水库大坝原型观测系统设计与施工

盘石头水库大坝原型观测系统设计与施工 江南水利水电工程公司冯海军 【内容提要】盘石头水库是我国北方地区新建坝高最大的钢筋混凝土面板堆石坝，坝址河谷宽阔，两岸陡峭，具有“U”型河谷特点。本文结合盘石头水库工程及地质特点，着重介绍了监测系统的布置和施工，阐述了监测布置的合理性，讨论了堆石坝监测施工的特点。【关键词】混凝土面板堆石坝 监测设计 施工1 工程概况盘石头水库是以防洪、供水为主，兼顾灌溉、发电和养殖的大型综合利用型水利枢纽工程。总库容6.08亿m3，水库为二等工程，主要建筑物大坝、泄洪洞、溢洪道等按2级建筑物设计，电站及其它次要工程按4级建筑物设计。地震设防烈度7度。挡水建筑物混凝土面板堆石坝为2级建筑物，抗震设计烈度为8度。最大坝高102m，坝顶高程275.0m，正常蓄水位254.0m，坝顶宽12m，上游坝坡坡度为1:1.4，下游戗台间坝坡为1:1.35，组合坝坡为1：1.5。坝体设计总填筑548万m3，面板砼总量3.49万m3。盘石头水库混凝土面板堆石坝的主要工程特性为河谷平坦开阔，两岸陡峻，趾板水平段长，坝区地质条件复杂。原型监测系统具有指导设施工、监测运行、校核设计和为科研积累资料的重要目的和功能。通过定期观测了解建筑物在施工和运行期的工作状态。通过工程运行实态分析评价，确保工程的安全运行。盘石头水库工程安全监测系统包括砼面板堆石坝、非常溢洪道及库区等主要工程部位，项目齐全设备先进。大坝工程，重点突出坝体、坝基和面板的位移变形以及渗流监测；左岸垭口非常溢洪道则主要进行结构变形和基础渗流监测。2 原型观测设计及系统布置通过在坝面设置水平、垂直位移标点，在坝内安装埋设水平位移计和水管式沉降计，监测坝体内、外部水平、垂直位移；通过在坝体基础埋设渗压计，在坝肩设置测压管、在下游坝脚设置量水堰进行坝体渗流量及绕坝渗流项目的监测。并通过在面板周边缝设置三向测缝计以了解垂直、水平及剪切变形；通过在混凝土面板表面及内部埋设安装钢筋计、应力计、测缝计、倾斜计、温度计及大量程位移计等仪器，进行面板混凝土的应力、应变、温度、钢筋应力、面板挠曲变形及面板脱空等。坝体内部变形观测设计共布置了1个主断面和2个辅助断面，主断面布置在最大的坝高处（0+310），沿主断面坝基底堰埋设5支渗压计；坝体内部共分三层埋设水平、垂直位移计；面板埋设钢筋计和温度计；并在面板垂直缝上，安装测缝计；面板脱空及挠曲变形监测。面板下埋设大量程位移计；在面板表面设置了电平仪。2个辅助断面布设在两岸的陡坡段，桩号为0+545和0+主要设置了少量渗压计以观测两岸的渗流，通过在面板上埋置测缝计以观测两岸陡坡段的面板变形规律，结合主断面了解拉应力区和压应力区集中面板缝的变形规律，进而了解面板的工作性态，保证工程安全。盘石头水库混凝土面板堆石坝观测仪器埋设布置详见布置图1,图2和观测仪器一览表。盘石头水库混凝土面板堆石坝观测仪器设施一览表观测项目安装部位仪器设施名称型号单位数量一、表面变形观测观测控制基点10个，测点67点全站仪TCA2003套1水准仪DNA03套1二、坝体内部观测1、沉降量桩号0+310,高程205，228，251水管式沉降仪SC-1套3(11)2、水平位移桩号0+310,高程228,251电位器式水平位移计NDCY-1套2（6）三、混凝土面板观测1、面板挠曲桩号0+310，高程桩号桩号电平仪GK6700套52、周边缝面板与趾板结构缝三向测缝计TSJ套8(24)河床底部（0+310）二向测缝计TSJ套1(2)3、面板接缝三个观测断面测缝计（单向）TS套324、钢筋应力面板内钢筋钢筋计GK支95、渗水压混凝土面板背后小区料中渗压计GK4500支96、面板脱空桩号0+310,高程205,225,245大量程位移计GK4911支87、面板混凝土温度桩号0+310温度计GK3700支3四、坝基观测1、渗水压力坝基沿河床底部渗压计GK4500支242、渗流量下游坝趾河床底部量水堰个13、断层带水位两岸坡断层带内渗压计GK4500支4五、坝肩观测绕坝测压管左右坝肩钻孔个4六、库水位观测坝前、坝后水位水位计GK支33 原型观测系统施工大坝安全监测系统一般可分为仪器埋设安装（含仪器采购及埋设前的准备）、施工期观测及竣工验收移交三个阶段。随着工程的进展，盘石头水库大坝坝体及面板部分观测项目已进入埋设安装和施工期观测阶段。由于大部分项目尚未实施，这里仅就仪器安装埋设施工的一般设计技术要求分述于后。工程安全监测实施按分部位、分时段进行，大坝仪器安装指导原则为：尽早获取大坝岸坡地下水文资料、尽量减少施工干扰与有效保护仪器三者之间的有机协调。本节主要说明大坝仪器的安装埋设方案。其他部位仪器安装埋设属常规仪器安装，工序控制较为常规，与土建作业干扰小，一般均依照土石坝安全监测技术规范（SL 60-94）和混凝土大坝安全监测技术规范（SDJ336-89）进行。3.1变形监测网的设计建网要求3.1.1大坝平面变形控制网及高程控制网根据两岸地形、地质和通视条件等分别设置工作基点和校核基点，共设置工作基点3个（包括水准基点、下同），校核基点1个。坝体共设置表面变形测点35个，其中面板表面测点15个，坝坡表面测点20个，另为坝体内部变形监测提供基准需在坝下游坡面观测房顶部设置3个测点。坝体表面变形监测，水平位移采用视准线法测量，竖向位移采用水准法测量。表面变形测点的位移通过测线两端的工作基点和校核基点进行观测。平面变形控制网平行坝轴线方向共设8条测线，覆盖大坝、坝坡整个区域。高程控制网网形布成闭合环形。变形观测的精度。参照土石坝安全监测技术规范（SL 60-94）执行。平面控制网监测按一等三角测量精度进行观测，采用徕卡TC2003全站仪（0.5，1+1ppm）进行测角和测距。对平面网的监测，每年进行一次（或两次），并在下闸蓄水前取得23次测值，以后尽可能固定月份，即选择外输送环境相近的情况下进行观测，以减少外界条件对观测成果的影响。高程控制网点监测采用精密数字水准仪DNA03及铟钢测尺进行施测，作业方法按一等水准测量规定进行。由水准基点到工作基点的联测，每年进行一次（或两次），并保证下闸蓄水前取得23次测值，尽可能固定月份，即选择外界环境相近的情况下进行观测，以减少外界条件对观测成果的影响。3.2 渗压计的安装埋设坝基渗流压力观测包括天然岩土层、人工防渗和排水设施等关键部位渗流压力分布情况的观测。沿趾板后不同高程布置了9支渗压计以监测人工防渗体的渗流压力；在坝体内部按地形条件分3个断面，布置宽阔的河谷段布置了一个主断面共5支，两岸分别布设了一个断面，每个断面2支渗压计。在施工中，坝基开挖后，为监测揭露断层中的地下水活动情况，在两岸断层出露处各增加埋设了2支渗压计，钻孔埋设，孔深按实际地质情况确定，深度平均约20m。坝基渗压计的安装埋设采用坑式埋设法。在设计测点处坝基上挖坑，坑深约40cm,采用砂包裹体的方法，形成透水室将渗压计在坑内就地埋设。砂包裹体由中粗砂组成，并以水饱和。趾板后的渗压计埋设，则在仪器位置钻100mm深50cm的孔，按孔内渗压计的埋设方法安装仪器。但由于趾板后期人工固结灌浆，所有孔内均被水泥浆填充，导致钻孔被封堵，再次钻孔存在很大困难，最后采取砂包裹法将渗压计埋设在趾板后的小区料中。仪器电缆沿库底穿保护管集中引入临时或永久性观测站。3.3垂直、水平位移计及观测电缆的安装埋设垂直、水平位移计及观测电缆的安装埋设将成为本工程仪器安装的重点。当坝体填筑到仪器高程时，根据施工安排或工程实际采用挖槽法或表面堆填法安装、埋设。为避免沉降过大对电缆造成较大的损坏，在沟槽内按下述方法施工：回填过渡料混合料铺填粗砂安装仪器或电缆铺填粗砂混合料回填过渡料回填石碴至表面平整。在规定填筑厚度内仪器线路，禁止振动碾压和大型机械设备通行。水管式沉降仪必须随坝体填筑埋设,采用挖沟槽法埋设或堆填法埋设，沟槽法埋设工序为：（1）基槽开挖，当坝面填筑到测点以上约1.2m高程时，沿埋设线开挖埋设沟槽；（2）基床的制备，以反滤形式人工压实整平基床；在埋设测头处砌筑浆砌石平台，测量测头的标高，并同时水准仪校测管路基床坡度。（3）测头和管路的安装。将测头置于平台上，连接各管路，在其周围立大于测头外径10cm的砼模板，模板顶面铺设一层钢筋网，砼浇筑至顶面抹平。砼浇筑前对测头性能进行测试，确认合格后方可始浇筑。管线沿设置好的基槽埋设。（4）量测系统安装。将各测头的管路对号就位到量测板上，打开各测头通气管路上阀门，依次用脱气水给各测头的量测管充水排气，气泡排尽后开通向玻璃量管的阀门，使管内水位稳定后，读出水面刻尺数值，此值即测头起始读数，同时测出量测管安装基面高程，记录安装埋设表。（5）回填及碾压。调试完毕后进行回填以埋设管线和测点的施工。埋设严格控制高度和禁止振动碾压，细心保护管线和测头，确保仪器安装的完好率。水平位移计采用南科院生产的NDCY-1新型可分段埋设和测量的水平位移计。盘石头水库大坝2003年汛前的填筑为保证汛前面貌的实现采用经济断面填筑，按土建实际进度，已分2次分段安装了第一层水平位移计。埋设过程中均做到细心整平埋设基座，各机械件连接牢固可靠。特别是对的连接应保证牢固，埋设的锚固板周围应回填密实并浇筑混凝土。埋设步骤：（1)定位,测量出埋设的管路和测点位置；(2)细心整平埋设基座成水平,在粗颗粒料中以反滤层形式填平补齐压实达到埋设高程；(3)水平位移计安装；(4)检查安装各个环节,并进行一次试测,正常后回填.首先在锚固板处(即测点处)立模板浇筑锚固板的砼块体,浇筑时切忌砂浆进入伸缩接头与保护管之间的缝隙,以不便影响其灵活滑动。(5)人工细心回填管线周围，并压实到坝体的设计密度，回填压实时勿冲击管身，回填超过仪器顶面以上约1.8m时即可进行振动碾压恢复大坝的正常填筑施工。3.4三向测缝计的安装测点的测量定位，设置予埋件和电缆沟槽，电缆均编号标志。仪器埋设前检查传感器和电缆的防水性能和电器性能。根据事先设计确定的传感器在坐标板的位置，检查其相应的读数是否在预定的范围内，否则调整。将三个传感器分别固定在坐标板相应的位置上，并将坐标板固定埋件螺丝固定在趾板上，三个传感器的钢丝引到面板的测量标点上加以固定。在趾板水平段的三向测缝计需要浇筑混凝土保护体以防止坝前铺盖对仪器的损坏。3.6温度计的安装为配合大坝混凝土面板施工，监测混凝土内部温度以保证面板浇筑质量，我项目部严格按设计要求，进行了混凝土内部温度观测，并同时记录了气温的变化。3.7仪器电缆的标识与保护措施仪器与电缆安装或敷设后，根据需要将仪器电缆引入临时或永久性观测站内，采用钢制品（如铁箱、钢筒等）上锁加以保护，以免受到施工破坏。仪器电缆安装或敷设后，即进行标识并绘制仪器坐标、电缆走线图，并及时报送监理工程师与土建承包商。仪器电缆部位的混凝土拆模后，在其表面用红漆标识仪器及电缆位置，以免灌浆钻孔等破坏仪器与电缆。4.观测成果的初步分析由于盘石头水库工程尚处施工期，目前大坝填筑完成了将近一半工程量，一期面板浇筑完毕，所以观测成果从变形、渗流和面板温度做简单介绍。4.1沉降变形观测分析水管式沉降仪按三层布置，其高程分别在1/3、1/2、2/3坝高处，第一层埋设后观测时间为3个月。其观测成果如下表：测点编号测点坝轴距上覆厚度（m）沉降量（cm）TC1-1坝上0+90102.39TC1-2坝上0+602511.49TC1-3坝上0+283019.19TC1-4坝上0+003017.09TC1-5坝下0-35109.79观测结果表明，堆石体量沉降量和其上覆堆石体厚度相关，按堆石体厚度40m计算，最大沉降量为0.5，说明沉降量较小，随着上覆堆石体厚度的增加，沉降量将增大。第二层仪器埋设时间短，观测数据如下表：测点编号测点坝轴距上覆厚度（m）总计沉降量（cm）TC2-1坝上0+6053.01TC2-2坝上0+28104.51TC2-3坝上0+0002.814.2面板温度观测分析盘石头大坝一期面板浇筑时间经多方论证选定在5月份，后由于施工进度拖延到6月中旬结束，为了解面板混凝土内部温度变化和气温的关系，控制混凝土的浇筑质量，我们在气温较高时段安装了2支温度计，其过程曲线见图。仪器编号混凝土最高温度（）混凝土内部和气温温差最大值（）浇筑后混凝土温度到最大值时间（小时）T-141.125.622T50.730.615.5从面板温度观测说明高温时段浇筑面板混凝土满足设计要求。4.4坝基渗流观测分析坝基渗压计的观测变化受降雨影响较大，沿趾板周边缝布设的渗压计目前水头在12m范围内变动，坝基渗压计水头较小，在0.5m1.0m范围内变动，两岸陡坡段布设的渗压计除降雨影响外，均无变化。两岸深孔渗压计的埋设是为了解两岸断层影响带地下水活动情况，从目前观测数据分析，地下水位随地表降雨变化，说明其水力联系密切，影响带贯通性较好。5.结束语（1）大坝沉降量观测是大坝观测的重点内容，是指导施工，反馈设计的重要手段。从目前观测结果看，大坝填筑施工参数可行，质量保证。（2）大坝渗压计观测结果表明地表水和地下水联系紧密，大坝内部渗流观测将是大坝蓄水后的重点内容。（3）分段埋设水平、垂直位移计，配合经济断面施工安装仪器设备，并进行观测，尽早取得施工期观测资料，仪器选型和施工配合上，都很重要。（4）仪器运行正常，保证了大坝蓄水过程的观测，确保数据完整。