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        大興水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

        2022-01-05 10:52:50孫正明于淼蘇楊
        水利水電工程設(shè)計(jì) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:變形工程

        孫正明 于淼 蘇楊

        1 工程概況

        大興水利樞紐工程樞紐壩址位于貴州省銅仁市松桃縣境內(nèi)大梁河上。工程主要任務(wù)是城鄉(xiāng)生活、工業(yè)和灌溉供水,兼顧發(fā)電等,是一座綜合利用水利樞紐工程。水庫總庫容為4 672萬m3,為中型水庫,工程等別為Ⅲ等。

        水庫樞紐工程由擋水建筑物、泄水建筑物、發(fā)電引水系統(tǒng)及電站廠房組成。攔河壩為常態(tài)混凝土重力壩,壩頂高程為517 m,壩頂長度98 m,最大壩高52 m。輸水工程由輸水主管線、支線、3座泵站以及管道附屬建筑物等組成。

        壩址區(qū)地層巖性為寒武系清虛洞組灰?guī)r及第四系,壩基地層為清虛洞組下段條狀灰?guī)r、薄-中厚層狀灰?guī)r及少量泥灰?guī)r,屬堅(jiān)硬巖。壩基無大斷層和較大溶洞存在,壩基滲漏為裂隙式滲漏,產(chǎn)生集中滲漏的可能性不大,壩基巖體滲透性隨深度的增加逐漸減弱。輸水隧洞圍巖巖性為寒武系下統(tǒng)清虛洞組下段條帶狀灰?guī)r及薄層-中厚層狀灰?guī)r,隧洞埋深10~50 m,圍巖以Ⅲ類為主,溶蝕及溶洞段為Ⅳ~Ⅴ類圍巖。

        2 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)目的及原則

        安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的主要目的是監(jiān)控工程安全運(yùn)行,掌握工程的運(yùn)行性態(tài)和規(guī)律,指導(dǎo)施工和運(yùn)行,反饋設(shè)計(jì)和為科學(xué)研究提供依據(jù)。通過持續(xù)的監(jiān)測(cè),采集相關(guān)環(huán)境量、荷載量及其作用下建筑物及基礎(chǔ)的變形、滲流、應(yīng)力和溫度等效應(yīng)量,通過計(jì)算分析,及時(shí)對(duì)工程的穩(wěn)定性和安全性作出評(píng)價(jià),確保工程運(yùn)行安全,充分發(fā)揮工程效益。

        本工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)綜合考慮水工建筑物的布置及工程地質(zhì)條件,按照“突出重點(diǎn),兼顧全面”,施工期與運(yùn)行期監(jiān)測(cè)相結(jié)合,儀器監(jiān)測(cè)與人工巡視檢查相結(jié)合等原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

        3 監(jiān)測(cè)建筑物及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

        本工程監(jiān)測(cè)按照建筑物等級(jí)選擇攔河壩、消力池、輸水隧洞、泵站及邊坡等為主要監(jiān)測(cè)對(duì)象。

        (1)大壩監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括大壩表面變形、內(nèi)部變形、壩基變形、壩體溫度、壩基揚(yáng)壓力、繞壩滲流及環(huán)境量監(jiān)測(cè)等。

        (2)消力池監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為底板揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)。

        (3)輸水隧洞監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括接縫開合度、圍巖滲透壓力、錨桿應(yīng)力、壓力鋼管的應(yīng)力應(yīng)變及施工期圍巖收斂變形監(jiān)測(cè)等。

        (4)邊坡監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要為表面變形監(jiān)測(cè)。

        (5)泵站監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括垂直位移和基礎(chǔ)滲流監(jiān)測(cè)。

        (6)除進(jìn)行上述儀器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外,還包括現(xiàn)場(chǎng)巡視檢查。

        4 監(jiān)測(cè)布置

        4.1 大壩

        本工程樞紐大壩為常態(tài)混凝土重力壩,根據(jù)大壩的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),布置1個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面和1個(gè)一般監(jiān)測(cè)斷面,重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)和溫度監(jiān)測(cè)。大壩變形監(jiān)測(cè)布置立面圖和重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面布置分別如圖1、2所示。

        圖1 大壩變形監(jiān)測(cè)布置立面圖

        4.1.1 變形監(jiān)測(cè)

        變形監(jiān)測(cè)包括壩頂和壩基的水平位移、垂直位移監(jiān)測(cè),壩體的水平位移監(jiān)測(cè),縱縫和橫縫的開合度監(jiān)測(cè)以及基巖變形監(jiān)測(cè)等。

        4.1.1.1 水平位移監(jiān)測(cè)

        壩頂水平位移采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè)。視準(zhǔn)線法是平行于壩軸線建立1條固定不變的光學(xué)視線,定期觀測(cè)各測(cè)點(diǎn)偏離該視準(zhǔn)線測(cè)值的測(cè)量方法。本工程在每個(gè)壩段壩頂各布置1個(gè)視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn)。在左右岸壩肩視準(zhǔn)線延長線上各布置1個(gè)工作基點(diǎn)作為日常觀測(cè)的起測(cè)點(diǎn),工作基點(diǎn)附近各埋設(shè)1套倒垂線,用于校測(cè)視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)的位移。

        圖2 重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面布置圖

        壩體內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)采用正、倒垂線相結(jié)合的方法。選擇最高壩段③壩段布置1套正倒垂線組,包括2套正垂線和1套倒垂線,用于監(jiān)測(cè)壩體及壩基不同高程的水平位移。測(cè)點(diǎn)分別位于496 m和468 m高程廊道內(nèi)。

        壩基水平位移采用視準(zhǔn)線法監(jiān)測(cè),在468 m高程帷幕灌漿廊道內(nèi)②~⑤壩段各布置1個(gè)視準(zhǔn)線測(cè)點(diǎn),同時(shí)在廊道兩端灌漿平洞內(nèi)視準(zhǔn)線延長線上各設(shè)置1個(gè)工作基點(diǎn)和1個(gè)校核基點(diǎn)。

        4.1.1.2 垂直位移監(jiān)測(cè)

        在壩頂和468 m高程帷幕灌漿廊道內(nèi)水平位移觀測(cè)墩附近埋設(shè)沉降標(biāo)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)壩頂和壩基垂直位移。同時(shí)在視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)附近各布置1個(gè)垂直位移工作基點(diǎn),作為垂直位移日常觀測(cè)的起測(cè)點(diǎn),采用一等水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行觀測(cè)。

        在大壩下游1 km外穩(wěn)定基巖上布設(shè)1組水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn),用于校測(cè)壩頂和468 m高程廊道垂直位移工作基點(diǎn)的位移。工作基點(diǎn)校測(cè)采用一等水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行觀測(cè)。

        4.1.1.3 接縫開合度監(jiān)測(cè)

        選擇③壩段中間部位在建基面與壩體上游接觸面設(shè)1支測(cè)縫計(jì),用于了解壩體混凝土與基巖面結(jié)合情況。在③、④壩段下游縱縫475 m及483 m高程各布置1支測(cè)縫計(jì),監(jiān)測(cè)該部位縱縫的開合情況,以便選擇縱縫的灌漿時(shí)間和檢查灌漿效果。

        在468 m高程帷幕灌漿廊道、下游接縫灌漿廊道及496 m高程觀測(cè)廊道的②~⑤壩段橫縫處各布置1套三向測(cè)縫標(biāo)點(diǎn),監(jiān)測(cè)相鄰壩段間的不均勻變形。在468 m高程下游接縫灌漿廊道左右兩側(cè)的縱縫處各布1套三向測(cè)縫標(biāo)點(diǎn),監(jiān)測(cè)壩體縱縫的相對(duì)變形。

        4.1.1.4 基巖變形監(jiān)測(cè)

        在③壩段壩踵和壩址的建基面上各布設(shè)1支基巖變位計(jì),監(jiān)測(cè)相應(yīng)部位的基巖變形情況。

        4.1.2 滲流監(jiān)測(cè)

        滲流監(jiān)測(cè)包括壩基揚(yáng)壓力、滲流量及繞壩滲流監(jiān)測(cè)。

        4.1.2.1 壩基揚(yáng)壓力

        本工程采用縱、橫監(jiān)測(cè)斷面相結(jié)合的形式進(jìn)行壩基揚(yáng)壓力觀測(cè)。共布置1個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面和4個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面??v向監(jiān)測(cè)斷面布置在帷幕后主排水線上,每個(gè)壩段各布置1個(gè)測(cè)點(diǎn),橫向監(jiān)測(cè)斷面在主排水線后沿下游布置2~4個(gè)測(cè)點(diǎn),在③壩段和④壩段橫向監(jiān)測(cè)斷面帷幕前各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),用于監(jiān)測(cè)壩基揚(yáng)壓力,了解帷幕防滲效果。壩基揚(yáng)壓力采用深入基巖面1 m的測(cè)壓管或在壩基面上埋設(shè)滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

        4.1.2.2 滲流量

        采用量水堰觀測(cè)壩基及壩體的滲流量,在468 m高程廊道排水溝內(nèi)布設(shè)4座量水堰,分別觀測(cè)來自③壩段樁號(hào)壩0+40.50兩側(cè)的壩體和壩基滲流量。

        4.1.2.3 繞壩滲流

        在大壩兩側(cè)各布置3套測(cè)壓管,分別在帷幕上游布置1套,帷幕下游布置2套,用于繞壩滲流觀測(cè),以了解壩肩與岸坡接觸部位的滲流變化。

        4.1.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)

        應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)包括溢流表孔閘墩的鋼筋應(yīng)力和壩體的溫度監(jiān)測(cè)。

        4.1.3.1 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

        在③號(hào)壩段中墩兩側(cè)牛腿扇形筋位置分別對(duì)稱布設(shè)3支鋼筋計(jì),監(jiān)測(cè)該部位鋼筋應(yīng)力情況。

        4.1.3.2 壩體溫度監(jiān)測(cè)

        為了解壩體本身水化熱、水溫、氣溫和太陽輻射等因素對(duì)壩體溫度的影響,了解溫度分布和變化過程及對(duì)大壩應(yīng)力、變形的影響,掌握各時(shí)段的壩體溫度場(chǎng),在③壩段中間斷面共布置23支溫度計(jì),進(jìn)行混凝土溫度監(jiān)測(cè)。

        4.1.4 環(huán)境量監(jiān)測(cè)

        環(huán)境是影響結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變的外在因素,環(huán)境量監(jiān)測(cè)也是大壩安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分。本工程環(huán)境量監(jiān)測(cè)主要包括上、下游水位監(jiān)測(cè)、氣溫監(jiān)測(cè)和降雨量監(jiān)測(cè)。

        4.1.4.1 上、下游水位監(jiān)測(cè)

        分別在大壩上游面及下游消力池側(cè)墻布設(shè)水位測(cè)點(diǎn),采用水尺和水位計(jì)監(jiān)測(cè)上、下游水位。

        4.1.4.2 氣溫監(jiān)測(cè)

        氣溫是影響混凝土壩工作狀態(tài)的主要因素之一,因此在壩址區(qū)設(shè)置1座百葉箱,內(nèi)設(shè)自記溫濕度計(jì)。

        4.1.4.3 降雨量監(jiān)測(cè)

        降雨可能影響大壩的繞壩滲流和壩基滲流情況,因此在壩址區(qū)設(shè)置1個(gè)降水量監(jiān)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)壩區(qū)降雨量。

        4.2 消力池

        在消力池底板中心線部位設(shè)監(jiān)測(cè)斷面,布設(shè)2支滲壓計(jì),監(jiān)測(cè)消力池底板揚(yáng)壓力。

        4.3 輸水隧洞及調(diào)壓井

        輸水隧洞及調(diào)壓井共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,樁號(hào)Z0+010.00、Z0+175.00、Z0+497.00各布設(shè)1個(gè)斷面,一級(jí)泵站調(diào)壓井(Z0+554.31)485 m高程布設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,其中Z0+175.00為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面,其余為一般監(jiān)測(cè)斷面。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形監(jiān)測(cè)、接縫開合監(jiān)測(cè)、滲壓監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)等。

        4.3.1 變形監(jiān)測(cè)

        在隧洞洞身段3個(gè)監(jiān)測(cè)斷面的拱頂和兩側(cè)各布置1個(gè)收斂測(cè)點(diǎn),在調(diào)壓井485 m高程等距布設(shè)3個(gè)收斂測(cè)點(diǎn),用于施工期圍巖收斂監(jiān)測(cè)。

        隧洞各監(jiān)測(cè)斷面兩側(cè)與圍巖接觸部位各布置1支測(cè)縫計(jì),監(jiān)測(cè)圍巖與襯砌的接縫變形。此外在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面的鋼襯兩側(cè)和頂部與混凝土襯砌間增設(shè)1支測(cè)縫計(jì),用于監(jiān)測(cè)鋼襯和回填混凝土間接縫的變形。

        4.3.2 滲壓監(jiān)測(cè)

        在隧洞各監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)2~3支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)圍巖的滲透壓力,在Z0+497.00斷面鋼襯和混凝土襯砌接觸面布設(shè)2支滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)鋼襯承受的外水壓力。

        4.3.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)

        在洞身段各監(jiān)測(cè)斷面的左右側(cè)分別對(duì)稱布置1支錨桿應(yīng)力計(jì),用于監(jiān)測(cè)支護(hù)錨桿的軸向受力情況。在Z0+175.00和Z0+497.00斷面鋼襯表面同時(shí)布置2~4支鋼板計(jì)以監(jiān)測(cè)鋼襯應(yīng)力,其中Z0+175.00重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面鋼板計(jì)為軸向和環(huán)向結(jié)合布置。

        4.4 邊坡工程

        在廠房后邊坡494、506 m高程兩層馬道上分別布置3個(gè)表面變形觀測(cè)墩,采用全站儀監(jiān)測(cè)表面位移。

        4.5 泵站工程

        本工程共有3個(gè)泵站,在每個(gè)泵房外側(cè)布設(shè)12個(gè)垂直位移標(biāo)點(diǎn)(墻標(biāo)),分縫段左右側(cè)對(duì)稱布設(shè),用于垂直位移觀測(cè)。在各泵站的基礎(chǔ)縱向和橫向結(jié)合布置6支滲壓計(jì),以監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)滲流情況。

        4.6 巡視檢查

        巡視檢查是工程安全監(jiān)測(cè)的重要組成部分。本工程主要對(duì)大壩、邊坡、近壩岸坡及輸水工程建筑物進(jìn)行巡視檢查,檢查各建筑物在施工期和運(yùn)行期的安全性,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常情況并提出補(bǔ)救和改進(jìn)措施。

        4.7 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

        4.7.1 監(jiān)測(cè)站布置

        本工程共設(shè)7個(gè)監(jiān)測(cè)站,分別位于③壩段基礎(chǔ)廊道、③壩段496 m高程廊道、壩頂、調(diào)壓井以及3座泵站。各測(cè)站測(cè)控單元通過本工程通信網(wǎng)絡(luò)鏈接傳輸至一級(jí)泵站的監(jiān)測(cè)中心站。各建筑物監(jiān)測(cè)站主要包括MCU、通訊模塊等設(shè)備,監(jiān)測(cè)站具有良好的防雷接地裝置。

        4.7.2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)布置

        為有效實(shí)現(xiàn)工程監(jiān)控,本工程選擇有線及無線通訊相結(jié)合的方式建立安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)。自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),主要由一級(jí)泵站監(jiān)測(cè)中心站和各部位建筑物監(jiān)測(cè)站組成。監(jiān)測(cè)中心站主要設(shè)有計(jì)算機(jī)、服務(wù)器、交換機(jī)、打印機(jī)等外部設(shè)備,用于安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集,包括運(yùn)行期監(jiān)測(cè)管理站人工觀測(cè)、自動(dòng)化觀測(cè)數(shù)據(jù)的采集管理。監(jiān)測(cè)中心站計(jì)算機(jī)可向各建筑物監(jiān)測(cè)站發(fā)布指令,實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的管控并能夠接入上一級(jí)管理單位。

        5 結(jié) 語

        針對(duì)大興水利樞紐工程的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件,將大壩變形、壩基揚(yáng)壓力和壩體溫度監(jiān)測(cè)作為重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)。目前本工程已通過蓄水驗(yàn)收和竣工技術(shù)預(yù)驗(yàn)收,施工期和蓄水期的安全監(jiān)測(cè)資料為工程的順利實(shí)施和本工程不同階段的驗(yàn)收提供了技術(shù)保障,對(duì)評(píng)價(jià)工程運(yùn)行安全發(fā)揮了重要作用。

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