安全監測自動化技術在三河口水利樞紐中的應用

馬夢鴿,厙海鵬

(陜西省引漢濟渭工程建設有限公司，陜西 西安 710024)

1 工程概況

三河口水利樞紐位于佛坪縣子午河峽谷下游，是引漢濟渭調水工程的調蓄庫，總庫容7.1 億m3。大壩采用碾壓混凝土拱壩，最大壩高145.0 m，大壩泄洪采用壩身表、底孔相結合的泄洪方式，壩后引抽水電站廠房設置在大壩下游右岸[1]。三河口水利樞紐大壩按1 級建筑物設計，建筑物多為2 級，監測設計分別依據各建筑物的級別設計，同時對環境量監測、變形監測、滲壓監測、大壩應力應變監測及邊坡安全監測等方面進行了專項監測。

2 監測網設計及施工要求

2.1 變形監測網設計

根據三河口水利樞紐壩區地形地貌和樞紐各建筑物布置情況，設置了水平和豎直方向交錯的監測網。水平向總共設置有9 個水平位移網點，網點選擇在地形較開闊且通視條件較好的穩定可靠、便于監測的地方，其標墩為鋼筋混凝土監測墩，盡可能建立在基巖上，墩頂設不銹鋼強制對中基座。在大壩永久水平位移監測網建成前工作基點采用二等施工控制網，大壩永久水平位移監測網建成后，工作基點采用一等永久水平位移監測網。工作基點的穩定性由監測網按規范要求定期檢測。垂直位移監測網由1 座基準點、6 座工作基點和6 座網測點組成。

2.2 施工要求

充分利用碾壓混凝土壩儀器施工方法的研究成果[1-3]，吸收在其他碾壓混凝土工程儀器埋設的經驗[4-6]，針對三河口水利樞紐工程的特點改進和完善安裝埋設的技術要求和操作規程，加強安裝埋設隊伍的培訓和管理。安裝埋設時嚴格按操作規程執行，埋設前對每支儀器都要經過檢驗、率定合格后方能使用，埋設后在混凝土覆蓋足夠厚度前都應有人守護，并跟蹤埋設過程監測，一旦發現儀器不正常，采取相應措施，立即更換儀器;電纜嚴格按設計要求布設，并認真保護。

3 拱壩安全監測運用

3.1 壩體位移監測

本工程大壩及其基礎水平位移在水平位移監測網的整體聯系控制下，采用正垂線和倒垂線進行監測，監測點標墩為鋼筋混凝土墩體，壩頂監測墩水平位移與垂直位移監測共用，監測點標墩為1.2 m 的鋼筋混凝土墩體，墩頂設置強制歸心底座，墩體底盤的表面埋設垂直位移標志。因三河口拱壩較長，除壩頂設水平外監測點及在拱冠處設置1 條垂線組外，還需在左岸、右岸1/3 和1/5 拱處各設置一條垂線組;同時在左右壩肩隧洞內各設置一條垂線組(布置7 條垂線)以監測壩肩的水平位移，大壩水平位移變形共設置組進行監測。

3.2 變形監測

3.2.1壩體基巖變位監測

為監測壩基巖體自開挖至拱壩澆筑完成并運行后的變形全過程，在壩基每個壩段沿六個縱向斷面各布設一套多點位移計，同時在每個橫斷面壩址和壩踵位置各布設一套多點位移計，監測壩基巖體在拱推力作用下的變形。

3.2.2壩體及基礎應力應變監測

壩體應力應變水平監測截面沿拱冠梁不同高程按10 m～30 m 的間距，各個橫斷面根據壩基高程510 m 到640 m 之間設7 層監測儀器，水平分別在距上下游2.0 m，水平截面中部根據高程不同布置1 到2 套。為了監測壩踵、壩址部位的應力情況，在拱冠梁壩踵部位布置4 支應變計，在壩址部位布置2 支應變計，應變計均布置在墊層混凝土內，呈豎向布置。

3.2.3壩體接縫及裂縫監測

為有利于混凝土在施工期間的散熱，從而降低混凝土的收縮應力，防止混凝土產生裂縫，各壩段間設收縮縫。在垂直于縫面，各灌漿區域沿高程方向梅花形設1～2 支單向測縫計以監測變形縫狀態。測縫計既可測縫的開合度，又可測溫度。同時設置誘導縫，誘導縫上布置測縫計不僅可以反映誘導縫的工作狀態，同時也可以為拱壩封拱時機提供可靠的依據。為監測拱壩建基面與壩體之間的開合度和錯動情況，在拱壩基礎設置5 個橫向監測斷面，監測橫斷面與垂線，應力應變及溫度壩段重合。每個縱向監測斷面在每個壩段布設一支測縫計，每個橫向斷面在順水流方向布設4 支測縫計，其中一支在壩鍾部位，一支在壩址部位，壩中布置2 支，這兩支與縱向斷面重合部分儀器共用，采用豎向布置單向埋入式測縫計。

3.3 滲壓監測

3.3.1壩體滲透壓力

拱壩基礎揚壓力布置綜合考慮壩基地質條件和滲排工程措施，并結合變形及應力應變監測壩段的布置等因素，拱壩基礎設置5 橫2 縱監測斷面。水庫蓄水后壩前會有泥沙淤積，為監測灌漿帷幕前壩基揚壓力情況，在幕前壩踵處設1 支滲壓計，在帷后排水帷線前后對稱設2 支滲壓計，在壩趾設1支滲壓計，在排水帷幕前后各設1 支滲壓計，總計10 支滲壓計。壩體滲透壓力監測主要目的是監測混凝土的防滲性能和施工質量，與壩體應力監測斷面結合，故在515 m、565 m、610 m 三個高程中每處布置3 支，可測得壩體防滲層內不同位置的滲透壓力分布情況。

3.3.2繞壩滲流

兩岸壩基滲壓也影響著大壩安全，為分析繞壩滲流對其影響，確保下游兩岸邊坡的滲透穩定性，在壩下游設水位監測孔，以監測下游近壩區邊坡地下水位的變化，了解壩后岸坡地下水位分布情況。共設2 個監測斷面，位于兩岸邊坡帷幕后，每個監測斷面設4 個水位監測孔。繞壩滲流孔位布置時，盡量利用上壩交通洞、施工支洞和灌漿廊道等地下洞室，并和帷幕監測孔統籌考慮，以便合理布置測點和減少施工工程量及施工難度。

3.4 邊坡安全監測

邊坡安全監測需考慮安全性和一致性，三河口大壩邊坡監測設置為1 級，監測內容主要包括邊坡變形監測。壩肩開挖邊坡范圍較大，邊坡較高。根據兩壩肩開挖邊坡的實際情況，在左右壩肩開挖邊坡各選取2 個斷面，其中1 個布置拱肩槽上游側順向坡，一個布置在壩肩拱端部位。運用多點位移計的設置，監測壩肩邊坡內部深度變形。

每個斷面布置錨桿應力計對進行邊坡支護監測，錨桿應力計主要布置在長錨桿上裂隙發育部位，根據邊坡裂隙發育情況選取部分長錨桿呈組布置應力計;每個斷面布置錨索測力計對錨索工作狀態進行監測。同時，在每個斷面上布設4支滲壓計，監測地下水位情況，深入至地下水位至少1 m 以下，共布設16 支滲壓計。

4 監測數據分析

4.1 壩體位移監測數據分析

三河口拱壩于2019 年12 月29 日開始下閘蓄水，截止2019 年12 月31 日，庫水位上升幅度不大，目前拱壩徑向位移向下游最大位移為0.64 mm，隨著庫水位上升，拱壩徑向向下游位移，切向向兩岸位移。在蓄水初級階段徑向位移向下游位移，最大為2.39 mm;隨著庫水位上升，拱壩徑向向下游位移，切向向兩岸位移;初期蓄水結束后，徑向位移主要受氣溫影響，最大位移為-1.25 mm;在正常蓄水位蓄水階段，庫水位上升至621.4 m，拱壩向下游位移最大為28.82 mm，出現在646 m 高程Ⅳ斷面。

初蓄階段切向位移量值較小，切向位移較小，規律性不明顯，位移量在0.5 mm 以內，說明在目前水頭作用下大壩拱向推力還較小。三河口拱壩565 m 高程以下切向位移較小，普遍向右岸位移，位移量不大，切向向右岸最大位移為-1.99 mm，目前階段溫度荷載對水平位移的影響大于水壓荷載影響。蓄水階段切向位移向左岸最大位移為2.60 mm，出現在646 m 高程Ⅱ斷面，發生時間2021 年12 月21 日;切向位移向右岸最大位移為7.02 mm，出現在610m 高程Ⅴ斷面，發生時間2021 年12 月25 日，可看出目前水壓荷載對水平位移的影響較大。在汛期階段，庫水位上升，拱壩徑向位移從-1.26 mm 快速增長到-0.82 mm，可看出壩體徑向位移對庫水位變化比較敏感。

4.2 變形監測數據分析

4.2.1壩體基巖變位監測數據分析

基巖變形受上部蓋重影響較大，隨著碾壓混凝土的澆筑進行，基巖壓縮量緩慢增加。從監測數據分析，靠近上游側兩組測點除孔口位移處于壓縮狀態(位移量分別為-1.80 mm和-0.63 mm)外， 其余測點均處于拉伸狀態， 變形量基本在2 mm 以內。靠近下游側兩組測點孔口和5 m 處位移呈壓縮狀態，10 m 和20 m 深處測點呈拉伸狀態，位移量變化在-4.24 mm～1.54 mm 之間(圖1)。其中Ⅳ斷面安裝在504.5 m高程測點位移量最大，最大壓縮量為8.07 mm(圖2)。基巖豎向位移變化規律正常，變形量不大，無明顯異常變化，水平向位移普遍較小，測值較為穩定。

圖1 Ⅴ斷面典型多點位移計過程線圖

圖2 Ⅳ斷面典型多點位移計過程線圖

4.2.2壩體及基礎應力應變監測

1)壩體應力應變監測

從監測數據分析，處于受壓狀態應變計測點占應變計總數73.72%;在受拉的123 個測點中，大部分測點應力應變在100 με以內(87 支)，在100 με～200 με之間的有30 支，大于200 με的有6 支，主要出現在533 m 高程、595 m 高程、607 m 高程和619 m 高程。綜合分析，壩體應力應變變化規律正常，大部分測點處于受壓狀態，雖然存在少部分拉應變，但拉應變值大部分在100 με以內，結合其他數據分析出現拉應力原因可能受溫度等多種因素共同影響，在后續水位抬升階段需進一步監測分析。

2)壩基應力應變監測

從壓應力計過程線圖可以看出(圖3)，隨著壩體澆筑高程的增加，壩體與基巖接觸部位的壓應力也隨之有所增大，目前各測點處于受壓狀態，最大壓應力為3.39 MPa，出現在593.8 高程9 號壩段的E13 測點。總體來看，壩基接觸壓應力未見異常變化。

表1 拱肩基礎壓應力計特征值統計表 單位:MPa

圖3 大壩壓應力計典型測點過程線圖

4.2.3壩體接縫及裂縫監測

橫縫、誘導縫開合度受混凝土溫度影響較大，溫度越低，接縫開合度越大。目前隨著通水冷卻的進行，橫縫、誘導縫處于緩慢張開的狀態。通過對六期接縫灌漿的接縫及裂縫進行監測，發現灌漿整體效果良好，六次灌漿接縫開合度變化均較小，變幅基本在0.5 mm 以內。某些測點受冬季氣溫下降后開合度略微張開，但隨后測點開合度變幅較小，已處于穩定狀態。但和前期相比，經過一個冬季的變化，變幅超過1 mm 的測點數量有所增加，目前有9 個測點變幅超過1 mm，有部分測點變幅在1.5 mm 以上，該部分測點后期需進一步對其進行分析。

4.3 滲壓監測數據分析

4.3.1壩體滲透壓力數據分析

從壩基滲壓計過程線圖(圖4)可看出:壩基滲透壓力主要受上游水位、周邊巖體地下水位、降雨等多種因素影響。大壩未蓄水前，幕前滲壓水頭基本穩定，部分滲壓計水頭增大與壩前基礎黏土回填有關。大壩蓄水階段，導流洞下閘蓄水至底孔過流，帷幕前滲壓水頭隨上游水位上升而增大，上游水位穩定后帷幕前滲壓水頭基本處于穩定狀態。正常蓄水后滲壓水頭受降雨影響較小。目前帷幕前最大水頭為40.27 m。

圖4 帷幕前滲壓水頭與庫水位相關圖

4.3.2繞壩滲流監測數據分析

左右岸繞壩滲流安裝高程在600 m 以上，遠高于初期蓄水庫水位高程，庫水位對左右岸壩肩繞壩滲流基本無影響，繞壩滲流水位主要受地下水位和降雨等因素影響，從目前測值來看，除左岸UP(zrb)7 測點水頭為14.08 m 外，其余兩岸繞壩滲流滲壓水頭不大，基本在10 m 以內，無異常情況。

4.4 邊坡安全監測數據分析

壩肩多點位移計典型測點過程線圖見圖5，可看出壩肩多點位移計測值普遍較小，SMJ2-1 測點主要呈壓縮變化，位移量在-4.13 mm～-1.38 mm 之間，其余測點位移均在1mm 以內，位移變化趨勢目前已趨緩。總體分析，壩肩基巖位移變化較為穩定，無明顯異常變化。

圖5 壩肩多點位移計典型測點過程線圖

5 結語

安全監測自動化技術在國內大壩安全監測中運用成功的案例較多，分析其在三河口水利樞紐的運用情況，總體運行效果較好。三河口水利樞紐安全監測項目全面，監測儀器和設施布置合理，儀器設備選型耐久、可靠、實用、有效，形成了一套完整的樞紐安全監測系統，在施工期取得了大量可靠性高、連續性好的監測數據，做到了全面、同步、及時而準確地反映出各部位在施工期過程中的變化。同時，對大壩應力變形及滲透壓力等變化規律以及各變化的原因分析有直接性的作用，從而能及時發現隱患并采取相應措施，確保大壩安全穩定運行，提高大壩運行綜合效益。