糯扎渡水電站高心墻堆石壩監測設計創新與實踐

譚志偉，鄒 青，劉 偉

（中國水電顧問集團昆明勘測設計研究院，云南 昆明 650051）

1 工程概況

糯扎渡水電站心墻堆石壩最大壩高261.5 m，心墻堆石壩壩頂高程為821.5 m，壩體基本剖面為中央直立心墻形式，心墻兩側為反濾層，反濾層以外為堆石體壩殼。壩頂寬度為18 m，心墻基礎最低建基面高程為560.0 m，上游壩坡坡度為1∶1.9，下游壩坡坡度為 1∶1∶8。

糯扎渡工程導流洞于2006年1月開工，心墻堆石壩從2008年11月開始填筑，2011年11月6日開始下閘蓄水。目前大壩已累計填筑2 923.62萬m3，心墻填筑至高程774.1 m，上游壩殼填筑至高程773.3 m，下游壩殼填筑至高程773.6 m，上、下游水位分別為681.64 m和601.41 m。

2 監測設計概況

糯扎渡心墻堆石壩主要監測項目包括變形、滲流、應力等。監測儀器布置呈 “3125”的布置格局，即分別在左岸、河床中部、右岸壩體布置3個橫斷面，沿心墻中心布置1個縱斷面，在最大壩高和地質條件較差部位布置2個輔助斷面，壩體共分5個高程進行監測。整個心墻堆石壩安全監測共布有各類監測儀器 （按測點數）約1 283支，目前心墻堆石壩共安裝埋設各類監測儀器907支。

3 設計創新與實踐

3.1 上游堆石體沉降監測

在心墻堆石壩常規的監測設計布置中，堆石體位移監測較為注重下游堆石體變形情況。受上游堆石體施工及蓄水的影響，上游堆石體位移監測難度較高，根據文獻資料，已完工的魯布革[1]、小浪底[2]、瀑布溝[3]等水電站均未監測上游堆石體內部變形。從工程的重要性來看，上游堆石體蓄水后大部分位于水下，可能產生濕陷變形，運行期水位變化對上游堆石體變形影響較為直接，反而下游堆石體水位相對較為穩定，上游堆石體監測的重要性應高于下游堆石體。

為此，糯扎渡在上游堆石體位移監測上進行了探索。考慮到上游堆石體監測的難度，糯扎渡將上游堆石體位移監測分為施工期和蓄水期兩個階段。在施工期主要采用在堆石體內部布置弦式沉降儀監測內部變形，在堆石體表面布置視準線監測表面變形。由于弦式沉降儀最大測量范圍有限 （小于70 m），蓄水后底部高程觀測房將位于水下。為保證監測數據的完整性，分別在沉降測頭對應位置布置滲壓計，在岸坡穩固巖體相同高程對應布置滲壓計，通過岸坡滲壓計與堆石體滲壓計測值之差得到堆石體沉降值。

圖1 最高河床斷面壩體沉降等值線分布（單位：m）

最高河床斷面壩體沉降等值線分布如圖1所示，上游堆石體最大沉降出現在高程660 m靠近心墻測點，沉降測值為2 322.57 mm，該測值占目前上游堆石體最大高度213.3 m的比例為1.1%。從位移分布來看，上游堆石體最大位移區出現在靠近心墻的堆石體中部，頂部和底部位移由中部向四周逐步遞減，位移分布符合一般規律。

3.2 心墻沉降監測

心墻沉降對評價大壩工作狀況具有重要價值，是大壩最重要的監測項目之一。心墻沉降監測通常采用電磁沉降儀。電磁沉降儀具有原理簡單、測值可靠等優點，在土石壩中應用廣泛。但傳統電磁沉降儀主要有兩大缺點：①電磁沉降儀對測斜管的埋設精度要求高，測斜管受擠壓、過度彎曲、卡孔等因素都可能導致無法正常觀測，高心墻堆石壩表現更為明顯；②電磁沉降環為磁性體，蓄水后長時間位于水下可能導致磁性體消磁，不利于永久監測。

針對上述問題，糯扎渡在電磁沉降上主要進行了如下改進：①提高測斜管與周圍土體變形協調性，采用每2節測斜管設置1個伸縮節以適應壩體變形，每個伸縮節外設置一根等長度PVC保護管以提高伸縮節的強度，埋設方式采用預留坑和人工回填，埋設過程中嚴格控制導槽方位角，較好的解決了測斜管的埋設問題。②提高耐久性，針對磁性沉降環長期監測可能會消磁的情況，糯扎渡將磁性沉降環改進為不銹鋼環，測頭通過感應不銹鋼體時電流信號改變監測沉降，具有測量精度高、長期可靠性好的優點。

糯扎渡心墻沉降監測典型過程曲線見圖2，位移分布如圖3所示。由圖2可以看出，心墻位移變化與壩體填筑過程具有高度相關性，主要位移發生在填筑期，壩體位移隨填筑高度增加而增加，雨季停工期間，位移變化趨緩。第1填筑期最大沉降為384 mm，第2填筑期最大沉降為951 mm，第3填筑期最大沉降為1 985 mm，目前實測最大沉降為2 763 mm，發生于心墻中部688.30 m高程，最大累計沉降量約為心墻填筑高度214.1 m的1.29%，處于正常狀態。由圖3可以看出，心墻縱向位移分布呈河床中部大、兩岸岸坡小的特征，最大沉降發生在最大壩高斷面，沉降在橫斷面內分布呈中部大、頂部和底部小的特征。

圖2 最高河床斷面心墻典型測點沉降過程曲線

圖3 心墻沉降沿縱向分布

3.3 心墻空間應力監測

在DL/T 5259—2010《土石壩安全監測技術規范》[4]中壩體應力為選測項目，其重要性在變形和滲流之后。但對于超高壩，因壩高帶來的材料、力學等問題往往超過人們的一般認識。除了關注變形和滲流外，研究心墻應力分布可以為反演分析中本構模型優化調整提供依據，因此心墻應力也應作為重點關注對象。

糯扎渡在心墻中下部701 m高程左岸岸坡、心墻中部和右岸岸坡各布置了1組六向土壓力計組。監測成果顯示，701 m高程心墻最大主應力σ1在1.27～1.53 MPa之間，最大主應力與豎直n1的方向余弦在0.95～0.98之間，心墻應力主要受豎直向應力控制。監測成果與計算成果對比如圖4所示，從圖中可以看出，計算成果與監測成果在量值、變化規律上吻合程度較高，計算反演的參數較好的反映了心墻實際情況，心墻空間應力監測為高壩工作狀態分析和反饋設計提供了可靠的基礎資料。

圖4 心墻中部701 m高程最大主應力監測與計算成果對比

3.4 心墻與反濾之間錯動變形監測

對心墻堆石壩來講，變形協調是評價大壩工作狀態的重要內容之一。變形協調分析中重要的一項內容是心墻與反濾之間的錯動變形。受監測手段制約，國內對心墻與反濾之間的錯動監測尚無先例，糯扎渡將剪變形計引入心墻與反濾之間的錯動變形監測。

剪變形計采用土體位移計改裝，在位移計兩端設置上下錨固板，其中上錨固板位于心墻，下錨固板位于反濾，共分5個監測高程。監測成果顯示，剪變形計相對位移在-72.32～-0.86 mm之間，最大相對變形發生在最大沉降帶的660 m高程。心墻與反濾之間產生相對錯動變形主要由堆石體與心墻間的變形差異導致，但剪變形計實測錯動變形均為受壓，即心墻沉降大于反濾沉降，表明心墻與堆石體之間的差異變形主要被反濾層進行了消解，大壩整體具有變形協調性。

3.5 心墻與混凝土墊層之間相對變形監測

心墻與混凝土墊層之間相對變形主要采用土體位移計組進行監測。通過監測心墻縱向變形可以了解心墻與墊層交界部位的拉伸變形情況和出現拉裂縫的可能性，并以此判斷工程安全狀況。由于在心墻與混凝土墊層交界部位變形梯度大，以往工程常常出現因變形梯度過大導致傳感器失效的情況。

糯扎渡在心墻與混凝土墊層之間相對變形監測設計中充分考慮變形梯度對傳感器的影響，主要采取了以下改進措施：①采用500 mm超大量程的電位器式位移計，避免儀器量程估計不足帶來儀器失效；②位移計分段設置采用3、8、18、30、45 m的遞增方式，使得儀器適應最大拉應變量程為16%，大大提高了儀器成活率。

心墻與混凝土墊層間土體位移計組位移分布監測成果如圖5所示，左岸土體位移計組45 m范圍內最大累計位移為465.70 mm，實測分段位移在3～8 m段達到最大174.16 mm；右岸土體位移計組45 m范圍內最大累計位移為443.93 mm，分段位移在0～3 m段達到最大195.53 mm。目前共埋設4組土體位移計，各分段變形均在儀器量程范圍之內，工作狀態良好，且已經受了初期蓄水考驗。

圖5 心墻與混凝土墊層間土體位移計組位移分布

3.6 下游堆石體沉降監測

下游堆石體沉降監測通常采用水管式沉降儀，該儀器在土石壩中應用廣泛，在300 m以內的管線中有較好的應用案例。對于高壩300 m以上的管線，水管式沉降儀在實際應用過程中常常出現因線路過長帶來精度下降、觀測困難等難題。

為提高儀器精度和可靠性，糯扎渡下游堆石體水管式沉降儀將傳統3管式改進為4管式，即由傳統1根進水管、1根進氣管和1根排水管改進為2根進水管、1根進氣管和1根排水管，改進后的管路具有以下優點：①2根進水管同時觀測的情況下，觀測房中2根水管水位之差應為恒定值，同步觀測可以減少人為誤差，提高精度；②2根進水管可以相互備份，即當其中1根進水管堵塞，另1根進水管可以替代，提高了儀器可靠性；③當觀測系統最薄弱的環節-排氣管堵塞，傳統3管式便無法觀測，但采用兩根進水管的情況下可以將其中1根進水管作為排氣管，大大提高整條管線的可靠性。

糯扎渡下游堆石體觀測房為內及嵌式，埋設4層共46套水管式沉降儀，最大位移區集中于堆石體中部的660 m高程，最大沉降為1 640.03 mm，目前下游堆石體最大填筑高度為203.6 m，最大沉降占堆石高度的比例為0.81%，測值可靠性和規律性均較好，下游堆石體典型水管式沉降儀過程曲線見圖6。

圖6 下游堆石體典型水管式沉降儀過程曲線

4 結 論

本文針對高心墻堆石壩的大變形、高應力和高水頭對監測設計布置、儀器設備選型和施工帶來的難題，在糯扎渡心墻堆石壩的監測設計中，對心墻、上下游堆石體以及界面錯動變形、應力監測等方面進行了一系列改進和創新，以全面適應超高壩的工作特性。從應用情況來看，糯扎渡心墻堆石壩監測儀器經歷了4個填筑期的考驗，初期蓄水期間各監測儀器工作狀態正常，在工程安全評價、反饋設計、指導施工等方面發揮了重要作用，相關經驗可作為同類工程借鑒參考。

［1］ 張啟岳，熊國文.魯布革壩的原型觀測［J］.水利水運科學研究，1994（3）:211-230.

［2］ 宗志堅，林秀山等.工程安全監測設計［M］.北京：中國水利水電出版社，2005:6-58.

［3］ 涂揚舉，王文濤等.瀑布溝礫石土心墻堆石壩施工期監測分析［J］.水力發電， 2010， 36（6）:71-74.

［4］ DL/T 5259—2010 土石壩安全監測技術規范［S］.