黃河龍口水利樞紐工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

王 浩 李幫芬 夏艷松

1 設(shè)計(jì)原則及監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

1.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)龍口大壩壩基內(nèi)存在多層軟弱夾層、壩基深層巖體彈模低于淺層巖體、壩基內(nèi)存在深層承壓水的工程地質(zhì)條件,以及壩體水工建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以壩基、壩體變形及與此相關(guān)的揚(yáng)壓力、滲漏量監(jiān)測(cè)為主。

監(jiān)測(cè)儀器的布置遵循以下基本原則:(1)能全面反映大壩的工作狀況,儀器布置目的明確,重點(diǎn)突出;(2)監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備耐久、可靠、穩(wěn)定有效,力求先進(jìn)和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè);(3)在監(jiān)測(cè)斷面選擇及測(cè)點(diǎn)布置上,既考慮分布的均勻性,又要重點(diǎn)考慮有特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)部位及地質(zhì)構(gòu)造;(4)施工期與運(yùn)行期連續(xù)監(jiān)測(cè);(5)自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合,以自動(dòng)監(jiān)測(cè)為主,人工監(jiān)測(cè)為輔。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

依據(jù)工程建筑物級(jí)別及DL/T 5178—2003《混凝土大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》,選設(shè)下列監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:位移、撓度、接縫和裂縫、滲漏量、揚(yáng)壓力、繞壩滲流、混凝土溫度、局部應(yīng)力應(yīng)變、壩基溫度、壩前淤積、水位、庫(kù)水溫、氣溫等。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置及監(jiān)測(cè)方法

龍口大壩主要監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備布置見(jiàn)附圖1。

2.1 變形監(jiān)測(cè)

2.1.1 壩體、壩基水平位移

(1)高程895.0m觀測(cè)廊道內(nèi)布置1條引張線。1#、19#壩段的垂線作為引張線的控制基點(diǎn)。1#～19#壩段每壩段設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)近壩頂?shù)乃轿灰啤?/p>

(2)10#～18#、3#～10#壩段灌漿及主排水廊道內(nèi)各布置1條引張線,以3#、10#、18#壩段垂線作為引張線的控制基點(diǎn)。4#～10#、11#～17#壩段每壩段設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),監(jiān)測(cè)壩基的水平位移。

引張線的觀測(cè)采用單向引張線儀進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。人工觀測(cè)設(shè)備采用讀數(shù)顯微鏡。

2.1.2 壩體撓度

壩體撓度采用垂線監(jiān)測(cè)。選擇1#、19#邊坡壩段和3#主安裝間壩段、10#副安裝間壩段、18#表孔壩段各布置1條垂線。為減少垂線長(zhǎng)度,保證監(jiān)測(cè)精度,壩頂至灌漿及主排水廊道設(shè)正垂線,灌漿及主排水廊道高程以下設(shè)倒垂線,兩者在位于灌漿及主排水廊道同高程的觀測(cè)站內(nèi)相結(jié)合。倒垂線的錨固點(diǎn)位于基巖25～35m不等;正垂線錨固點(diǎn)位于壩頂混凝土內(nèi)。

垂線在高程852.0m灌漿及主排水廊道和高程895.0m觀測(cè)廊道處設(shè)垂線監(jiān)測(cè)站。采用雙向垂線座標(biāo)儀自動(dòng)監(jiān)測(cè)大壩的變位。人工采用垂線瞄準(zhǔn)器進(jìn)行觀測(cè)。

2.1.3 垂直位移

壩體、壩基和近壩區(qū)巖體的垂直位移,采用一等水準(zhǔn)測(cè)量。

壩下游布設(shè)一等水準(zhǔn)環(huán)線,由壩體水準(zhǔn)點(diǎn),沿兩岸上壩公路、左岸進(jìn)廠公路水準(zhǔn)點(diǎn),組成閉合高程控制網(wǎng)。

水準(zhǔn)點(diǎn)包括水準(zhǔn)基點(diǎn)、工作基點(diǎn)、水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)3種。

(1)水準(zhǔn)基點(diǎn)的布設(shè)。在壩下游沉陷影響范圍以外,左、右岸各埋設(shè)1組水準(zhǔn)基點(diǎn),每組水準(zhǔn)基點(diǎn)不少于3個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)石。

(2)工作基點(diǎn)的布設(shè)。為觀測(cè)壩頂?shù)某料?在左、右岸灌漿平洞內(nèi)各布設(shè)1組工作基點(diǎn),每組不少于2個(gè)測(cè)點(diǎn)。平洞內(nèi)一年四季溫度變化相對(duì)較小,作為觀測(cè)壩頂沉陷的基準(zhǔn)值。

灌漿及主排水廊道底高程852.0m,水準(zhǔn)路線可通過(guò)左岸下游進(jìn)廠公路經(jīng)1#壩段通向下游壩面的交通廊道引入。工作基點(diǎn)布置在左岸下游872.90m高程平臺(tái)的壩體交通廊道出口附近。

利用18#壩段基礎(chǔ)勘探豎井埋設(shè)雙金屬管標(biāo),作為灌漿及主排水廊道日常垂直位移觀測(cè)的工作基點(diǎn)。

(3)水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)的布設(shè)。在每個(gè)壩段壩頂下游側(cè)埋設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn),用以觀測(cè)壩頂?shù)拇怪蔽灰啤?/p>

在灌漿及主排水廊道和下游灌漿排水廊道內(nèi),每壩段各埋設(shè)1個(gè)水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)。為監(jiān)測(cè)大壩下游近壩區(qū)巖體的垂直位移,并檢測(cè)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性,按逐步趨近的原則,沿兩岸上壩、進(jìn)廠公路每隔0.3～0.5km埋設(shè)固定水準(zhǔn)標(biāo)點(diǎn)。標(biāo)點(diǎn)埋設(shè)在新鮮、穩(wěn)固的巖石上。

垂直位移采用精密水準(zhǔn)測(cè)量,觀測(cè)儀器采用自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀和銦瓦鋼尺。

另外,在較平坦的3#～18#壩段的灌漿廊道內(nèi)和壩頂各布置靜力水準(zhǔn)線1條,每壩段1個(gè)測(cè)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)壩頂和主要壩段壩基垂直位移的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.1.4 接縫監(jiān)測(cè)

(1)壩體縱縫監(jiān)測(cè)。在2#、8#、13#、18#壩段的壩體縱縫上埋設(shè)單向測(cè)縫計(jì)。每條縫不少于3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(2)壩體橫縫監(jiān)測(cè)。在2#、3#、8#、13#、18#、19#壩段的橫縫上埋設(shè)單向測(cè)縫計(jì)。測(cè)縫計(jì)沿高程布置3～4個(gè)斷面,每個(gè)斷面不少于2個(gè)測(cè)點(diǎn)(含三向測(cè)縫計(jì))。

(3)壩體與基巖面接觸監(jiān)測(cè)。在8#、13#、18#壩段的壩踵、壩趾與基巖的結(jié)合面埋設(shè)單向測(cè)縫計(jì)。每壩段4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

在岸坡壩段與兩岸基巖接觸面埋設(shè)測(cè)縫計(jì)。沿高程各布設(shè)3監(jiān)測(cè)斷面,每斷面不少于2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

(4)在13#底孔壩段和18#表孔壩段的壩趾與消力池底板間的縱縫上,各埋設(shè)2只單向測(cè)縫計(jì)。

2.1.5 高邊坡監(jiān)測(cè)

大壩左、右岸巖層傾向河床,壩頂以上邊坡高約35m。為監(jiān)測(cè)邊坡的穩(wěn)定性,在兩岸岸坡上、下游方向一定范圍內(nèi),各埋設(shè)1只固定式測(cè)斜儀和2根測(cè)斜管,結(jié)合繞壩滲流監(jiān)測(cè),對(duì)岸坡位移進(jìn)行綜合監(jiān)測(cè)。

2.1.6 壩區(qū)平面監(jiān)測(cè)網(wǎng)

為監(jiān)測(cè)近壩巖體和左、右岸岸坡的穩(wěn)定,檢查1#、3#、10#、18#、19#壩段的倒垂線在壩基內(nèi)的錨固點(diǎn)的穩(wěn)定性,分別在大壩下游1200m范圍內(nèi)的左、右岸各建造4～6座控制點(diǎn)監(jiān)測(cè)墩,在壩頂上5條正垂線錨固點(diǎn)處設(shè)監(jiān)測(cè)墩,兩者共同組成外部變形控制網(wǎng)。

2.2 滲流監(jiān)測(cè)

2.2.1 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

大壩基礎(chǔ)采用抽排降壓措施,為了對(duì)壩基揚(yáng)壓力進(jìn)行全面監(jiān)測(cè),設(shè)2個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面,7個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面。

(1)第1個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面布置在上游灌漿及主排水廊道內(nèi),第1道排水幕線上。第2個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面布置在下游灌漿排水廊道內(nèi),第3道排水幕線上。每個(gè)縱向監(jiān)測(cè)斷面在每個(gè)壩段設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn),埋設(shè)測(cè)壓管,測(cè)壓管深入基巖1m。

(2)橫向監(jiān)測(cè)斷面布置在1#、5#、8#、13#、18#、19#壩段,共6個(gè)斷面。

每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置3～6個(gè)測(cè)點(diǎn),測(cè)點(diǎn)布置以上游密、下游漸疏為原則。第1個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在基礎(chǔ)帷幕的上游,埋設(shè)測(cè)壓管,監(jiān)測(cè)淤沙對(duì)滲流的影響;第2個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在第1道排水幕線上,埋設(shè)深孔雙管式測(cè)壓管,監(jiān)測(cè)NJ303、NJ302軟弱夾層的揚(yáng)壓力,測(cè)壓管進(jìn)水管段應(yīng)埋設(shè)在軟弱夾層以下0.5～1m的基巖中;第3、4、5個(gè)測(cè)點(diǎn)分別布置在第1、2道排水幕下游及第2道排水幕線上,埋設(shè)測(cè)壓管,監(jiān)測(cè)第1、2道排水幕后及第2道排水幕線上的揚(yáng)壓力;第6個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在基礎(chǔ)下游灌漿排水廊道內(nèi)第3道排水幕線上,埋設(shè)深孔雙管式測(cè)壓管,監(jiān)測(cè)壩趾處基巖內(nèi)NJ303、NJ302軟弱夾層的揚(yáng)壓力。

(3)13#底孔壩段、18#表孔壩段下游一級(jí)消力池基礎(chǔ)內(nèi),各埋設(shè)1排滲壓計(jì),間距10～20m,監(jiān)測(cè)消力池基礎(chǔ)的揚(yáng)壓力。

在底孔、表孔一級(jí)消力池左、右岸邊墻上,各布置3～4個(gè)測(cè)壓管,監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)揚(yáng)壓力。

壩基揚(yáng)壓力的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器采用滲壓計(jì),人工采用壓力表進(jìn)行觀測(cè)。

2.2.2 壩體揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)壩體水平施工縫的滲透壓力,在13#、18#壩段上游面至壩體排水孔的水平施工縫上,埋設(shè)滲壓計(jì),各布置4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.2.3 混凝土蝸殼及尾水管滲透壓力監(jiān)測(cè)

在8#電站壩段鋼筋混凝土蝸殼及尾水管內(nèi),沿環(huán)向布置滲壓計(jì)。共布置3個(gè)斷面,每個(gè)斷面4個(gè)測(cè)點(diǎn)。

2.2.4 壩體、壩基滲流量監(jiān)測(cè)

(1)壩基滲漏量。在灌漿及主排水廊道及下游2道排水廊道內(nèi),分段布置量水堰,量測(cè)各段壩基排水孔的涌水量。

(2)壩體滲漏量。在灌漿及主排水廊道內(nèi)橫向排水溝中,分段布置量水堰,監(jiān)測(cè)壩體各段的滲漏量。

(3)在各集水井中,通過(guò)集水井流量?jī)x,監(jiān)測(cè)壩體、壩基的總滲漏量。

2.2.5 繞壩滲流監(jiān)測(cè)

根據(jù)大壩與兩岸連接的輪廓線,在壩左、右岸上、下游岸坡各布置3列測(cè)壓孔,測(cè)孔的布置以能繪出繞壩滲流線為原則,測(cè)孔應(yīng)伸入原地下水位線以下。測(cè)孔總數(shù)為20個(gè),內(nèi)裝滲壓計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

2.3 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)包括鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)、壩體、壩基溫度監(jiān)測(cè)和泥沙壓力監(jiān)測(cè)等。

2.3.1 監(jiān)測(cè)壩段的選取

根據(jù)壩基情況、壩體結(jié)構(gòu)、日照影響等多方面因素,選取1#、8#、13#、18#壩段,分別作為邊坡壩段、電站壩段、底孔壩段、表孔壩段的代表壩段來(lái)布置監(jiān)測(cè)儀器。

2.3.2 應(yīng)力監(jiān)測(cè)

在8#電站壩段、13#底孔壩段的孔口周圍埋設(shè)鋼筋計(jì),監(jiān)測(cè)鋼筋應(yīng)力,同時(shí)監(jiān)測(cè)混凝土溫度。

2.3.3 壩體、壩基溫度監(jiān)測(cè)

(1)壩體溫度。在1#、13#、18#壩段的中心截面,按網(wǎng)格布置測(cè)點(diǎn)。測(cè)點(diǎn)間距約12m,埋設(shè)溫度計(jì)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

(2)壩面溫度。下游壩面受日照影響,混凝土溫度變幅較大。在2#、13#、18#壩段下游壩面中部埋設(shè)1排表面溫度計(jì),用以監(jiān)測(cè)下游壩面溫度和混凝土的熱傳導(dǎo)性。表面溫度計(jì)埋設(shè),沿水平方向間距分別為10,20,40,60cm。

(3)基巖溫度。在2#、13#、18#壩段的壩基巖石中,分別在上游、下游、中間部位沿水流方向埋設(shè)3排溫度計(jì),每排布置4支,距基巖面分別為0,1.5,3.0,5.0m。

2.3.4 淤沙壓力監(jiān)測(cè)

為監(jiān)測(cè)大壩上游面淤積形成的泥沙壓力,在2#、11#、13#、18#壩段上游面淤沙高程以下各布設(shè)1只土壓力計(jì)。

2.3.5 下游尾巖(深層滑動(dòng)抗力體)監(jiān)測(cè)

底孔、表孔壩段下游消力池基巖,作為深層滑動(dòng)的抗力體,需打錨索進(jìn)行加固處理。為了解錨索和抗力巖體受力情況,在13#、18#壩段下游各選擇2個(gè)錨索安裝應(yīng)力計(jì)。

為了解尾巖的應(yīng)變情況,在上述壩段的消力池、尾水渠基巖內(nèi),埋設(shè)基巖多點(diǎn)位移計(jì)。

2.4 環(huán)境量監(jiān)測(cè)

2.4.1 水位監(jiān)測(cè)

在11#壩段上游壩面、以及壩下游270m左右各布置1只遙測(cè)水位計(jì),自動(dòng)監(jiān)測(cè)相應(yīng)區(qū)域的水位變化。

2.4.2 庫(kù)水溫監(jiān)測(cè)

在2#、11#壩段壩前設(shè)2條水溫測(cè)線,采用深水溫度計(jì)監(jiān)測(cè)庫(kù)水溫度。

2.4.3 氣溫監(jiān)測(cè)

在11#壩段下游高程872.90m平臺(tái)上設(shè)置1個(gè)氣溫監(jiān)測(cè)站,采用自記溫度計(jì)監(jiān)測(cè)。

2.4.4 冰棱監(jiān)測(cè)

主要包括冰棱現(xiàn)象和冰層厚度,壩前冰蓋層的整體移動(dòng)和冰壓力觀測(cè)。

2.4.5 水力學(xué)監(jiān)測(cè)

主要采用目測(cè)法對(duì)水流流態(tài)、水面線、下游霧化等進(jìn)行觀測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測(cè)儀器的選型

由于大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有規(guī)模大、分布廣、測(cè)點(diǎn)多,觀測(cè)精度要求高,且大部分監(jiān)測(cè)儀器長(zhǎng)年處在濕度大、高低溫、強(qiáng)電磁干擾等惡劣的環(huán)境下工作,因此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、儀器的結(jié)構(gòu)應(yīng)相對(duì)簡(jiǎn)單,易于維護(hù),抗干擾能力強(qiáng),數(shù)據(jù)測(cè)量穩(wěn)定,性能可靠,實(shí)用、經(jīng)濟(jì)和先進(jìn)。

針對(duì)本工程大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng),主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目共分4類,包括變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)、應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)和環(huán)境量監(jiān)測(cè)。設(shè)計(jì)采用的主要儀器有:單向引張線儀、雙向垂線坐標(biāo)儀、靜力水準(zhǔn)儀、位移計(jì)、雙金屬標(biāo)、多點(diǎn)位移計(jì)、測(cè)縫計(jì)、測(cè)斜儀、滲壓計(jì)、量水堰滲流量?jī)x、翻斗雨量計(jì)、溫度計(jì)、水位計(jì)等。為減少系統(tǒng)維護(hù)量,簡(jiǎn)化系統(tǒng)配置,提高系統(tǒng)的兼容性,監(jiān)測(cè)儀器的類型主要以振弦式為主,其他類型儀器為輔。

3.2 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器、監(jiān)測(cè)分站、監(jiān)測(cè)總站、電纜、網(wǎng)絡(luò)通訊連接和安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟、硬件組成。傳感器通過(guò)信號(hào)電纜與數(shù)據(jù)采集單元(監(jiān)測(cè)分站)相連,信號(hào)電纜將數(shù)據(jù)采集單元所采集的信號(hào)傳輸?shù)奖O(jiān)控管理中心(監(jiān)測(cè)總站),從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分站主要設(shè)有數(shù)據(jù)采集單元,每一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元的布置是根據(jù)其監(jiān)控測(cè)點(diǎn)數(shù)量的多少、類型和距離確定的。每一個(gè)數(shù)據(jù)采集單元對(duì)所轄監(jiān)測(cè)儀器按工控機(jī)的命令或設(shè)定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè),并轉(zhuǎn)化為數(shù)字量,暫存在數(shù)據(jù)采集單元中。各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元中的數(shù)字量通過(guò)信號(hào)電纜并根據(jù)工控機(jī)的命令向主機(jī)傳送所測(cè)數(shù)據(jù)。

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)龍口水利樞紐大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)使大壩安全監(jiān)測(cè)達(dá)到“無(wú)人值班,少人職守”的管理水平,提高了大壩安全預(yù)警功能,為大壩安全運(yùn)行提供了可靠的保證。

(2)通過(guò)選擇技術(shù)先進(jìn)、性能可靠的儀器設(shè)備,建立性能優(yōu)良的大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng),能夠及時(shí)準(zhǔn)確地了解大壩的運(yùn)行狀態(tài),同時(shí)達(dá)到實(shí)用和科學(xué)研究的目的。

(3)由于監(jiān)測(cè)區(qū)域較大,測(cè)點(diǎn)較多,比較分散,且地處雷區(qū),所以必須充分考慮整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的防雷和抗干擾能力。

(4)工程區(qū)溫差大(絕對(duì)最高氣溫38.6℃,絕對(duì)最低氣溫-32.8℃,),廊道內(nèi)濕度大,因此自動(dòng)化系統(tǒng)的前端數(shù)據(jù)采集裝置必須滿足氣候環(huán)境要求。

(5)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)應(yīng)具有穩(wěn)定可靠、實(shí)用靈活、維護(hù)方便、擴(kuò)展性能強(qiáng)的特點(diǎn)。