analyzed as an example ofreference to similarprojects.

Houziyan concrete face rockfilldam;safety monitoring;traditionaltechnology;fiber optical gyroscope;magnetic technology;fibersensortechnique

TV698.1

B

1671-1092（2017）01-0029-05

2016-07-26

徐朝勇（1982-），男，四川寧南縣人，工程師，主要從事大壩安全監(jiān)測工作。