高土石壩內部變形觀測

何福江, 甘莉芬

(1.中國水利水電第七工程局有限公司一分局,四川彭山 620860;2.中國水利水電第七工程局有限公司科研設計院,四川郫縣 611730)

1 概 述

土石壩內部變形觀測包括分層豎向位移、分層水平位移、界面位移觀測等。筆者結合磽磧水電站大壩工程,對高土石壩內部變形觀測工作進行了總結。

磽磧水電站為寶興河梯級開發的龍頭水庫,總庫容約 2.0億m3,調節庫容 1.87億 m3,具有年調節能力,電站裝機容量 240MW。

磽磧水電站礫質土直心墻堆石壩最大壩高125.5m,屬 100m級高土石壩,壩軸線長 452.70 m,壩頂寬 10.00m,最大底寬 450.00m,上游壩坡為 1∶2,下游壩坡為 1∶1.8。壩體基礎為深厚覆蓋層,覆蓋層一般厚 57～65m,最大厚度達 72.40 m,心墻基礎設計了一道厚 1.2m、最大深度 68m的混凝土垂直防滲墻。

2 內部變形觀測斷面的布置

2.1 分層豎向位移觀測斷面的布置

在垂直于壩軸線的中部縱 0+215斷面,分別于壩 0+000、壩 0+060、壩 0+102各布置了一套活動式測斜儀,安裝沉降環監測分層豎向位移。

在縱 0+215斷面,分別于 2061m高程(大約 1/3壩高處)、2085m高程(大約 1/2壩高處)、2110m高程(大約 2/3壩高處)各布置了一套水管式沉降儀。

在距離左壩肩約 115m的縱 0+115斷面、2110m高程布置了一套水管式沉降儀。

在距離右壩肩約 125m的縱 0+315斷面,分別于 2085m高程、2110m高程各布置了一套水管式沉降儀。

2.2 分層水平位移觀測斷面的布置

在壩軸線(壩 0+000斷面)分別于縱 0+115壩體防滲心墻、縱 0+215壩基防滲墻、壩體防滲心墻各布置了一套固定式測斜儀。

在縱 0+215斷面,分別于壩 0+000、壩 0+060、壩 0+102各布置了一套活動式測斜儀。

與水管式沉降儀結合,布置了 6套引張線式水平位移計。

2.3 界面位移觀測斷面的布置

在壩 0+000斷面,左右岸壩體與岸坡交界面不同高程布置了 10支錯位計。

3 內部變形觀測儀器的工作原理及安裝要點

3.1 分層豎向位移觀測儀器

3.1.1 電磁式沉降環的工作原理及安裝要點

(1)電磁式沉降環的工作原理:將帶有永久磁鐵的沉降環固定在測斜管上,帶有讀數開關的電磁式沉降儀探頭通過鋼尺連接放入測斜管中,在鋼尺的兩側帶有兩根導線。當探頭通過沉降環時,將會使探頭讀數開關閉合,而使地表的鋼尺絞盤蜂鳴器發聲。當蜂鳴器鳴叫時,通過讀取鋼尺上的讀數獲得沉降環的深度。

(2)電磁式沉降環的安裝要點。

①基準磁鐵的安裝:在距離測斜管底蓋約 1 m的上方,用 3顆螺絲固定基準磁鐵。

②沉降環的安裝:沉降環應安裝在設計高程的一根測斜管底部以上至少 0.75m的位置,在沉降環以下 0.75m之間涂少量黃油,便于沉降環滑動。

3.1.2 電測式水管式沉降儀的工作原理及安裝要點

(1)電測式水管式沉降儀工作原理:將埋設在壩體內的水管式沉降儀測頭與觀測站內的電測系統用管路連接,使其形成連通管。壩內沉降儀測頭的溢流面高程與壩體外部觀測站內管道水位相同,當壩內沉降儀測頭發生沉降時,壩體外部觀測站內的管道水位也相應下降。觀測站內管道水位變化值加上觀測房自身的沉降即為壩體內沉降儀測頭的沉降量。在觀測站的測量管內安裝傳感器,當管內水位發生變化時,傳感器及時顯示管內水位變化值(即壩體沉降)。

(2)電測式水管式沉降儀的安裝埋設。

①埋設工序:測量放線→修建永久觀測房→壩體填筑至超過儀器安裝高程 1.8m→以傾向觀測房 1%的坡度開挖 1.8m深、至少 3m寬的溝槽→局部修坡、找平→填筑反濾料 30cm厚并壓實合格→用漿砌石砌筑約 50cm高的底座(底座向觀測房一側做成 1∶2的順坡)→排列水管→安裝沉降測頭、測量機柜→試水→用水平尺校準測頭水平(不平整度應小于 ±2mm)→澆筑測頭保護墩→分層填筑反濾料至原開挖溝槽表面。

②安裝要點。測量機柜定位于設計位置,從觀測房的預留孔向上游排列 PE保護管,預留排氣管比保護管長 1.5m,機柜高度視測量水管位置而定。加水調試,嚴格檢查各測點管路不得有漏水現象,經多次測試待數據穩定后方可回填并進行正常觀測。沉降測頭必須用鋼筋混凝土包裹,澆筑混凝土時應防止混凝土砂漿進入沉降測頭與保護管之間的縫隙。混凝土拆模后,仔細回填管線四周,既要壓實到與四周壩體相同的密度,又要防止其沖擊保護管,回填到超過儀器頂面1.8m后方可進行正常填筑。

3.2 分層水平位移觀測儀器

3.2.1 固定式測斜儀工作原理及安裝要點

(1)固定式測斜儀工作原理:傳感器通過連接桿和固定輪連接,安裝于帶標準導槽的測斜管中,其連續性使儀器能準確測量結構內局部的傾斜度。

(2)固定式測斜儀的安裝。

①鉆孔內固定式測斜儀的安裝。將帶導槽的測斜管用錨固螺釘逐根連接,放入鉆孔內,周圍灌漿固定測斜管,并保證管的整體傾斜度不超過5°,且應保證導槽嚴格對正,不得偏扭。

將保險鋼絲繩連接到底部滑輪帶螺絲孔的部件上。用配套的螺絲、螺母逐段連接連接管、傳感器、固定輪、萬向節并用螺紋鎖固劑鎖緊,邊連接邊下放至已經穩固的測斜管內,直到設計位置。

安裝頂部托架和頂蓋,引出電纜,測讀數據,以穩定 2h后的讀數為初始讀數。

②壩體內固定式測斜儀的安裝。采用錨固螺釘連接上下各節測斜管,每安裝一根測斜管,用測量儀器進行測量,以保證測斜管整體傾斜度不超過 5°,并且保證導槽一邊平行于壩軸線方向,另一邊垂直于壩軸線方向,不得偏扭。測斜管安裝至設計高程,按“鉆孔內固定式測斜儀的安裝”方法安裝連接桿、傳感器、固定輪及萬向節等。

3.2.2 活動式測斜儀工作原理及安裝要點

(1)活動式測斜儀工作原理:測斜儀探頭本身包括一個受重力作用的擺錘,使用一個力平衡伺服加速度計,其位置傳感器可以探測擺錘的位置,并且提供足夠的伺力使擺回到豎直零位置。從豎直零位置傾斜越大,恢復力越大,因而擺塊不能自由運動。伺復力的大小轉變成信號輸出在讀數裝置上顯示為傾斜量。由于伺復力和傾斜角的正弦成正比,因而輸出值也與測孔水平位移成正比。

(2)活動式測斜儀的安裝。

活動式測斜儀的安裝與“壩體內固定式測斜儀的安裝”中測斜儀的安裝方法相同。

將通過電纜連接在讀數儀上的測量探頭放至測斜儀底部開始讀數,依次向上提升,每提升一米測量一次,直到測斜儀頂部。用同樣方法測旋轉180°后的另一組讀數。

3.2.3 電測式水平位移計工作原理及安裝方法

(1)電測式水平位移計工作原理:引張線(不銹銦鋼絲)從大壩內引入大壩外部觀測房后,將銦鋼絲繞在測量系統的導向輪上,在鋼絲末端掛上重錘,當壩內測點發生位移時,銦鋼絲相應移動,從而帶動導向輪轉動,鋼絲移動量與導向輪的轉角呈正比,通過測量導向輪的轉動角度,可以得出鋼絲的位移量,即大壩內部測點處的位移量。

(2)電測式水平位移計的安裝方法。

①埋設工序:測量放線→修建永久觀測房→壩體填筑至超過儀器安裝高程 1.8m→以傾向觀測房 1%的坡度開挖 1.8m深、至少 3m寬的溝槽→局部修坡、找平→填筑反濾料 30cm厚并壓實合格→排列保護管→穿銦鋼絲、安裝伸縮接頭、錨固板、測量機柜→調試→澆筑錨固板保護墩→分層填筑反濾料至原開挖溝槽表面。

②安裝要點。測量機柜定位于設計位置,使測量機柜外滑輪方向對準埋設管路的預留孔約15cm。從觀測房的預留孔開始向上游排列保護管,并使保護鋼管伸進觀測房內墻壁距離約 10 cm,機柜距鋼管端 70cm/100cm,鋼管距機柜正面墻 180cm/200cm,鋼管距觀測房地面 60cm。

排列保護鋼管時,鋼管之間在伸縮接頭中應相隔 30cm(為鋼管伸縮量),在伸縮接頭中安裝架盤及相應的配套零件,并在設計測點位置安裝錨固板及對應編號的分線盤和鋼絲夾頭,保證槽標記向上。以此法安裝至最后一個測點。

排放銦鋼絲時預留2～3m,并仔細檢查鋼絲不得有傷痕、折彎、扭轉、縮徑及其它缺陷,按測點設計長度排列并編號,用專用的引線器牽引鋼絲。

管線定位后調整其水平度和直線度在 5mm范圍內,緊固所有螺釘,安裝加重砝碼、銦鋼絲、控制儀等。錨固板必須用鋼筋混凝土包裹,澆筑混凝土時,防止混凝土砂漿進入伸縮接頭與保護鋼管之間的縫隙。混凝土拆模后,仔細回填管線四周,既要壓實到與四周壩體相同的密度,又要防止其沖擊保護管,回填到超過儀器頂面 1.8m后方可進行正常填筑。

3.3 界面位移觀測儀器

錯位計工作原理及安裝要點:

(1)錯位計工作原理:測縫計一端焊接于混凝土中的錨筋上,另一端焊接于高塑性粘土中的錨固板上,當壩體或高塑性粘土區發生位移,測縫計即可顯示出來。

(2)錯位計的安裝方法。在設計安裝位置的混凝土板中打一根 φ20、深 1.0m的錨筋,將 25 cm×50cm×0.8cm的錨固鋼板置于高塑性粘土中,測縫計一端連接錨筋,另一端連接錨固板,引出電纜即可。

4 內部變形觀測資料分析

4.1 分層豎向位移觀測

(1)電磁式沉降儀觀測。僅有縱 0+215、壩0+102一套活動式測斜儀安裝完畢,每 8m安裝一個電磁式沉降環,用電磁式沉降儀觀測。因數據太短,暫時不便于分析。

(2)電測式水管式沉降儀觀測。在 2061m高程、2085m高程處安裝了水管式沉降儀。各斷面沉降量均在增大且與壩體填筑有關。隨著壩體的增高,測點處所承受的荷載越大,沉降量隨之增大。縱 0+215斷面、2061m高程沉降量最大值已接近 700mm,該部位填土厚度大約 43.5m,沉降量已達 1.6%(與安裝儀器時反濾料回填不夠密實也有一定關系),需要特別關注。目前 2085 m高程以上的填筑厚度僅為 15m,最大沉降量只有 25mm,僅沉降了 0.04%,說明沉降量較小。其代表沉降量過程線見圖 1。

4.2 分層水平位移觀測

(1)固定式測斜儀觀測。因只有防滲墻固定式測斜儀完成安裝,側向撓度過程線見圖 2。

對側向撓度過程線進行分析:防滲墻側向撓度累計變化量于 2006年 12月 8日出現最大值(2.78cm),為蓄水后的第三天,之后漸漸減小,降至 0.34cm,基本穩定。

(2)活動式測斜儀觀測。由于僅縱 0+215、壩 0+102活動式測斜儀安裝完畢,因數據太少,暫時不便于分析。

(3)電測式水平位移計觀測。由于僅安裝了2061m高程、2085m高程的水平位移計,且縱 0+215斷面、2061m高程水平位移變化不規律,壩 0+046以上三個測點在 2007年 1月 15日前基本都向上游位移,估計與大壩填筑施工有關。因為在安裝該斷面儀器時,下游填筑面比上游填筑面低將近 10m,安裝完儀器后,下游填筑迅速上升,導致下游面急劇加荷。2007年 1月 15日后,該斷面 7個測點均有緩慢向下游位移的趨勢,可能與庫區蓄水至大約 2061m高程有關,導致整個壩體有向下游位移的趨勢,但目前最大位移量僅為 26.3mm,基本穩定。縱 0+315斷面、2085m高程水平位移在 2007年 1月 19日前總體向上游位移,分析其原因:儀器安裝完后因雨、雪影響心墻部位,填筑很慢,兩個月時間基本都比下游過渡料區和堆石區低,下游填筑時向上游擠壓,而心墻不能起到抵載作用。縱 0+215斷面、2085m高程,壩 0+20位置水平位移持續增大,2007年 1月 28日增長速率加快,最大位移量達到 9.2mm,該測點位于下游反濾料區的下游與過渡料區的交界面上,由于其它測點水平位移變化不大,該反濾料區的上游邊界測點位移僅 0.3mm,所以,C14的位移量偏大原因難以解釋,需要繼續關注。其位移量過程線見圖 3。

圖 1 縱 0+215斷面、2061m高程沉降觀測過程線示意圖

圖 2 防滲墻固定式測斜儀側向撓度變化量過程線示意圖

圖 3 縱0+215斷面、2061m高程水平位移過程線示意圖

圖 4 岸坡界面位移過程線示意圖

4.3 界面位移觀測

岸坡錯位計的觀測。岸坡錯位計僅安裝了 6支,且 J3、J8安裝時間短,數據尚少,其界面位移過程線見圖 4。

對界面位移過程線進行分析:錯位計總體位移有緩慢增大趨勢。分析其原因可能是錯位計位于左、右岸貼坡混凝土板與高塑性粘土的接觸界面。由于混凝土板幾乎是鋼性結構,而高塑性粘土是柔性結構,受壩體填筑影響,在施工期沉降相對較大,局部沉降引起該界面產生切向位移。

5 結 語

磽磧水電站土石壩為 100m級高土石壩,為寶興河梯級開發最上游的龍頭水庫,壩體的安全程度直接影響下游的寶興縣、雅安市以及寶興、小關子、銅頭、雨城水電站的安全,所以,其大壩安全監測尤其重要。而內部變形觀測可以及時了解壩體安全狀況,預報壩體的穩定狀態。因此,本工程有必要進一步加強內部變形觀測工作,及時整理分析相關資料,以便及時掌握大壩的工作狀況,保證工程安全,防患于未然,同時還起到指導施工、保證工程質量的作用,為類似工程積累經驗。