基于交匯測量法的水庫大壩外部變形監測研究

劉春濤

(盤錦河海土木工程咨詢有限公司,遼寧 盤錦 124000)

0 引 言

為了確保水利工程建設施工質量以及水利工程后續的安全運行,要充分做好水利工程中的大壩變形監測,并根據監測結果,制定適宜的維護策略[1]。據統計,我國已建大壩超過10萬座,但自1954-2009年就有3 504座水庫潰壩,其中較為嚴重的是1975年河南板橋水庫潰壩,導致重大的人員傷亡和巨大的經濟損失,在大壩安全管理中造成嚴重影響[2]。針對大壩安全性能問題,20世紀50年代我國開始了最早的水庫大壩監測,包括水平位移、垂直位移和降低浸潤線等項目,較大程度上保障了水庫安全,也為水利事業的進一步發展提供了技術依據。

本文通過對某水庫大壩的表面觀測,對大壩的位移變化進行監測、計算,并對監測數據進行分析處理,得出大壩位移的年變化率。研究數據監測方式采用自動化檢測技術、光纖傳感技術、CT技術、測量機器人等,這些新型技術精確、穩定、可靠[3]。研究成果可為類似大壩變形監測提供參考與借鑒。

1 項目概述

1.1 工程概況

本文所研究的水庫為小(I)型水庫,水庫所在地區有農村公路貫穿,外運方便。大壩為混凝土面板堆石壩,大壩高程866.5m,最大壩高61m,壩頂長245m,壩寬8m,壩頂上游設置高2.65m的T形防波堤,上游壩坡1:1.40,下游壩坡1:1.40,下游壩坡長845 m,高程825m,設置寬2m護堤,壩底最大寬度202.33m,上游混凝土防滲板厚0.45m,墊層面積3 m,墊層區后設置過渡區,水平寬度4m,主要堆石區為過渡區。下游為次堆石區,下游壩面為混凝土預制塊護坡,面板與河床及兩側基礎的接口處設底板,底板厚0.5m,寬5m。

1.2 觀測資料精度指標

根據相關規程規范,結合本工程水庫大壩實際情況,平面位移監測按《國家三角測量規范》(GB/T 17942-2000)中的三等三角網要求執行[4],沉降監測按《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897-2006)二等水準測量要求執行[5]。

從2020年11月15日至2021年11月1日,共計監測12次,觀測誤差及規范允許誤差統計見表1。

表1 觀測誤差和允許誤差

1.3 采用的儀器與設備

1.3.1 主要儀器及設備

見表2。

1.3.2 儀器使用規范

所有測繪儀器均在檢驗合格有效期內使用,且測量儀器需由專人保管。施工回來時,要仔細清點,避免遺失和損壞。

1.4 大壩外部監測點位

在一年的觀測時間階段,分別對1#、2#、3#進行觀測,然后根據觀測結果進行分析。

2 大壩變形監測實施

針對某水庫大壩的變形問題,定期開展大壩在水平面和垂直面上的實際水平位移量與沉降量監測。對大壩外部分別進行蓄水前和蓄水后兩種情況的水平位移和垂直位移監測,并得出監測結果。

2.1 監測方法

2.1.1 水平位移監測方法

根據教學設計及相關技術規程規范,對大壩外部進行變形監測,壩體水平相對位移采用的方法是交匯測量法。

在水庫壩頂和下游斜坡上布設兩個視準線,共4個視準線,觀測水庫的水平位置。在水庫左右邊緣設置8個水平位移基準點,形成二級邊角網,測定觀測室和檢測點的位置。基準網、監測點觀測分別按照《水利水電工程測量規范》(SL 217-2013)中的二等、三等精度要求執行。水平位移觀測數據由徠卡TS50測量機器人自動觀測,采用徠卡公司DAM數據處理軟件,對邊長進行加常數、乘常數、溫度、氣壓、大氣折光、地球曲率高程投影等改正,然后由《科傻地面控制測量數據處理系統》對觀測數據進行平差計算,并打印成果及精度。水平位移監測網坐標系統采用獨立坐標系統,高程由壩頂高程聯測而得。

邊長改正參數如下:加常數a=0.73mm,乘常數b=-2.03,折光系數k=0.1,地球曲率半徑R=6378245m,投影面高程為635m。

2.1.2 垂直位移監測方法

壩頂垂直位移采用的方法是精密水準測量法。

根據水庫大壩現場實際情況,在距離大壩1.5km的水庫下游外基巖上埋設3個水準點,組成水準基點組(點號分別為LE1、LE2、LE3),在大壩左右岸分別埋設工作基點2個(點號分別為BM1、BM2),通過水準基點組校核工作基點的穩定性,日常觀測從工作基點進行引測。大壩垂直位移觀測點均與水平位移觀測點組成綜合位移觀測點,垂直位移觀測按照《國家一、二等水準測量規范》(GB/T 12897-2006)中的二等精度要求執行。垂直位移觀測數據由電子水準儀自動記錄的數據導入到計算機上,經整理后使用《科傻地面控制測量數據處理系統》進行計算,并打印精度和成果。

2.2 監測點初始觀測

記錄各初始監測點的位置數據,為后期的觀察做好鋪墊。

2.3 監測點位下閘蓄水后觀測

2020年1月中旬某水庫下閘蓄水,2020年11月15日至2021年11月1日開始進行大壩外部變形監測。2020年11月15日至2021年11月1日,每月對大壩進行一次監測,共計對大壩外部進行12監測,并對每期觀測結果進行記錄。

2.3.1 水平位移監測

見表3、表4。

表3 某水庫水平位移第一次監測成果表

表4 某水庫水平位移第十二次監測成果表

2.3.2 垂直位移監測

見表5、表6。

表5 某水庫垂直沉降第一次監測成果表

表6 某水庫垂直沉降第十二次監測成果表

3 數據處理

觀測數據通過電子水準儀和全站儀自動記錄的數據導入計算機,然后使用《科傻地面控制測量數據處理系統》進行自動計算,將計算成果導出。

3.1 水準網平差

見表7。

表7 水準網平差結果表

3.2 二維網平差計算

見表8、表9。

表8 近似坐標

表9 平差后坐標

4 監測數據分析

4.1 混凝土面板堆石壩表面變形觀測資料分析

壩頂測點編號依次為LD01-LD10,其中LD01-LD05為壩頂內側,LD06-LD10為壩頂外側,LD11-LD15為馬道測點。水平位移符號規定:向下為正,向上為負;向左岸為正,向右岸為負。對水庫壩頂的內側和外側進行檢測記錄。

本次觀測資料從2020年11月15日至2021年10月30日,觀測次數為每月一次,共計12次。

1)主要研究結果:根據各測點的位移規律分布,壩頂測點、馬道測點的累積位移向下游移動,且隨著壩面高程的增加,位移增大,符合一般混凝土面板堆石壩的變形規律。大壩進行左右位移變幅較小。

2)從每個測量點的位移方向來看,壩頂點、馬道測點的位移方向基本相同,顯示出位移變化的整體性,且各位移點相鄰點的相對位移變化較小,因此大壩水平位移的整體變形協調性較好。

3)從各測點變化的主要影響因素來看,上游水庫水位的升降對實測的壩體水平位移有一定的影響。庫水位不斷升高,測值增大,壩體向下游水平位移逐漸增大;水庫水位降低,則測值減小,壩體向下游進行位移減小。

4)根據各測點的變化趨勢圖,點位位移無明顯變化,年變化率也較小,位移相對變化平緩。

4.2 水平位移觀測資料特征值分析

對大壩表面進行水平位移觀測發現,壩頂向上游和向下游的位移最大值均集中在中間部分,其中最大為11mm,最小為2mm。由此可見,位移進行變形的最大水平位移點一般發生在壩頂中間壩段,整體的位移量和年變幅均較小,堆石體變形結構狀態正常。

4.3 豎向位移觀測資料分析

測點觀測時間為2020年11月15日至2021年10月30日。各測點的垂直位移符號規定:向下為正,向上為負。

4.3.1 變形規律分析

大壩垂直位移量會隨著時間的推移而逐漸增大,增大至一定峰值后又逐漸降低,最后趨于穩定。2021年4月,完成了對大壩的大部分沉降監測(2020年11月至2021年4月完成沉降量2～16mm)。2021年4-10月壩體沉降明顯減小,一般在-0.05～2mm。隨著時間的推移,壩體沉降將逐步趨于穩定,建議加強觀測。相鄰測點間不均勻沉降一般在1mm左右,整體變形協調良好,壩體出現裂縫的可能性較小。

4.3.2 豎向位移觀測資料特征值分析

見表10。

表10 壩體表面豎向位移觀測資料特征值表

由表10可知,截至2021年10月底,最大沉降量相對較小,分布在壩頂中間部位,壩頂兩端沉降逐漸趨于減小。

5 結 論

通過對某水庫大壩外部的監測,分析水平位移量和垂直位移量的變化規律。結論如下:

1)壩體表面鄰近觀測點的相對位移變化不明顯,壩體水平位移總體變形協調性好,變形相對較小。各測點處位移無明顯發展趨勢性變化,年變化數據速率較小,位移發生變化平緩。

2)大壩的垂直位移量會隨著時間的推移逐漸增大,但隨著時間的推移,壩體沉降逐步趨于穩定。2021年4月,完成大壩大部分沉降量的監測(2020年11月至2021年4月完成,沉降量變化值為2～16mm)。2021年4月之后,壩體沉降速率明顯減小。截至目前,壩頂最大沉降量為42.01 mm,為最大壩高的0.069%。