变形监测作业指导书

丹江口大坝加高工程变形监测总体设计 摘要: 丹江口大坝加高工程是南水北调中线的水源工程，系在已建 成的大坝基础上进行加高施工。初期工程原有监测设施已运行几十 年，许多设施已老化，且大坝加高部分需增设一些监测设施进行变 形监测。介绍了大坝变形监测网的组成和设置，以及混凝土坝、电 站厂房、垂直升船机、土石坝监测系统的具体方案设计，本系统利 用和改造了原有大坝的监测系统，并在加高部分布置新的监测设施， 从而形成新的丹江口大坝变形监测系统。 关 键 词: 坝加高; 变形监测;设计; 丹江口水利枢纽 中图分类号: TV698.1+ 1 文献标识码: A 1 工程概况 丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市汉江干流上，具有防洪、 供水、发电、航运等综合效益，是开发治理汉江的关键工程，同时 也是南水北调中线的水源工程，根据工程规划和工程施工的实际情 况，丹江口水利枢纽分二期开发建设。 初期工程于 1958 年开工，1973 年建成，正常蓄水位 155m，1975 年抬高至 157m，坝顶高程 162m。初期工程建成后， 发挥了巨大效益。但是，由于国民经济的发展，初期规模已不能满 足国民经济各部门的需要。 2005 年开始，丹江口水利枢纽在已建成初期规模的基础上，对 大坝进行加高，即二期规模工程。二期工程涉及到土坝加高和混凝 土坝加高，根据工程规划，坝顶加高 14.6m 至高程 176.6m，挡水建 筑物总长 3442m。混凝土大坝采用在坝顶及下游坝坡现浇混凝土方 式加高培厚，以满足大坝挡水时稳定和应力要求，坝长仍为 1141m，混凝土坝表孔堰顶抬高至高程 152m，最大坝高 117m。右 岸土石坝改线重建，长 877m，最大坝高 60m，左岸土石坝加高培厚， 左坝肩向左延长 200m，长 1424m，最大坝高 71.6m。电站厂房装机 及布置无变化。通航建筑物由初期的 150t 升船机扩建为 300t 升船 机，其总体布置不变。设计蓄水位由 157m 提高到 170m，总库容达 290.5 亿 m3 ，比初期工程增加库容 116 亿 m3 、有效调节库容 88 亿 m3 、防洪库容 33 亿 m3 。 2 加高工程变形监测系统综述 丹江口水利枢纽初期工程原有监测设施已经运行几十年，是一 个较完善的变形监测系统，但由于很多设施已老化，无法继续满足 今后的监测需要。同时，由于需增设一些监测设施对加高工程新建 的部分进行变形监测，因此需要立即建立新的丹江口大坝变形监测 系统。 加高工程变形监测系统设计就是在原有监测系统的基础上，综合考 虑了加高部分的特殊性，对原有监测系统一部分进行沿用、一部分 进行了改造，同时结合老监测系统的布置，在加高部分增设新的监 测设施，最终满足加高后整个大坝及枢纽的变形监测要求。 本文将对丹江口大坝加高工程新的变形监测系统设计进行简述。 3 变形监测网 3.1 水平位移监测网 水平位移监测网由全网和简网组成。 全网为边、角全测的边角网，由 15 个网点组成。 全网划分为 3 个简网:混凝土坝监测网（又称中简网） ，由 5 个 监测网点组成; 左岸土石坝监测网（又称左简网） ，由 8 个监测网点 组成; 右岸土石坝监测网（又称右简网） ，由 7 个监测网点组成。3 个 简网均为边、角全测的边角网。 水平位移监测网角度按国家一等三角测量方向观测法要求施测， 测角中误差#m 0.7;边长观测使用测距标准偏差|mD |2mm 的测距仪按国家中短程测距规范的等边长观测要求进行 施测; 高程按国家二等水准的要求和精度施测。 3.2 垂直位移监测网 初期工程垂直位移监测网由上水准环线和下水准环线（校核水 准环线）组成，位于大坝的下游。加高工程垂直位移监测网基本按 初期点位布设，做了部分改建和增建。 上水准环线以沉 01（平硐标）为工作基点，经右岸沉 03、沉 05、左岸左-05 、沉 08 组成上水准环线，在左岸土石坝坝顶尖山、 右岸土石坝右坝肩岸坡地段，分别新建 1 座双金属标;在左岸土石坝 背水侧尖山段岸坡 160m 高程和右岸土石坝中部背水侧岸坡 155m 高 程，分别新建 1 座测温钢管标 ;环线长约 30km。 下水准环线以洪山咀主点为基准点，经 BMHL180、光化大桥， 沿汉江右岸经丹谷 1、沉 08 至洪山咀组成环线，初期工程中的 土中丙型标点需要改建成双金属标或测温钢管标;此外，在沉 16 附 近（西关小学院角）新建 1 座双金属标;在沉 07（市电子原件厂院角） 、沉 13、沉 15（太山庙村委院角）附近各新建 1 座测温钢管标;右 岸改建岩石基本标 5 座 ;环线长约 60km。 垂直位移监测网采用几何水准测量方法按国家一等水准测量精度及 要求施测。 4 混凝土坝变形监测系统 4.1 水平位移监测 混凝土坝及基础水平位移监测是在水平位移监测网的整体联系 控制下，采用正、倒垂线，以及以垂线测点为工作基点的引张线和 精密导线进行观测，共计设置倒垂线 14 条、正垂线 24 条、引张线 8 条、精密导线 2 条、坝顶视准线 5 点。垂线也是坝体挠度的观测 设施。 （1）倒垂线。初期工程在 1、7、13 、24、 25、2627、31 、44 号坝段分别布设了 1 条倒垂线，在 36 号坝段布设了 3 条倒垂线，组 成倒垂组。 加高工程除对初期布设的 11 条倒垂线进行改建外，在右 5、7 、 42 号坝段各增设 1 条倒垂线，以增强基础的水平位移和挠度 监测。同时，在 14 条倒垂线中设置三维倒垂线测点 3 点，方便对关 键部位同时进行水平位移和垂直位移的监测。 （2）正垂线。初期工程在右 5、 7、 910、13、18 、21 、2627 、31、34、39 号坝段分别布设 了 1 条正垂线。 加高工程将初期工程在原有正垂线坝段的加高部分分别增设 1 条正垂线，将垂线监测延伸至坝顶。垂线的悬挂点设在坝顶（高程 176.6m） ，每条 2 个测点分别设在高程 170.0m 观测廊道和高程 162.0m 排水交通廊道内。并在右 2、42 号坝段从基础到坝顶分别增 加布设正垂线 2 条 6 个测点，以加强左右转弯坝段部位的水平位移 监测。取消初期布设在 36 号坝段的正垂线 1 条，对其余初期工程原 有的正垂线进行改建。 （3）引张线和精密导线。初期工程原有 4 条引张线及 2 条精密 导线，布置如下:7 24 号坝段，坝轴线下游 15m 的高程 101m 廊 道（下游侧）布设引张线 1 条 17 个测点; 2531 号坝段，坝轴线 上游 17m 的高程 101m 廊道（下游侧）布设引张线 1 条 7 个测点; 7 26 号坝段，初期坝顶高程 159m 廊道布设引张线 1 条 19 个测 点;2736 号坝段，初期坝顶高程 159m 廊道布设引张线 1 条 9 个 测点; 在 1 号至右 13 号坝段高程 150m 廊道内，布设精密导线 1 条 14 个测点; 3644 号坝段高程 140m 廊道内，布设精密导线 1 条 9 个测点。 加高工程继续沿用高程 101m 廊道内的 2 条引张线，用以继续 观测大坝基础各坝段上下游方向的水平位移。 将初期坝顶高程 159m 廊道原有的引张线改建，布设 2 条引张 线:在深孔溢流坝段 7 13 号坝段改建布设引张线 1 条 7 个测点;在厂 房坝段至左岸联接坝段 2536 号坝段改建布设引张线 1 条 12 个测 点，用以继续观测原坝顶部分坝段上下游方向的水平位移，同时可 与新建坝顶的水平位移进行比较。 加高工程在高程 170m 观测廊道布设 3 条引张线，用以监测新 建坝顶各坝段上下游方向的水平位移:在 1 7 号坝段高程 170m 廊道 上游侧布设引张线 1 条 7 个测点;在 727 号坝段高程 170m 廊道下 游侧布设引张线 1 条 21 个测点;在 2736 号坝段高程 170m 廊道下 游侧布设引张线 1 条 10 个测点。 另外，在高程 150m 廊道 17 号坝段增加布设引张线 1 条 7 个 测点，结合 1 号至右 7 号坝段高程 150m 廊道原有的 1 条精密导线 7 个测点，用以加强对右岸转弯坝段水平位移监测。 同时，在 3644 号坝段高程 140m 廊道保留布设精密导线 1 条 9 个 测点，用以加强对左岸转弯坝段水平位移监测。 （4）交会点。在混凝土坝典型坝段坝顶与正垂线结合处新增布设 测边（角）交会测点 5 个，加强对坝顶关键部位的水平位移监测。 4.2 垂直位移监测 混凝土大坝垂直位移监测点主要布置在大坝基础廊道、高程 170m 观测廊道和坝顶，在左、右岸转弯坝段布设了竖直传高仪，将 坝顶水准测线和基础水准测点联系;同时，选取一部分坝段在基础横 向廊道和坝顶分别在上、下游侧对应布设精密水准或静力水准监测 点，组成短水准组，观测坝体的转动或相对垂直位移。 （1）精密水准。初期工程在基础廊道现存共有 94 个精密水准测 点和 6 个倾斜观测断面 12 个测点，其中有 28 个深埋钢管标，主要 深置于坝基不同程度的破碎带、断裂、软弱夹层部位。 加高工程在基础廊道恢复布设 8 个精密水准测点;在基础横向廊 道新增设 9 个倾斜观测断面 18 个测点。高程 170m 廊道右 643 号 坝段各增设 1 个精密水准测点，共 50 个测点 ;在坝顶高程 176.6m 坝 面新增设 22 个倾斜观测断面，分别在上、下游侧对应布设一个精密 水准点，共 44 个测点。 （2）静力水准。加高工程继续沿用初期工程原有的静力水准设 施:1931 号坝段防渗板廊道和 2531 号坝段基础廊道静力水准测 线 1 条 14 个测点; 基础横向廊道 6 个倾斜观测断面 12 个测点。同时 在右 65 号坝段基础廊道新布设静力水准测线 6 条 20 个测点（包 括 3 个倾斜观测断面） ;在 924 号坝段基础廊道新布设静力水准测 线 4 条 19 个测点。在 3444 号坝段基础廊道新布设静力水准测线 2 条 14 个测点（包括 2 个倾斜观测断面） 。另在 7、33 号坝段基础 横向廊道新布设 2 个倾斜观测断面 4 个测点。在基础廊道共计新布 设静力水准测线 14 条 57 个测点。 加高工程在右 644 号坝段高程 170m 观测廊道内每坝段增设 一个测点，共新布设 5 条静力水准测线 54 个测点，以加强对各坝段 坝顶部位的垂直位移监测，同时和对应的精密水准测点进行相互参 照、对比。 （3）双金属标。作为精密水准和静力水准工作基点，加高工程 在 25 号坝段增设 1 座双金属标。 （4）竖直传高。为方便将坝顶高程传至廊道，同时可以将坝顶 水准和基础廊道水准联系起来以构成系统，进行误差改算，加高工 程在右 5、42 号坝段分别布设竖直传高 2 套，测点分别设在高程 176.6m 坝顶平面、高程 170.0m 观测廊道以及基础廊道。 5 电站厂房变形监测 沿用初期工程在 1、3、5、6 号水轮机组的 94m 高程平台上分 别布设的 3 个精密水准标点，共计 12 个测点。 同时，加高工程结合精密水准点增设静力水准测线 2 条 12 个测 点。 6 垂直升船机变形监测 6.1 水平位移监测 在 1、2、5、6 号墩柱上各布设边角交会点 1 个，共 4 个交会点， 以附近的监测网点（工作基点）进行前方边（角）交会。 6.2 垂直位移监测 在 18 号墩柱基座上各布设 3 个垂直位移监测点，共 24 个测 点，以量测导轨倾斜及各墩柱间的不均匀沉降。 7 土石坝变形监测 7.1 左岸土石坝 7.1.1 水平位移监测 （1）交会点。在左岸土石坝坝顶上游侧心墙顶布设交会监测点 24 个。在背水坡高程 165m 马道上，布设交会监测点 16 个。 （2）测距视准线。保留布设在初期工程原坝顶左联坝段迎水坡高程 162m 马道的测距视准线 1 条 5 个测点，5 条测距边。加高工程在坝 顶高程 176.6m 新布设测距边 6 条。 （3）表面测缝装置。在土石坝与混凝土坝 41、42 号坝段坝顶接合 处，各布设 1 套（3 点法）表面测缝计，共 2 套。 （4）垂线及伸缩仪。初期工程在左岸土石坝下游挡土墙 2 号坝段布 设 1 条正垂线。加高工程增设 1 条正垂线及 1 条倒垂线。两条正垂 线之间布设 1 条伸缩仪以联系。 7.1.2 垂直位移监测 （1）双金属标和测温钢管标。作为土石坝垂直位移监测工作基点， 加高工程在左岸土石坝位于糖梨树岭的岸坡地段，增设双金属标 1 座。在左岸土石坝背水侧尖山段岸坡 160m 高程，新设测温钢管标 1 座。并保留原有的尖山双金属标。 （2）精密水准。在左岸土石坝坝顶高程 176.6m，迎水坡高程 162m，背水坡高程 165m，155m 各布设 1 条精密水准测线。按间距 6080m 布设 1 个测点，并与水平位移监测点结合布置;在先锋沟、 王大沟 2 个重点监测断面，自坡脚点至坝顶进行全断面监测。共计 布设精密水准监测点 86 个，水准路线长约 10km。 7.2 右岸土石坝 7.2.1 水平位移监测 （1）交会点。在右岸土石坝坝顶上游侧心墙顶新增交会监测点 16 个。在背水坡 165m 马道上，新设交会监测点 10 个。 （2）测距边。在右岸土石坝与混凝土坝联接段坝顶，布设精密测距 边 6 条。 （3）表面测缝装置。在右岸土石坝与右 5、 6 号坝段坝顶接合处， 各布设 1 套（3 点法）表面测缝计，共 2 套。 7.2.2 垂直位移监测 （1）双金属标和测温钢管标。作为土石坝垂直位移监测工作基点， 加高工程在右岸土石坝右坝肩岸坡地段，增设双金属标 1 座。在右 岸土石坝中部背水侧岸坡 155m 高程，增加布设测温钢管标 1 座。 （2）精密水准。在右岸土石坝坝顶高程 176.6m，迎水坡高程 162m，背水坡高程 165、155m 各布设 1 条精密水准测线。按间距 6080m 布设 1 个测点，并与水平位移监测点结合布置。重点监测 断面自坡脚点至坝顶进行全断面监测。共计布设精密水准监测点 49 个，水准路线长约 10km。 8 结语 丹江口大坝加高变形监测涉及到原有监测系统的利用和改造以及新 增的监测设施布置，同时还要将原有及新增的监测设施形成全新的 系统，是以前大坝监测系统设计中从未遇到过的，本设计方案很好 地解决了这些问题，并对以后相关工程提供了有益的借鉴。 变形监测就是利用专用的仪器和方法对变形体的变形现象进行 持续观测、对变形体变形性态进行分析和变形体变形的发展态势进 行预测等的各项工作。其任务是确定在各种荷载和外力作用下，变 形体的形状、大小、及位置变化的空间状态和时间特征。在精密工 程测量中，最具代表性的变形体有大坝、桥梁、高层建筑物、边坡、 隧道和地铁等。 变形监测的内容，应根据变形体的性质和地基情况决定。对水 利工程建筑物主要观测水平位移、垂直位移、渗透及裂缝观测，这 些内容称为外部观测。为了了解建筑物(如大坝)内部结构的情况，还 应对混凝土应力、钢筋应力、温度等进行观测，这些内容常称为内 部观测，在进行变形监测数据处理时，特别是对变形原因做物理解 释时，必须将内、外观测资料结合起来进行分析。 变形监测作业指导书 (一 )大坝变形监测施工与观测工艺流程图 （二）大坝变形监测施工与观测方法及要求 1.技术标准和规范： 承建工程变形监测仪器设备的检验、率定、埋设安装与施工期 观测，应严格执行现行国家行业技术标准和规范，以及设计文件、 承包合同要求。应执行的现行国家行业技术标准和规范主要有（但 不限于）： （1） 混凝土大坝安全监测技术规范 （SDJ336 89） （2） 土石坝安全监测技术规范 （SL60 94） （3） 国家一、二等水准测量规范 （GB1289791 ） （4） 国家三角测量规范 （GB/T17942-2000 ） （5） 水利水电工程测量规范 （SL197 97） （6） 水利水电工程施工测量规范 （SL5293） 2.变形监测仪器设备购置、加工： 变形监测仪器设备购置、加工应按照经监理工程师批准的设计图 纸、仪器设备清单进行。仪器设备购置、加工前应向监理工程师报 送：（1）仪器设备购置、加工计划：（ 2）仪器设备检验、率定计 划。仪器设备运抵施工现场后，应会同监理工程师开箱检查验收， 应向仪器设备供应方索取仪器设备出厂合格证，计量检测证。仪器、 设备检验合格后应妥善保管。 3.倒垂孔、钢管标、钢铝管双金属标造孔施工与埋设安装： 倒垂孔、钢管标、钢铝管双金属标应在施工部位形成后进行。 按照设计坐标、高程进行钻孔孔位定位、放样。钻机就位，应认真 进行校正。经校正安装固定的钻机，主轴必须严格垂直，钻孔孔位 定位精度须满足设计要求。钻孔施工过程中应每进尺 1 m2m，采 用倒垂浮体组配合弹性导中器进行钻孔垂直度检测，以控制钻孔质 量，进而指导调整钻孔施工。倒垂孔钻孔垂直度应满足保护管安装 埋设完成后，其保护管有效孔径必须在大于 100mm。 钢管标、钢、 铝管双金属标钻孔垂直度应满足保护管安装埋设的要求。 钻孔进尺满足设计要求后，应通知设计、地质、监理工程师，参加 钻孔终孔验收，并进行单项工程阶段性验收签证。终孔验收后，及 时进行倒垂孔保护管、钢管标、钢、铝管双金属标安装埋设。各类 金属管材、材质型号、加工均应满足设计要求。倒垂孔保护管应认 真组装调试，并进行保护管垂直度检测，保护管垂直度必须满足其 有效孔径大于 100mm，加固以后进行灌浆。钢管标、钢、铝管双金 属标、保护管、芯管应认真组装调试，满足设计要求以后，芯管根 部（1m2m）采用水泥浆灌浆固结，保护管芯管间距 2 米采用橡胶 圈加固。倒垂孔、钢管标、钢、铝管双金属标保护管、芯管安装完 成后，其管口均应安装保护装置，以防损坏。钻孔施工单位应提交 钻孔地质柱状图，钻孔垂直度检测单位应整理并提交钻孔与保护管 垂直度检测资料以及保护管芯管安装埋设竣工图。倒垂孔、钢管标、 钢、铝管双金属标施工完成并经监理工程师验收合格后，施工单位 应会请监理工程师会签单项工程竣工验收签证。 4.变形监测设施予留予埋： 布设在砼大坝各层廊道的变形监测设施（如引张线、静力水准、正、 倒垂线测站、精密导线、弦矢导线、竖直传高、垂直位移监测点） 应按照设计图纸进行予留、予埋放样测量，并进行予留槽、予埋件 安装施工，予留槽、予埋件安装施工应准确定位、安装固定牢固， 完成以后进行检查验收。予留、予埋部位砼浇筑施工完成后应及时 进行复测验收，检测是否变位走样。如存在跑模走样应及时采取补 救措施予以处理。 5.正垂线埋管埋设安装： 布设在砼坝体中的正垂线埋管（砼管、钢管）应按设计坐标进行 放样测量，在埋管部位准确标定其中心位置，进行埋管定位。埋管 垂直度应严格控制在设计允许的偏差内。埋管应牢固加固，以防止 在砼浇筑施工中发生变形。严禁碰撞。砼浇筑施工完成后应及时复 测正垂线埋管垂直度。以调整后续埋管的垂直度。砼管在安装过程 中管口应平顺衔接，防止错台，接口处应用油毡封闭，防止水泥砂 浆流入。钢管在安装过程中管口应平顺衔接，焊缝应平整、严密。 正垂线埋管埋设安装完成以后，应及时整理编绘埋管竣工资料。 6.变形监测设备安装调试： 6.1 倒垂线安装调试：采用浮体组配合弹性导中器复测保护管垂直度， 确定倒垂线锚块埋设位置。安装倒垂浮体组，安装倒垂线锚块，通 过滑轮将安装倒垂线锚块的不锈钢丝吊入倒垂线保护管，依靠锚块 重力张拉不锈钢丝。按照锚块埋设位置将不锈钢丝在管口准确定位。 在倒垂线保护管内安装注浆软管，准确计算埋设锚块水泥沙浆用量， 通过注浆软管平缓注入埋设锚块水泥沙浆。注浆结束后再次检测不 锈钢丝在管口的准确位置，如发现安装位置有偏移，应即时进行调 整，使之恢复到锚块埋设位置。 倒垂锚块埋设安装 710 天以后，安装倒垂浮体组和倒垂线不锈钢 丝固定