新疆某平原水庫放水涵洞安全監測系統分析研究

阿布都沙拉木·托爾遜，曹 銳

（新疆額爾齊斯河流域開發工程建設管理局，新疆 烏魯木齊 830000）

1 工程概況

某水庫是尾部調節平原水庫，位于阜康與米泉市交接處，距阜康市城西北10.0 km，水庫工程主要由大壩、放水（兼放空）涵洞、入庫建筑物組成，水庫總庫容2.81億m3，屬大（2）型水庫，工程等別為二等。

放水兼放空洞布置在中壩段上，為壩下埋管。進水口為開敞式進水口，洞身段為城門洞型雙孔，縱坡為1/200，單孔設計流量為25 m3/s，為無壓涵洞。由進口引渠段、閘井段、洞身段、明槽、陡坡段、消力池段、供退水閘、退水渠等組成。涵洞坐落在低液限粉土地基上，為改善地基承載力，減少結構物沉降，設計采用了礫質土換填方案。閘井段換土深度10 m，洞身段換土深度11 m，礫質土換填厚度沿壩軸線方向用緩坡過度，解決了在壩軸線方向的不均勻沉降。涵洞洞身段樁號為洞0+023.5～洞0+093.5,全長為70 m，洞底板設計高程為480.00 m～479.65 m，底板縱坡為1/200。采用180°頂拱，直墻高3.3 m的城門洞形斷面。洞0+023.5～洞0+030.5段，孔口尺寸3 m×5.3 m～3 m×4.8 m； 洞 0+030.5～洞 0+093.5段，孔口尺寸3 m×4.8 m。 洞身段每7 m設一道結構縫，縫寬3 cm，內設一道紫銅止水和一道橡膠止水，相鄰洞身結構分縫處下設基礎墊梁（圖1）。

圖1 放水（兼放空）涵洞縱剖面圖

2 放水涵洞監測儀器布置

考慮到涵洞的特殊性并結合工程實際，本工程設置了涵洞與壩體接觸部位變形觀測、結構縫變形監測、滲透壓力觀測、土壓力觀測等觀測項目（圖2）。

圖2 放水涵洞監測儀器布置圖

2.1 涵洞滲流觀測

涵洞滲流觀測，是監測沿涵洞軸線方向的滲流情況，在沿涵洞軸線重點的結構縫周圍布設了6個觀測斷面，每個觀測斷面上有6支孔隙水壓力計，共計36支GKD型振弦式孔隙水壓力計。（在涵洞斷面上、下、左、右和左右上角各一支）。目前實現自動化監測，每日進行兩側監測。

孔隙水壓力計的工作原理：GKD型振弦式孔隙水壓力表由透水板、承壓膜、鋼絲繩、支架、線圈、殼體和傳輸電纜組成。振弦式孔隙水壓力計將振弦與敏感的壓力膜片相連。當孔隙水壓力通過可滲透板傳遞到儀器的內腔并作用在壓力膜片上時，壓力膜片和振弦會一起變形。振弦固有頻率的變化可以將液壓轉換成等效頻率信號并進行測量。

式中：U—孔隙水壓力，KPa；

K－傳感器系數，其數值與承壓膜和振弦的尺寸及材料性質有關，由室內標定給出，KPa/Hz2；

f0—零大氣壓力下振弦的振動頻率，Hz；

fi—某一個時刻的滲透水壓力U作用下的振弦的振動頻率，Hz。

2.2 涵洞與壩體接觸部位變形

放水兼放空涵洞是鋼筋混凝土結構，用來輸水和放空水庫，因為剛性建筑物穿過壩體，放水涵洞與壩體接觸的部位容易產生差異變形，所以在涵洞軸線方向布設位移計觀測壩體和涵洞相對變形是很重要的一項觀測項目。根據涵洞結構，分別在洞0+037、洞0+058和洞0+079，設了3個觀測斷面，在每個觀測斷面設置4組雙向位移計，共計24支位移計，此外在涵洞0+079斷面增設一組兩支位移計，其編號為 TS1-1、TS1-2～TS12-1、TS12-2， TS13-1 和TS13-2。

涵洞與壩體接觸部位的變形采用TS型位移計觀測。TS型位移計既可單支埋設，亦可組合埋設，可用于測量壩體內任何方向的位移。涵洞與壩體接觸部分即采用兩支位移計成組埋設的方法來觀測涵洞與周圍土體之間的水平位移和剪切位移。TS型位移計讀數測量可借助于TS型位移計讀數儀進行。其位移量的計算公式如下：

式中：di—i時刻實測位移量，mm。

k—儀器系數，mm/mV；

V0—埋設時電壓，mV；

Vi—i時刻的實測電壓，mV。

2.3 涵洞結構縫變形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，因地基變形而出現涵洞變形主要反映在涵洞結構縫變形上，因此涵洞結構縫變形觀測很有必要。沿涵洞軸線布設3個觀測斷面，每個斷面設有2個測點，測縫計布置在結構縫下面，共6支儀器，編號為J1～J6。斷面樁號分別為洞0+037.5、洞0+058.5和洞0+079.5

測縫計實際上就是單支埋設的TS型位移計，埋設時將其兩端分別錨固于結構縫兩側的鋼筋混凝土內，使其橫跨結構縫，從而觀測結構縫的張開與閉合情況。其位移量的計算公式同前述TS型位移計。

2.4 土壓力監測

土壓力監測是指放水涵洞和周邊土體的接觸情況的監測，為了監測涵洞和周圍土體的接觸情況，沿涵洞軸線洞0+037、洞0+058和洞0+079這3個斷面布置了界面式土壓力計，觀測斷面樁號和位移計相同，即每個斷面埋設6支土壓力計，共計18支。

土壓力計的埋設方法是：在涵洞混凝土澆筑前預埋土壓力計模盒，模盒直徑略大于土壓力計直徑，埋設儀器前將模具取下，然后將土壓力計安裝就位，將承壓面朝向填土面，埋設時還應注意保證土壓力計的承壓面與混凝土面齊平。

土壓力計的傳感器為振弦式儀器，計算方法可參考上述振弦式孔隙水壓力計的計算方法：

土壓力監測原理

式中：σs—土壓力計實測的應力，MPa；

fs—土壓力計的最小讀數（靈敏度）；

ΔZ—以變形前所觀測的電阻比Z0為起點計算的變形引起的電阻比增量，ΔZ=Z-Z0；

ΔT—以變形前所觀測的溫度測值T0為起點計算的變形后的溫度增量，ΔT=T-T0；

bs—差動儀器的溫度修正系數（溫度補償系數）。

按下式計算溫度

式中：T—差動儀器埋設點的溫度；

RT—差動儀器的電阻值，通常稱為溫度電阻，Ω；

α'—差動儀器0 ℃以上的溫度常數；

α"—差動儀器0 ℃以下的溫度常數；

R0'—差動儀器0 ℃時的計算電阻。

3 監測資料分析研究

3.1 滲流觀測成果

（1）根據滲流監測資料，所有壩體上游側的滲壓計監測得出，壩體各斷面滲流基本穩定，隨著庫水位的變化而變化，與庫水位成正相關，變化有一定的滯后時間，基本符合壩體內部滲流水頭逐漸減小的趨勢，壩體排水通暢。

圖3 滲流觀測（2016-4-1～2021-5-1）

（2）經滲流計算，壩體下游壩坡坡腳排水體最大破壞比降為0.07，小于允許的破壞比降0.1；壩基最大破壞比降為0.11，小于允許的破壞比降0.45；出逸點滲透比降均小于根據試驗成果給出的允許滲透比降，即大壩壩體不會發生滲透破壞。壩基滲透比降也均小于壩基允許比降，即壩基不會發生滲透破壞。可以初步判斷壩體滲透破壞的可能性相對較小。

（3）大壩年滲漏量在20.9萬～34.5萬m3之間。經滲流計算，大壩年滲流總量為52.22萬m3，占總庫容的0.19%，水庫滲漏量較小，大壩滲流穩定、正常；放水涵洞沒有滲水現象。

3.2 涵洞與壩體接觸部位位移計監測數據成果分析

多年來，施工期及蓄水初期涵洞與壩體接觸部位位移計監測數據增長較大，運行后期測值穩定，具體成果分析如下：

（1）施工期，各位移計的測值都隨涵洞周圍填土的上升而增大，位移計測值過程線與填筑過程線相關性良好。無論是剪切位移還是水平位移，在相同斷面和相同高度的涵洞兩側的兩個位移計所測量的位移都比較接近。一方面，表明涵洞兩側的土壤位移的對稱性，另一方面，也表明測量值的可靠性。

（2）大壩施工完成后，每個測量點的位移過程線趨于穩定，但水庫開始蓄水后的前3年，大部分位移計的測值出了不同程度的增長量，這表明水庫蓄水對涵洞與周圍土體之間的變形影響比較明顯。3年后，位移計變化很小，說明涵洞與周圍土體之間的變形受庫水位的影響變小，基本保持穩定。

圖4 移位監測（2014-4-1～2021-5-1）

（3）剪切位移的增長速率和量值都比水平位移大，說明涵洞和周圍土體間的位移以剪切為主。

3.3 涵洞結構縫變形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，地基變形的影響主要反映在涵洞結構縫上，所以結構縫觀測很有必要的。根據多年的結構縫變形觀測數據來看，水庫蓄水后測縫計監測數據比較小，蓄水對結構縫變形影響很小，各測縫計測值變化甚微。J4與J6測縫計工作正常，全年變化不超過0.03 mm。涵洞各測點位移過程線在大壩填筑施工完后趨于穩定。

3.4 土壓力計監測成果分析

施工期，土壓力測值隨上部填土厚度增大而增大，其測值和儀器上部填土厚度相關性明顯，表明土壓力測值和其上部填土荷載有關。從穩定后的結果來看，3個斷面的土壓力值，均是埋設于底部監測側向壓力的測點數值最小，頂部監測上覆土體自重應力的測點次之，而以中部傾斜埋設的測點數值最大，這說明土壓力測值受填土厚度和觀測方向綜合影響，結果符合一般規律。

圖5 涵洞測縫計（2016-4-1～2021-5-1）

圖6 洞0+037土壓力計監測（2014-4-1～2021-5-1）

4 結語

本文介紹了某坐落在低液限粉土地基上放水涵洞的工程特點并根據工程特點采取的滲流觀測、涵洞與壩體接觸部位變形、涵洞結構縫變形、土壓力計監測等安全監測手段。并根據多年的監測數據結合水庫調度運行和巡視檢查等運行管理數據進行了分析研究，初步判斷水庫大壩和放水涵洞運行狀態。

根據監測結果來看水庫滲漏量較小，大壩滲流穩定、正常；放水涵洞沒有滲水現象；位移計變化很小，涵洞與周圍土體之間的變形受庫水位的影響變小，基本保持穩定；涵洞段結構縫測縫計工作正常，全年變化不超過0.03 mm。

綜合以上分析，大壩監測設備齊全，壩體的監測資料齊全，監測資料變化規律正常，測值在規定的允許值內，運行過程中無異常情況，大壩安全性態正常。