稅思梅, 伍文鋒
(1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司, 四川 成都 610072;2.長江勘測規(guī)劃設計研究院長江空間信息技術工程有限公司, 湖北 武漢 430072)
長河壩水庫總庫容為10.75億m3,裝機容量2 600 MW。樞紐主要由礫石土心墻堆石壩、引水發(fā)電系統(tǒng)、3條泄洪洞和1條放空洞等建筑物組成。攔河大壩采用土質防滲體分區(qū)壩,防滲體采用礫石土直心墻型式,壩殼采用堆石填筑,心墻與上下游壩殼堆石之間均設有反濾層、過渡層,防滲墻下游心墻底部及下游壩殼與覆蓋層壩基之間設有水平反濾層;最大壩高240 m,壩頂長度502.85 m,壩頂寬度16 m,上、下游壩坡均為1 ∶2.0。
長河壩壩體高大雄厚;壩基河床覆蓋層深厚,具多層結構且結構不均一,透水性強。可能存在地基不均勻變形,滲漏和滲透變形,壩基抗滑穩(wěn)定,砂層液化等問題。因此,如何針對長河壩的特點設計一個科學合理、完整有效的安全監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)掌握大壩在施工期、運行期的安全狀態(tài),同時兼顧指導施工、反饋設計的目的,是安全監(jiān)測工作的前提和基礎,也是安全監(jiān)測工作的重點和難點。現(xiàn)以長河壩大壩安全監(jiān)測設計為例對300 m級高土石壩監(jiān)測設計工作進行闡述,為同類工程提供借鑒和參考。
特高土石壩具有規(guī)模大,結構復雜等特點,運行后可能出現(xiàn)壩體穩(wěn)定和滲流穩(wěn)定等問題。隨著土石壩的發(fā)展,針對重要監(jiān)控指標,已形成了一套完整的安全監(jiān)測設施和設計方案。現(xiàn)有的監(jiān)測體系在 200 m級以下的土石壩應用已經(jīng)成熟,但在200 m級以上特高土石壩中,會出現(xiàn)現(xiàn)有水平位移計、沉降儀等監(jiān)測儀器無法滿足工程需要,埋入后受大變形影響出現(xiàn)損壞后無法長期監(jiān)測,無法滿足上游壩殼高水壓作用區(qū)域等特殊部位監(jiān)測要求等問題。因此在長河壩特高土石壩安全監(jiān)測設計方案,需充分考慮以上問題,從監(jiān)測手段和引進新技術等方面著手,提出適合長河壩特高拱壩的安全監(jiān)測設計方案。
安全監(jiān)測是根據(jù)設計計算成果,在關鍵斷面關鍵部位埋設相應的儀器設施,對工程建筑物的變形、應力應變、滲流滲壓等指標進行長期跟蹤監(jiān)測,再通過觀測數(shù)據(jù)分析評價建筑物的安全穩(wěn)定狀態(tài)。徐巖彬等[1]對土石壩瀝青混凝土防滲心墻安全監(jiān)測設計進行了研究,趙永等[2]對黏土心墻土石壩安全監(jiān)測設計及優(yōu)化作了闡述;上述研究說明了安全監(jiān)測設計極為重要,是監(jiān)測工作的前提和基礎。長河壩作為300 m級特高土石壩,監(jiān)測設計應在傳統(tǒng)設計思路的基礎上,結合工程特點開展,其設計難度高于一般土石壩。
工程安全監(jiān)測設計遵循“有效、合理、可靠監(jiān)控工程的安全運行以及必要的設計反饋研究”的原則,為更好地建設大型水電工程提供原型觀測資料和參考借鑒。
(1)密切結合工程實際,對各工程部位不同時期的監(jiān)測項目的選定,應從施工、首次蓄水、運行期全過程考慮,可充分合理反映建筑物工作狀況。
(2)監(jiān)測項目相互兼顧,一個項目多種用途;在不同時期能反映出不同的重點。目的明確、重點突出、兼顧全面,相關項目統(tǒng)籌安排、配合布置;應保證在惡劣條件下仍能進行重要項目的監(jiān)測。
(3)監(jiān)測儀器設備選型,要顧及耐久、可靠、實用、有效,力求先進。儀器設備具備耐久性、穩(wěn)定性、適應性,并滿足量程和精度要求。應使儀器設備種類盡可能少,提供簡潔接口和可靠連接,利于實現(xiàn)監(jiān)測自動化系統(tǒng)的運行、管理和維護。
(4)應有良好的照明、防潮防濕和交通條件,必要時可設置專用通道,以保證在大洪水和特殊條件下觀測工作的進行。
(5)儀器設備及時安裝,保證數(shù)據(jù)的可靠性、實時性、連續(xù)性和一致性,以及為建筑物的安全分析評價提供有效合理的初始值、基準值以及必要的監(jiān)測成果。
長河壩工程大壩安全監(jiān)測設計重點部位包括大壩基礎和防滲墻、河床基礎廊道、礫石土心墻大壩等。張斌[3]、阮彥晟[4]等對土石壩滲流場進行了分析,徐楊洋[5]、孫全[6]等對土石壩應力進行了分析,王竹青[7]、徐楊洋[5]等對土石壩沉降進行了分析,這說明了滲流場、應力、沉降等是土石壩安全監(jiān)控的重要指標,長河壩安全監(jiān)測設計以變形(特別是沉降)、滲流滲壓、應力應變等項目為主是科學合理的。
2.2.1 大壩基礎和防滲墻
橫向沿主副墻軸線分別布置1個主監(jiān)測斷面和1個副監(jiān)測斷面,縱向布置4個監(jiān)測橫剖面。監(jiān)測重點為大壩基礎和防滲墻的沉降及水平位移、防滲墻前后滲壓、建基面滲壓、壩基覆蓋層的土壓力、下游堆石區(qū)堆石壓力、混凝土防滲墻混凝土應力及結構鋼筋應力等。
(1)變形??紤]到壩基河床覆蓋層深厚,為監(jiān)測施工期和蓄水后基礎的變形、特別是沉降變形,在大壩心墻上游側、心墻高塑性黏土區(qū)、心墻下游側布設電位器式位移計、弦式沉降儀;防滲墻水平位移主要采用固定式測斜儀與活動式測斜儀監(jiān)測。
(2)滲流滲壓。為及時掌握滲流壓力的大小及分布情況,監(jiān)測不同土質接觸面可能的滲透破壞,判斷土石壩基礎的防滲狀態(tài)和排水設施的工作效能。在每個監(jiān)測斷面副防滲墻前各布置1支滲壓計;在主防滲墻后及主副防滲墻之間各鉆孔布設一個深孔,深孔分三個高程布設滲壓計,用來分層監(jiān)測壩基覆蓋層滲水壓力;在主防滲墻下游心墻區(qū)域內各布置2支滲壓計;在下游過渡層及壩殼建基面布設5~6支滲壓計,間距60~90 m,用以監(jiān)測整個壩基順河向滲流水位過程線。
在副防滲墻下游3.5 m(主副防滲墻之間)及主防滲墻下游3.5 m剖面,沿壩軸線方向分層布置滲壓計,用以監(jiān)測防滲墻阻水效果。典型滲壓布置見圖1。
為掌握主防滲墻后滲透壓力的大小,在基礎廊道布置滲壓計和測壓管。
圖1 主防滲墻下游3.5 m斷面滲壓布置(單位:m)
(3)應力應變。為監(jiān)測壩基覆蓋層的土壓力及下游堆石區(qū)堆石壓力,在監(jiān)測剖面的主副防滲墻之間及主墻下游側各布置1套土壓力計,在下游過渡層及堆石區(qū)覆蓋層布置土壓力計。
為掌握防滲墻混凝土應力應變情況,在主副防滲墻內1 452.00 m高程各布設2組三向應變計組,并配套布設無應力計,結合無應力計及混凝土徐變試驗成果計算混凝土應力。
為掌握基礎混凝土防滲墻上部鋼筋籠及基礎廊道鋼筋受力情況,在主、副防滲墻內1 447.00 m、1 437.00 m、1 427.00 m、1 417.00 m高程并排布置鋼筋計。
2.2.2 河床基礎廊道
河床基礎廊道沿縱向共布置7個監(jiān)測斷面。監(jiān)測重點為廊道沿線的沉降、廊道傾斜及擾度、廊道結構縫的開合度、廊道與高塑性黏土的位錯、廊道拱頂及兩側的壓力、廊道外圍結構鋼筋應力等。
(1)變形。廊道底部的垂直位移采用水準測量,在左、右岸灌漿平洞布設工作基點,基礎廊道沿壩軸線布設水準點。在基礎廊道內布置3個傾斜監(jiān)測斷面,分別在上游邊墻、頂拱、下游邊墻和底板布置傾角儀底座,安裝傾角計進行傾斜觀測。為監(jiān)測廊道與高塑性黏土之間的錯動位移,選取3個監(jiān)測斷面,在廊道外側與高塑性黏土接觸部位布置位錯計。在基礎廊道兩端結構縫部位的左右邊墻、頂拱及底板布置測縫計,對結構縫的變形進行監(jiān)測。在基礎廊道布設測斜管,監(jiān)測大壩基礎防滲墻撓度變形。
(2)應力應變。在基礎廊道頂拱外側及上下游邊墻1 457.00 m高程邊界各布設1套土壓力計,用以監(jiān)測廊道頂拱高塑性土壓力及兩側邊墻側向土壓力。
選擇5個監(jiān)測斷面,在每個斷面廊道上下游邊墻、頂拱、底板內外側及上游拱肩處布置環(huán)向鋼筋及縱向鋼筋,監(jiān)測廊道鋼筋應力情況。典型布置見圖2。
圖2 河床廊道典型剖面監(jiān)測儀器布置
2.2.3 礫石土心墻大壩
礫石土心墻大壩沿壩軸線布置1個監(jiān)測縱斷面,橫向布置5個監(jiān)測斷面。監(jiān)測重點為大壩的水平位移和沉降、壩體浸潤線、帷幕防滲效果、繞壩滲流、關鍵部位滲壓、壩體和基礎的總滲流量、心墻及建基面的壓應力、壩體抗震等。
(1)變形。大壩表面位移測點按大約間距30~80 m左右布置;水平位移測點與垂直位移測點同墩布置。在 1 615.00 m、1 645.00 m、1 695.00 m高程各布置1排外部變形觀測墩;大壩壩頂上下游側各布置1排外部變形觀測墩;下游壩坡在1 510.00 m、1 545.00 m、1 585.00 m、1 615.00 m、1 645.00 m、1 672.00 m高程各布置1排外部變形觀測墩。儀器布置見圖3。
心墻區(qū)內部沉降采用多種儀器對比監(jiān)測,選用性能穩(wěn)定的弦式沉降儀和電磁式沉降儀,同時為適應較大沉降變形,創(chuàng)新使用大量程電位器式位移計。心墻壩軸線處各布設一條分層沉降觀測垂線。心墻上、下游及壩軸線布置電位器式位移計沉降測線,心墻上、下游布置電位器式位移計沉降測線,測線各測點高程間距30 m。心墻壩軸線處各布設1個電磁式沉降儀孔,電磁式沉降環(huán)間距10 m。下游堆石區(qū)內部沉降監(jiān)測采用水管式沉降儀。下游壩殼1 645.00 m、1 615.00 m、1 585.00 m、1 550.00 m、15 130.0 m高程,布置沉降條帶。
圖3 大壩表面變形監(jiān)測儀器布置
心墻區(qū)水平位移采用活動式測斜儀和固定式測斜儀進行監(jiān)測,活動式測斜儀與電磁式測斜儀同孔布置。心墻壩軸線處布置3根固定式測斜孔,固定式測斜儀測點間距10 m。下游堆石區(qū)水平位移監(jiān)測采用引張線式水平位移計與水管式沉降儀同條帶布置(測點緊鄰)。在壩軸線左、右岸心墻基礎混凝土板的1 510.00 m、1 580.00 m高程部位各布設1套土體位移計串,用于監(jiān)測心墻土體沿壩軸線方向拱效應引起的水平變形。典型儀器布置見圖4。
圖4 大壩引張線和水管式沉降儀布置
(2)滲流滲壓。壩體滲壓監(jiān)測包括觀測斷面上的滲水壓力分布和浸潤線位置的確定,采用滲壓計進行監(jiān)測。在每個主監(jiān)測斷面的1 645.00 m、1 615.00 m、1 580.00 m、1 550.00 m、1 513.00 m及建基面高程作為水平監(jiān)測高程,在上游反濾層與心墻交界部位、心墻軸線、心墻軸線與上下游反濾層之間、心墻與下游反濾層1交界部位各布設1個監(jiān)測點。在大壩心墻礫石土與高塑性黏土接觸部位各布置2個滲壓測點。由于心墻上部厚度較薄,為監(jiān)測心墻上部擋水效果,在1 670.00 m高程反濾層內增設1個滲壓監(jiān)測斷面,共布置7支滲壓計。典型儀器布置見圖5。
為監(jiān)測大壩帷幕防滲效果,沿壩基灌漿平洞軸線布置1個監(jiān)測斷面,在左右岸1 697.00 m、1 640.00 m、1 580.00 m、1 520.00 m和1 460.00 m高程灌漿廊道及基礎廊道帷幕灌漿范圍線后,鉆孔布設測壓管,間距40~80 m。
圖5 礫石心墻滲壓布置(單位:m)
在左、右岸灌漿平洞不同高程布置繞滲孔,并根據(jù)現(xiàn)場交通情況,在左右岸1 580 m、1 510 m高程和右岸1 545 m高程交通洞內布置繞滲孔。
在下游圍巖混凝土心墻下游排水溝內(堰)0+005.50 m樁號設置量水堰和量水堰計,觀測總滲流量。在左右岸壩基1 640 m、1 580 m、1 520 m和1 460 m高程灌漿平洞集中匯水處布設量水堰觀測壩基滲流量。滲流滲壓布置見圖6。
圖6 繞壩滲流滲壓布置
(3)應力應變。大壩心墻(縱)0+137.00 m、(縱)0+193.00 m、(縱)0+253.00 m、(縱)0+330.00 m、(縱)0+394.00 m五個主要剖面的1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m高程分別布設了土壓力計;大壩基礎廊道外側埋設了9支土壓力計,用于監(jiān)測大壩基礎廊道外側的土壓力情況。
(4)強震監(jiān)測。在壩頂1 697.00 m高程左、右岸灌漿平洞分別布設1臺強震儀;為分析研究地震強震的放大效應,在縱0+330.00 m監(jiān)測斷面壩頂布設2臺強震儀,下游馬道處布設4臺強震儀;在基礎廊道內布設1臺強震儀;為監(jiān)測基巖加速情況,在左岸1 460.00 m灌漿平洞布設1臺強震儀,在壩下游1~2 km處布設1臺強震儀作為自由場。
長河壩工程安全監(jiān)測設計以大壩基礎和防滲墻、河床基礎廊道、礫石土心墻大壩為重點部位,監(jiān)測指標以變形(特別是沉降)、滲流滲壓、應力應變等項目為主的方案是科學合理的。通過分區(qū)、分片、分層布設安全監(jiān)測設施,達到了全面監(jiān)測的目的;選用多種監(jiān)測手段對比監(jiān)測,確保了監(jiān)測成果的可靠有效;為適應高土石壩變形特點及利于施工,創(chuàng)新使用新儀器,促進了安全監(jiān)測技術的發(fā)展。通過精心設計,長河壩特高土石壩構建了一個系統(tǒng)全面、高精度、高穩(wěn)定性的監(jiān)測系統(tǒng),實現(xiàn)了指導施工、反饋設計的作用,并為評價施工期和運行期建筑物安全穩(wěn)定奠定了基礎。