天花板水電站碾壓混凝土拱壩安全監測設計

張晨亮，季祥，耿貴彪，王永輝

（中國水電顧問集團北京勘測設計研究院，北京100024）

1 工程概況

天花板水電站位于云南省昭通市境內的牛欄江上，是金沙江右岸較大的一級支流，河流發源于云南省昆明市嵩明縣楊林鎮。

天花板水電站采用混合開發方式，電站壩址選在牛欄江與清水河交匯口上游約1.5 km的天花板峽谷處，攔河壩為碾壓混凝土雙曲拱壩，壩頂高程1076.8 m，最大壩高107.0 m，壩頂總長159.87 m。正常蓄水位1071.0 m，死水位1050.0 m，總庫容7871萬m3，電站裝機容量為180 MW。

根據GB18306-2001《中國地震動參數區劃圖》，場區地震動峰值加速度為0.15 g，地震動反應譜特征周期為0.45 s，地震基本烈度為Ⅶ度。

2 設計原則

工程安全監測的目的是為了解掌握工程建筑物在施工期和運行期的工作性態，指導施工和運行，并為設計提供可靠的反饋數據資料。

本工程安全監測設計遵循以下原則：

（1）以安全監測為主，監測系統儀器設備的布置，力求能夠對整個工程進行控制性安全監測，以便較全面地了解工程建筑物的工作狀況。

（2）根據拱壩受力特點并結合理論計算成果進行監測布置，重點是變形、滲流、應力應變監測，并選擇結構或地質條件復雜部位進行集中監測。

（3）結合拱壩壩體結構整體性強的特點，其相關監測項目統籌安排，配合設置，對于基礎地質條件和結構受力條件復雜部位，采用多種監測方式，以便相互補充、校核和驗證。

（4）儀器設備的選擇，在滿足可靠、實用、經濟和精度要求前提下，盡可能減少設置儀器及量測方式的種類，對于電信號傳輸的所有監測儀器，均應具備接入自動化系統的條件。

3 監測項目

本工程碾壓混凝土雙曲拱壩安全監測設置的監測項目主要有：

（1）環境量監測：包括上下游水位、泥沙淤積、水溫等。

（2）變形監測：包括表面變形、壩體水平和垂直位移、壩基基巖變位、壩體接縫位移、庫岸邊坡穩定監測等。

（3）滲流監測：包括壩基揚壓力、壩體滲透壓力、繞壩滲流、壩體滲漏量監測和水質分析等。

（4）應力應變及溫度監測：包括壩體應力應變、拱座壓應力、鋼筋應力、壩體和壩基溫度監測等。

（5）強震動監測。

4 監測布置

4.1 環境量監測

（1）上、下游水位監測

在拱壩上、下游分別設置1個涂漆水尺。同時，在上、下游各設置1支遙測水位計，監測上、下游水位變化。

（2）泥沙淤積監測

本工程汛期河流含沙量較高，為監測壩前泥沙淤積情況，在上游壩面布設3支土壓力計和2支滲壓計。

（3）庫水溫監測

庫水溫監測在2號表孔最大斷面壩體內距上游壩面約8～10 cm處布置溫度計，正常蓄水位到死水位之間溫度計間距為10 m，死水位以下為20 m，共設置溫度計7支。可同時兼測壩面溫度。

4.2 變形監測

（1）表面變形、谷幅監測

首部樞紐工程表面變形監測范圍相對集中，但拱壩上、下游河道兩岸地形條件復雜、陡峻，可利用位置選擇困難，致使變形監測網在布網環境上受到較大制約，單一的測角網或測邊網均不能滿足精度、可靠度等要求，因此首部樞紐工程變形監測網布設采用三維邊角網交會技術方案[1]，最終選定的變形監測網由6個網點組成。

表面變形測點原則上布設在變形較大，能準確反映壩體及邊坡變形的部位，測點標石與壩體及邊坡巖體牢固結合。具體分別在拱壩壩頂下游側、泄洪表孔弧形閘門閘墩上下游側，以及左右岸邊坡等部位設置測點，進行首部樞紐工程表面變形監測。同時，根據有限元計算結果，在壩體變形較大的壩頂高程和1037 m高程壩肩部位設置4個測點進行拱壩谷幅監測。具體位置見圖1。

（2）壩體水平位移監測

壩體水平位移采用正、倒垂線聯合監測，倒垂線錨入基巖一定深度。具體在靠近左右岸壩肩約1/4拱圈及拱冠梁處，通過上、中、下層廊道，在廊道內設置水平位移測站，共設置3組正、倒垂線，聯合監測壩體水平位移。同時為監測兩壩肩的水平位移，在左右岸灌漿廊道內各設置1條倒垂線。具體位置見圖2。

（3）壩體垂直位移監測

壩體垂直位移采用幾何水準法和靜力水準法監測。在979 m高程基礎灌漿廊道和1010 m高程廊道內設置水準測點，測點基本采用等間距布置。同時，在979 m高程基礎灌漿廊道內設置2套靜力水準儀，并在廊道內靜力水準儀測線上設置雙金屬管標作為靜力水準儀的觀測基準。

（4）壩體接縫變形監測

為了解拱壩的整體性以及掌握施工期拱壩誘導縫、橫縫、壩體與基巖接縫開合度，以指導封拱和接觸灌漿，在壩體的誘導縫、橫縫、左右岸拱座與岸坡基巖接合面分別設置監測斷面，各監測斷面不同高程沿上下游方向設置2～3支單向測縫計，同高程單向測縫計形成水平監測斷面；在拱冠梁最大斷面基礎與基巖結合處（包括護袒）設置一組單向測縫計監測其接縫變形。

4.3 滲流監測

（1）壩基揚壓力

壩基揚壓力監測根據壩基滲透壓力控制工程措施和地質條件進行設置。為監測壩基揚壓力并檢驗防滲帷幕及壩基排水效果，沿壩基灌漿廊道在防滲帷幕后布置一排揚壓力監測孔，共8個。沿最大監測橫斷面的壩基和護袒基礎上下游方向布置滲壓計，監測其相應部位的基礎揚壓力。拱座混凝土與基巖結合面沿不同高程設置滲壓計，在壩基斷層出露位置設置滲壓計，監測其拱座基面的揚壓力。

（2）壩體滲透壓力

為監測碾壓混凝土拱壩壩體內部的滲透壓力，選擇壩體最高大橫斷面上986 m、1006 m和1026 m高程，每層布置4～5支滲壓計，對壩體水平施工縫上的滲透壓力進行監測。

（3）繞壩滲流

根據壩體布置、兩岸地形地質條件、滲流控制措施及滲流特征等，在左右岸壩肩灌漿帷幕后各布設4個地下水位監測孔，監測繞壩滲流情況。

（4）滲流量

根據滲透水流向、集流和排水設施的設置，在上、中、下層交通和帷幕灌漿廊道的排水溝內共設置量水堰12個，監測壩體及壩基不同區域的滲流情況。

4.4 應力、應變監測

（1）壩體應力應變

碾壓混凝土雙曲拱壩受力情況復雜，根據拱壩拱梁分載法和有限元計算結果，拱冠梁和拱座部位應力應變較大；最不利工況組合下的計算結果表明拱壩1052 m、1007 m高程附近應力應變較大。因此在相應部位斷面設置九向應變計組進行監測，應變計組主平面平行于壩面，在不同高程沿上、下游布設測點。在左右岸壩肩距拱座基巖面約1.5 m埋設應變計組，主平面垂直于拱座基巖面，在不同高程亦沿上、下游布設測點。應變計組旁均埋設無應力計，共設置九向應變計組29組，無應力計29支。同時，在左、右壩肩1052 m、1007 m高程附近拱座基巖面布設壓應力計，壓應力計平面平行于拱座基巖面，監測拱座壓應力變化。具體布置見圖3。

（2）鋼筋應力

根據拱壩有限元應力應變計算結果，在壩體開孔位置應力集中較大，且孔口附近受力條件復雜，因此在表孔、中孔周邊設置鋼筋應力計，監測相應部位的結構鋼筋應力。

圖3 拱壩應力應變監測布置圖Fig.3 Distribution of monitoring points for arch dam stress and strain

4.5 壩體和壩基溫度監測

（1）壩體溫度監測

為給施工期壩體溫控提供依據，掌握壩體溫度分布、變化規律及驗證冷凝系統的效果，在2號表孔最大斷面和距右壩肩約1/4拱圈處設置2個溫度監測斷面。在監測斷面呈網格狀布置溫度計，網格間距約10 m×10 m。共設置溫度計62支。

（2）基巖溫度監測，在2號表孔最大斷面壩基上、下游側各設置一組基巖溫度計并與基巖變位計同孔埋設，溫度計距基巖面分別為0 m、2 m、5 m、10 m，共設置溫度計8支。

4.6 強震動監測

工程區設計地震烈度為Ⅶ度，為監測壩體強震動對壩體的影響，分別在拱冠梁壩頂及上、中、下層廊道內各布置1個強震動測點，在壩頂兩壩肩灌漿平洞內各設置1個強震動測點，在左右岸中層灌漿平洞內靠近拱座位置各設置1個強震動測點。強震動監測設置1套工程數字地震儀，共8個空間三分向拾震器。

5 結語

混凝土雙曲拱壩屬于高次超靜定結構，受力條件復雜，在天花板碾壓混凝土雙曲拱壩安全監測設計過程中，具體根據計算分析成果并結合樞紐布置與結構特點，力爭做到監測目的明確、針對性強，為工程施工及運行期的安全運行提供可靠的依據，同時對理論計算分析成果進行驗證與反饋，促進碾壓混凝土雙曲拱壩設計與建設水平。■

[1]劉東慶,王紹純,翟明成.云南天花板水電站工程區表面變形監測網技術設計書.北京勘測設計研究院.2009.