黑河水庫(kù)溢洪道閘室段變形監(jiān)測(cè)

楊昆侖，趙軍平

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院測(cè)繪分院，陜西 西安 710002）

0 引言

水庫(kù)溢洪道對(duì)于水庫(kù)大壩的安全運(yùn)行、和發(fā)電及安全供水具有非常重要的作用。近年來(lái)隨著黑河水庫(kù)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，溢洪道閘室段混凝土表面出現(xiàn)了一些裂縫，特別是2015 年以來(lái)，裂縫長(zhǎng)度增加，縫寬擴(kuò)大，閘室頂部混凝土產(chǎn)生變形，給溢洪道閘門(mén)的正常啟閉帶來(lái)一定影響。需要對(duì)溢洪道閘室段整體穩(wěn)定進(jìn)行分析、盡快查明溢洪道閘室段混凝土表面裂縫產(chǎn)生的原因及危害程度并提出針對(duì)性的處理方案、為此，應(yīng)對(duì)溢洪道閘室段進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。項(xiàng)目的設(shè)計(jì)及實(shí)施遵照“以監(jiān)測(cè)為基礎(chǔ)，以分析為手段，以預(yù)報(bào)為目”的變形監(jiān)測(cè)理念[1]。

1 工程概況

黑河水庫(kù)位于陜西省西安市周至縣秦嶺山中，黑河峪口以上約1.5 km 處，距西安市86 km。是一項(xiàng)以城市供水為主，兼有農(nóng)灌、發(fā)電、防洪等綜合利用的大型水利工程。水庫(kù)壩高130 m，水庫(kù)面積4.55 km2，總庫(kù)容2 億m3。是西安市的主要供水來(lái)源。

2 監(jiān)測(cè)依據(jù)及監(jiān)測(cè)的精度指標(biāo)

工程測(cè)量規(guī)范[2]中表8.4.6 對(duì)于弧形門(mén)、人字門(mén)安裝平面允許偏差為±2.0 mm，高程允許偏差為±3.0 mm；表10.6.2 混凝土構(gòu)筑物的裂縫觀測(cè)平面位移量中誤差±1.0 mm；表10.6.3壩體的支墩壩水平和垂直位移測(cè)量中誤差均為±1.0 mm。

水利水電工程施工測(cè)量規(guī)范[3]中表8.1.4 對(duì)于弧形門(mén)、人字門(mén)安裝測(cè)量項(xiàng)目相對(duì)安裝軸線(xiàn)，其測(cè)點(diǎn)中誤差平面±2 mm～±3 mm，高程±1 mm～±3 mm；表8.2.4 安裝專(zhuān)用控制網(wǎng)內(nèi)及安裝軸線(xiàn)點(diǎn)間相對(duì)點(diǎn)位限差不應(yīng)超過(guò)±2 mm，高程基點(diǎn)間的高差測(cè)量限差為±2 mm。

綜上所述，結(jié)合本工程設(shè)計(jì)要求，閘室段位移監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)精度指標(biāo)為：水平位移在監(jiān)測(cè)斷面方向線(xiàn)上的測(cè)量中誤差、垂直位移測(cè)量中誤差及裂縫觀測(cè)平面位移量中誤差均為±1.0 mm。

3 水平位移變形監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

在大壩左岸布設(shè)了1 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，編號(hào)為：JZD，用于測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化及變化量；在溢洪道閘室段布設(shè)3 條閘槽監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面位置的左、右閘槽頂面各布設(shè)了1 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，建造具有強(qiáng)制對(duì)中基座的混凝土觀測(cè)墩，用于測(cè)量閘槽頂端三條斷面長(zhǎng)度的變化及變化量。水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)編號(hào)：J11、J12、J21、J22、J31、J32。監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)圖詳見(jiàn)圖1。

圖1 水平距離監(jiān)測(cè)示意圖

3.2 觀測(cè)方案

測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)與各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的精密距離和三條斷面之間的精密距離，說(shuō)明水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變化及變化量。

3.3 外業(yè)觀測(cè)及驗(yàn)算

觀測(cè)使用Leica TS60 智能全站儀（多測(cè)回測(cè)角軟件），可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋找目標(biāo)與照準(zhǔn)、自動(dòng)觀測(cè)、自動(dòng)記錄、自動(dòng)檢測(cè)各項(xiàng)限差。

斜距往返各12 個(gè)測(cè)回，每測(cè)回讀數(shù)4 次，限差設(shè)置按照工程測(cè)量規(guī)范[2]中表10.2.6 的規(guī)定；天頂距觀測(cè)與斜距觀測(cè)同步自動(dòng)觀測(cè)，其限差設(shè)置按照表1 的規(guī)定；儀器高和覘標(biāo)高觀測(cè)前后各量取一次，并精確至1 mm，取其中數(shù)作為最終高度。

表1 天頂距測(cè)量的技術(shù)要求

外業(yè)觀測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)算，測(cè)量的斜距經(jīng)氣象和儀器加、乘常數(shù)改正后再化歸為水平距離。往返測(cè)距較差均應(yīng)小于±2(a+bD)；平均測(cè)距中誤差應(yīng)小于1.0 mm。

4 垂直位移變形監(jiān)測(cè)

4.1 監(jiān)測(cè)網(wǎng)的布設(shè)

基準(zhǔn)點(diǎn)采用黑河大壩交通洞內(nèi)I 黑基06。監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)志鑲嵌不銹鋼水準(zhǔn)標(biāo)志，編號(hào)：JHi(i=1,2,…，6)。以上6 個(gè)垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)與I 黑基06 點(diǎn)構(gòu)成一等垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)。詳見(jiàn)圖2。

圖2 垂直位移監(jiān)測(cè)示意圖

4.2 外業(yè)觀測(cè)

使用Leica DNA03 數(shù)字水準(zhǔn)儀及配套的條碼水準(zhǔn)標(biāo)尺，外業(yè)觀測(cè)的各項(xiàng)限差及技術(shù)要求按工程測(cè)量規(guī)范[2]中表10.3.3 和表10.3.4 一等水準(zhǔn)測(cè)量方法和限差要求執(zhí)行。

4.3 外業(yè)成果的計(jì)算和驗(yàn)算

水準(zhǔn)標(biāo)尺長(zhǎng)度改正和溫度改正按照分別按照國(guó)家一、二等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[4]中D.2.1 和D.2.2 章節(jié)執(zhí)行。

水準(zhǔn)測(cè)量測(cè)站高差中誤差的計(jì)算，采用經(jīng)過(guò)標(biāo)尺長(zhǎng)度改正和標(biāo)尺溫度改正后的測(cè)段往返測(cè)高差不符值計(jì)算的每站高差中誤差應(yīng)小于限差±0.07 mm；環(huán)線(xiàn)閉合差應(yīng)小于±1.08 mm（垂直位移監(jiān)測(cè)線(xiàn)路及長(zhǎng)度已確定）。

4.4 數(shù)據(jù)處理

垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差采用間接平差法進(jìn)行，按測(cè)段的測(cè)站數(shù)定權(quán)，采用《工程測(cè)量控制網(wǎng)平差系統(tǒng)（NASEW）》軟件進(jìn)行平差。平差后最弱點(diǎn)高程中誤差應(yīng)小于限差±0.3 mm。

5 裂縫監(jiān)測(cè)

根據(jù)裂縫走向和長(zhǎng)度，在閘槽右岸山坡坡腳處設(shè)立1 處基線(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)，在閘槽兩岸設(shè)立12 處觀測(cè)點(diǎn)。基線(xiàn)觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)：JX，裂縫觀測(cè)點(diǎn)編號(hào)：LF(i=1,2,…，12)。

采用游標(biāo)卡尺進(jìn)行測(cè)量。觀測(cè)2 測(cè)回，每測(cè)回讀數(shù)4 次，讀數(shù)較差及測(cè)回差均應(yīng)于0.2 mm。取其平均值作為當(dāng)期裂縫寬度監(jiān)測(cè)成果。

6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

6.1 對(duì)每期觀測(cè)數(shù)據(jù)精度指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)

分別計(jì)算每一期的精度指標(biāo)。水平位移方面計(jì)算平均測(cè)距中誤差mD；垂直位移方面計(jì)算每千米水準(zhǔn)測(cè)量偶然中誤差M⊿、每站高差中誤差M站、水準(zhǔn)測(cè)量環(huán)線(xiàn)閉合差W、最弱點(diǎn)高程中誤差M；裂縫監(jiān)測(cè)方面計(jì)算裂縫寬度測(cè)回間不符值△L測(cè)回。各精度指標(biāo)數(shù)值均滿(mǎn)足規(guī)范[2.3]及設(shè)計(jì)要求，第三、四、五期測(cè)距中誤差相對(duì)較低。統(tǒng)計(jì)表見(jiàn)表2。

表2 每期內(nèi)精度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

6.2 變化量的統(tǒng)計(jì)

以每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)本期測(cè)量的距離或高程值為基準(zhǔn)值，對(duì)應(yīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算與上一測(cè)量的距離或高程值的較差即為周期變化量或周期位移量。以每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)首期測(cè)量的距離或高程值為基準(zhǔn)值，計(jì)算與本期測(cè)量的距離或高程值的較差即為總變化量或總位移量。

1）水平位移監(jiān)測(cè)周期變化量與總變化量統(tǒng)計(jì)圖表（表3.4，圖3.4）。表明第二期J21 和第三期J11 與基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離變化量超過(guò)±2.0 mm，第三期三條斷面水平距離變化量超過(guò)±2.0 mm。其余變化量均小±2.0 mm。

表3 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離變化量表

表4 斷面水平距離變化表

圖3 斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離變化量圖

圖4 斷面水平距離變化量圖

2）垂直位移監(jiān)測(cè)周期位移量與總位移量統(tǒng)計(jì)圖表（表5，圖5）。表明垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各周期內(nèi)位移量均±2.0 mm。

表5 垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量表

圖5 垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移量圖

3）裂縫寬度周期變化量與總變化量統(tǒng)計(jì)圖表（表6，圖6）。表明垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各周期內(nèi)位移量均±2.0 mm。

表6 裂縫寬度變化量表

圖6 裂縫寬度變化量圖

6.3 監(jiān)測(cè)對(duì)象穩(wěn)定性判斷

周期變化量超過(guò)±2.0 mm（2 倍的位移量中誤差）時(shí)認(rèn)為監(jiān)測(cè)對(duì)象周期不穩(wěn)定。上述圖表可以直觀的反應(yīng)出近六期的監(jiān)測(cè)裂縫寬度變化量、斷面水平距離變化量、斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)水平距離變化量、垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)周期位移量絕大多數(shù)小于±2.0 mm。根據(jù)數(shù)據(jù)跳躍法剔除粗差數(shù)據(jù)的理論[5]可以認(rèn)為上述超限的極少數(shù)數(shù)據(jù)為粗差數(shù)據(jù)，可不考慮。說(shuō)明溢洪道閘室段周期性穩(wěn)定。周期性穩(wěn)定并不能說(shuō)監(jiān)測(cè)對(duì)象絕對(duì)穩(wěn)定，從總位移量（總變化量）圖表可以看出垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值處于增大趨勢(shì)；斷面監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間水平距離的變化分為兩類(lèi)，溢洪道左岸水平距離有縮短趨勢(shì)，右岸水平距離變化不明顯；斷面水平距離有變大趨勢(shì)；裂縫寬度有略微增大趨勢(shì)，但不明顯。出現(xiàn)以上變化趨勢(shì)的原因分析，首先分析各周期的監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀（見(jiàn)表7），通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，就目前的現(xiàn)狀水庫(kù)蓄水位的變化對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果的影響不明顯；溫度的變化似乎有規(guī)律可依，溫度的持續(xù)升高，對(duì)山體及壩面有膨脹趨勢(shì)。這一解釋還需進(jìn)一步的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

表7 各周期觀測(cè)現(xiàn)狀統(tǒng)計(jì)表

7 結(jié)論

文中的方案是依照規(guī)范中的相應(yīng)指標(biāo)及變形體的形變趨勢(shì)及變化量所設(shè)計(jì)的，通過(guò)近六期的監(jiān)測(cè)，結(jié)果表面，該方案可以達(dá)到溢洪道閘室段變形監(jiān)測(cè)的目的。經(jīng)分析計(jì)算溢洪洞閘室段呈逐漸抬高趨勢(shì)；溢洪道閘室段左岸混凝土墻體有向外側(cè)擴(kuò)張趨勢(shì)；裂縫寬度變化微小。

上述方法有效的反應(yīng)出了溢洪道閘室段在山體位移、水庫(kù)蓄水位升降、季節(jié)性溫度變化等因素影響下變化。可以為類(lèi)似水工項(xiàng)目提供借鑒。