英布魯水電站安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

蔣志勇 李秀明 謝廣宇

英布魯水電站為大 (Ⅰ)型工程,攔河樞紐為閘壩式,主要建筑物沿壩軸線從左至右依次為:左岸土壩、泄水閘、河床式電站廠房和右岸土壩,按1級(jí)建筑物設(shè)計(jì)。

左岸土壩位于原主河床,為土質(zhì)防滲體分區(qū)壩,最大壩高32.5 m,壩頂高程311.50 m,左岸土壩長283 m；泄水閘包括2個(gè)底孔和1個(gè)表孔,閘頂高程311.50 m,最大高度35 m,閘室段長37 m；河床電站壩段全長128.4 m,其中機(jī)組段為4個(gè)壩段,總長90.9 m；右岸土壩長132.6 m,樞紐壩頂總長度581 m。

攔河建筑物建基面座落在弱鈣質(zhì)膠結(jié)的白堊系(K2)軟弱砂巖上,巖體力學(xué)強(qiáng)度低,呈中等—強(qiáng)透水性,透水性較強(qiáng),易產(chǎn)生滲透變形。工程區(qū)域地震烈度小于6度,壩址區(qū)屬無地震或輕微地震破壞區(qū)。

1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布置原則

本工程主要建筑物包括:土壩、河床電站、泄水閘。根據(jù)本工程的地質(zhì)條件和主要建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),為了解樞紐擋水建筑物的運(yùn)用情況,掌握其變化規(guī)律,監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以監(jiān)測(cè)建筑物的安全運(yùn)行狀態(tài)為主,監(jiān)測(cè)對(duì)象以壩體、壩肩、壩基為主,其它水工建筑物為輔。

監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)布置原則為:

(1)以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主,自動(dòng)監(jiān)測(cè)與人工監(jiān)測(cè)相結(jié)合。

(2)在滿足監(jiān)測(cè)精度的前提下,力求監(jiān)測(cè)方便、直觀,各監(jiān)測(cè)值相互對(duì)比、校核。

(3)在較全面反映建筑物實(shí)際工況的基礎(chǔ)上,監(jiān)測(cè)項(xiàng)目力求少而精,有針對(duì)性,突出重點(diǎn),各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目相互協(xié)調(diào),便于監(jiān)測(cè)資料的整理分析和相互驗(yàn)證。

(4)在監(jiān)測(cè)斷面選擇及測(cè)點(diǎn)布置上,既要注意地質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部位,又要考慮分布的均勻性。

(5)儀器性能結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精密可靠、長期穩(wěn)定性好,并易于埋設(shè),維護(hù)簡(jiǎn)便。

(6)施工期與運(yùn)行期能連續(xù)進(jìn)行監(jiān)測(cè),及時(shí)了解并掌握建筑物在施工期、第1次蓄水及運(yùn)行期的工作狀況。

1.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

根據(jù)SL60—94《土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》、DL/T5178—2003《混凝土壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定,監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以壩體變形及與其相關(guān)的揚(yáng)壓力、滲流監(jiān)測(cè)為重點(diǎn),結(jié)合應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè),本工程選擇的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目有:

(1)壩面變形監(jiān)測(cè),包括水平位移和垂直位移。

(2)滲流監(jiān)測(cè),包括壩體滲透壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流。

(3)壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)。

(4)應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)。

(5)環(huán)境量監(jiān)測(cè),包括上、下游水位及氣溫等。

2 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置及方法

2.1 壩頂水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)選擇

本工程壩頂長度581 m,且分為左岸土壩、混凝土壩 (河床電站和泄水閘)和右岸土壩共3段,各段變形量差別較大。壩頂水平位移監(jiān)測(cè)分別比較了視準(zhǔn)線法、引張線法和激光準(zhǔn)直法。

(1)視準(zhǔn)線法。視準(zhǔn)線法為人工觀測(cè)方法,觀測(cè)和計(jì)算較簡(jiǎn)便,當(dāng)視線不長時(shí) (一般不宜超過300 m),精度比較高。本工程壩頂長度585 m,如采用視準(zhǔn)線法測(cè)量,需在壩上至少選定1個(gè)工作基點(diǎn),先測(cè)定工作基點(diǎn)位移量后,再分段進(jìn)行其它各測(cè)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè),不僅測(cè)量難度高,測(cè)量工作量大,且有誤差累積,測(cè)量精度低。

(2)激光準(zhǔn)直法。考慮到壩頂長度及當(dāng)?shù)靥栞椛鋸?qiáng)、雨水多等因素,只能采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng),該系統(tǒng)不僅造價(jià)高,維護(hù)復(fù)雜,穩(wěn)定性相對(duì)較差,且對(duì)變形適應(yīng)量較小,工程所在地物質(zhì)匱乏,運(yùn)行人員維護(hù)能力較低,且土壩壩頂變形量較大,不適合采用激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。

(3)引張線法。引張線法具有投資小、觀測(cè)精度高、受外界影響小、對(duì)觀測(cè)條件要求低、操作簡(jiǎn)便、便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),形成自動(dòng)化系統(tǒng)后,測(cè)量速度快,重復(fù)性較好。通過合理的布置測(cè)點(diǎn)間距,1條引張線即可滿足全壩長的水平位移監(jiān)測(cè),但引張線法的量程也相對(duì)較小。

結(jié)合工程的具體情況,通過綜合比選,選擇引張線并實(shí)施自動(dòng)化,作為本工程壩頂水平位移監(jiān)測(cè)方法。針對(duì)工程土壩壩高較小,填筑完成后初期變形量大,后期自身及基礎(chǔ)變形都很小的特點(diǎn),先設(shè)置臨時(shí)水平位移觀測(cè)墩,采用視準(zhǔn)線法測(cè)量施工期及運(yùn)行初期壩體變形,至工程移交驗(yàn)收前,再安裝引張線并接入自動(dòng)化系統(tǒng),較好地解決了工程各壩段間變形量差別大,引張線量程適應(yīng)性不夠的問題。引張線儀采用可擴(kuò)展至40 mm量程的單向引張線儀。

2.2 土壩壩面變形

壩面變形監(jiān)測(cè)包括豎向位移和水平位移。

(1)縱斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置在壩頂下游側(cè),在土壩壩頂每隔50 m設(shè)置一測(cè)點(diǎn),豎向位移和水平位移測(cè)點(diǎn)相結(jié)合。采用水準(zhǔn)測(cè)量方法進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè),同時(shí)布置全長602 m的引張線,采用RY-40S型單向引張線儀進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè),引張線兩端各布置1條倒垂線,作為水平位移的校核基點(diǎn)。倒垂線布置位置分別為樁號(hào)0-001.00和0+586.00,倒垂線孔深度分別為40 m和30 m,采用RZ型垂線坐標(biāo)儀進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè),同時(shí)配備有人工監(jiān)測(cè)用光學(xué)垂線坐標(biāo)儀。

(2)在右岸壩肩部位布置1雙金屬管標(biāo),作為垂直位移的起測(cè)基點(diǎn),其頂部高程與測(cè)點(diǎn)高程相近,深度為30 m。

2.3 土壩內(nèi)部變形觀測(cè)

土壩內(nèi)部變形觀測(cè)分別在0+145,0+195,0+245樁號(hào)的壩0+2.35斷面各布置1套電磁沉降儀,每套沉降儀由基巖到308 m高程均勻布置5個(gè)沉降環(huán),監(jiān)測(cè)壩體分層沉降變化。

2.4 滲流監(jiān)測(cè)

2.4.1 壩體滲透壓力

壩體滲透壓力以監(jiān)測(cè)壩體浸潤線為主,根據(jù)壩體布置選擇5個(gè)斷面,斷面布置樁號(hào)為0+100.00,0+160.00,0+220.00,0+270.00,0+461.00。監(jiān)測(cè)斷面上設(shè)3～4條監(jiān)測(cè)鉛垂線。監(jiān)測(cè)儀器采用測(cè)壓管,測(cè)壓管內(nèi)設(shè)置電感式揚(yáng)壓力傳感器。

2.4.2 壩基滲流壓力

壩基滲流壓力監(jiān)測(cè),包括壩基天然巖土層、人工防滲和排水設(shè)施等關(guān)鍵部位滲流壓力分布情況的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)儀器采用差阻式滲壓計(jì)。

2.4.3 繞壩滲流

沿流線方向或滲流較集中的透水層,在土壩左右壩肩各設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,每個(gè)斷面設(shè)4個(gè)繞壩滲流觀測(cè)孔,共計(jì)16個(gè)觀測(cè)孔,孔口高程在304～320 m之間,孔底高程設(shè)計(jì)為291 m,以監(jiān)測(cè)壩肩邊坡滲流變化。觀測(cè)孔采用鉆孔后埋設(shè)測(cè)壓管,管內(nèi)設(shè)置電感式揚(yáng)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.5 泄水閘、電站廠房垂直位移及水平位移監(jiān)測(cè)

在泄水閘閘墩及電站廠房進(jìn)口閘墩上布置測(cè)點(diǎn),進(jìn)行垂直位移及水平位移監(jiān)測(cè)。水平位移與土壩采用同一條引張線進(jìn)行監(jiān)測(cè),引張線測(cè)點(diǎn)及垂直位移標(biāo)點(diǎn)均布置在壩頂下游側(cè)。在壩基布設(shè)位移監(jiān)測(cè)斷面2個(gè),每個(gè)斷面布置2組多點(diǎn)位移計(jì) (沿不同巖層高程埋設(shè)),監(jiān)測(cè)泄水閘閘墩及電站廠房的垂直位移變化。

2.6 壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

在泄水閘及河床電站壩基的灌漿廊道內(nèi)布置1條揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)縱斷面,每個(gè)壩段布置1根測(cè)壓管,測(cè)壓管深入建基面以下1.0 m,并內(nèi)置電感式揚(yáng)壓力傳感器。在泄水閘底孔及電站廠房2#機(jī)組段各選擇1個(gè)揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)橫斷面,布置樁號(hào)為0+382.00及0+298.50,每個(gè)斷面布置5個(gè)測(cè)點(diǎn),采用埋設(shè)滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.7 應(yīng)力、應(yīng)變及接縫開合度監(jiān)測(cè)

沿水流方向在電站蝸殼進(jìn)口段選取1個(gè)垂直水流方向的截面,在尾水管彎管段、擴(kuò)散段各選取1個(gè)監(jiān)測(cè)斷面,布置鋼筋計(jì)進(jìn)行該部位鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。在電站基礎(chǔ)混凝土與基巖接觸部位,布置測(cè)縫計(jì)及基巖溫度計(jì),進(jìn)行接縫開合度及基礎(chǔ)溫度監(jiān)測(cè)。

在泄水閘底孔閘門支鉸及表孔閘門支鉸的牛腿受力鋼筋上布置鋼筋計(jì),進(jìn)行鋼筋應(yīng)力監(jiān)測(cè)。另外,在泄水閘基礎(chǔ)混凝土與基巖接觸部位,布置測(cè)縫計(jì)及基巖溫度計(jì)。

在河床電站、泄水閘橫縫間布置測(cè)縫計(jì),進(jìn)行縫間開合度監(jiān)測(cè)。

在導(dǎo)流底孔封堵混凝土與老混凝土縫面布置6支測(cè)縫計(jì),觀測(cè)結(jié)合縫面的開合變化。

2.8 環(huán)境量監(jiān)測(cè)

環(huán)境量監(jiān)測(cè)包括上、下游水位及氣溫等。其中上、下游水位采用布置在泄水閘表孔左邊墩內(nèi)側(cè)及電站下游右岸擋墻迎水面上的搪瓷水尺進(jìn)行人工監(jiān)測(cè),并將機(jī)組測(cè)量用上、下游水位計(jì)信號(hào)分出1路引入監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)。在壩址附近設(shè)置百葉箱,內(nèi)設(shè)電阻溫度計(jì)進(jìn)行氣溫監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)及儀器的選擇

3.1 自動(dòng)化系統(tǒng)的選擇

本工程監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由數(shù)據(jù)自動(dòng)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)管理等幾部分組成。

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)具備下列基本功能:

(1)數(shù)據(jù)采集功能,自動(dòng)采集各類傳感器的輸出信號(hào),能把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。數(shù)據(jù)采集能適應(yīng)應(yīng)答式和自報(bào)式兩種方式,按設(shè)定的方式自動(dòng)進(jìn)行定時(shí)測(cè)量,接受命令進(jìn)行選點(diǎn)、巡回檢測(cè)及定時(shí)檢測(cè)；(2)掉電保護(hù)功能,在斷電情況下確保持續(xù)工作3 d以上；(3)自檢、自診斷功能；(4)現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信和遠(yuǎn)程通信功能；(5)防雷及抗干擾功能；(6)數(shù)據(jù)異常報(bào)警及故障顯示功能；(7)數(shù)據(jù)備份功能。

經(jīng)過對(duì)大量國內(nèi)外自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的調(diào)研,結(jié)合當(dāng)今國際上監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的發(fā)展及性能價(jià)格比,本工程大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采用南瑞公司的DAMS-Ⅳ型分布式數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

3.2 自動(dòng)化系統(tǒng)的布置

根據(jù)監(jiān)測(cè)儀器的類型、數(shù)量及9個(gè)測(cè)站的分布,本工程配置 NDA1104智能模塊 16塊,NDA1403智能模塊2塊,NDA1203智能模塊8塊,NDA1303智能模塊2塊,NDA1314智能模塊3塊,同時(shí)配備NDA1700智能模塊1塊,用于上、下游水位信號(hào)的接入。所有智能模塊分布在16套DAU2000數(shù)據(jù)采集單元中。

自動(dòng)化監(jiān)控管理中心站位于右岸土壩下游副廠房的3樓,中心站配置監(jiān)控主機(jī)、服務(wù)器、打印機(jī)、穩(wěn)壓電源及辦公設(shè)備等。

數(shù)據(jù)采集裝置 (DAU)之間、數(shù)據(jù)采集裝置(DAU)與監(jiān)控主機(jī)之間的通訊采用光纜和 RS-485現(xiàn)場(chǎng)總線兩種方式并用,用光纜或雙絞屏蔽線及電源線相連接。

上、下游水位信號(hào)從電站中控室內(nèi)水位計(jì)通訊端口分出,并采用RS-485總線引至大壩安全監(jiān)控管理中心站。

3.3 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器的選擇

本工程所有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,除垂直位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目外均接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選用的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器如下:引張線采用RY-40S型電容式單向引張線儀,倒垂線采用RZ型電容式雙向垂線坐標(biāo)儀,雙金屬標(biāo)采用RW型電容式位移計(jì),繞壩滲流、測(cè)壓管內(nèi)采用GYY型電感式揚(yáng)壓力計(jì),測(cè)縫計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)采用差阻式儀器,溫度計(jì)采用DW型電阻式溫度計(jì),多點(diǎn)位移計(jì)采用A-6型振弦式儀器。

4 結(jié) 語

英布魯水電站壩頂較長,各壩段間變形量差別較大,且工程現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行條件差,運(yùn)行人員對(duì)設(shè)備的維護(hù)能力較低,合理的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置、儀器選擇及自動(dòng)化系統(tǒng)配置,對(duì)工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的順利實(shí)施及穩(wěn)定運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。施工過程中,儀器安裝埋設(shè)成功率較高,儀器安裝埋設(shè)后運(yùn)行穩(wěn)定,并按相關(guān)規(guī)范及技術(shù)要求及時(shí)進(jìn)行了監(jiān)測(cè),取得了較為豐富的資料,為工程的順利移交提供了重要依據(jù)。

本工程主體建筑物均坐落在白堊系軟弱砂巖上,工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、施工與監(jiān)測(cè),將為今后在軟巖上修筑同類工程提供極具價(jià)值的資料。