二滩高拱坝安全监测设施布置与运行管理

二滩高拱坝安全监测设施布置与运行管理

二滩水电站位于中国西南部四川省攀枝花市雅江下游河段。电报线路为330万公里，总投资58亿3m。多年平均产量为170万公里。这是中国20世纪建立的最大节水交通枢纽工程。混凝土双拱坝最大坝高240m，拱顶最大厚度55.74m，拱顶厚度11.0m，拱顶线槽长769.32m，坝体混凝土填充量为391万米3m。这是20世纪中国的第一个也是世界上的第一个水库。高拱坝规模宏大,技术复杂,多项指标名列世界前茅。二滩拱坝1998年5月1日拱坝临时底孔下闸水库开始蓄水,至今拱坝已承受了10次完整的加卸载循环过程,经历了多次洪水考验。二滩拱坝是我国第一座完建并成功运行的200m以上高坝,是我国高拱坝建设的里程碑,它的建成标志我国水电建设技术跨入世界先进行列。二滩拱坝无论在设计上或施工上都有很多突破,使用了许多国内未使用过的新技术与新工艺,因此积极开展监测分析,对不同的重点监测项目进行跟踪、及时和准确的评价,掌握大坝的运行安全状态,为制定安全运行监控标准和水库调度运行方式提供决策参考都具有极其重要的意义和价值。二滩拱坝监测设计遵循以安全监测为主,仪器少而精,一种仪器多用途,重点部位多方法临测,监测内容相互检查校核的布置原则。安全监测项目主要包括变位监测、渗流渗压监测、温度监测、应力应变监测、水位监测、自动化数据采集系统以及其他特殊观测项目等。布置了26类、共计1022台(点)观测仪器设备,其中埋入式仪器680支(点),外部观测仪器191台(点)。埋入式仪器自竣工完成后至今,其成活率平均约为91.2%,全部仪器设备目前的成活率平均约为95%。通过对仪器设备的不断维护,拱坝安全监测系统总体上工作良好,为拱坝的安全及工程可靠运行提供了可靠的保障,也为中国高拱坝设计提供了可借鉴的宝贵经验。1作用效应量的确定在反映坝体和基础安全运行的宏观物理量中,位移是最直观、最易量测、也是相对易于量测准确的作用效应量。当结构在弹性工作阶段时,应力与应变有线性变化关系,应变又是位移的一阶导数,从而只要获得使应力能得到安全控制的位移变化预测区间,且实测位移值处于预测范同内,则可认为大坝强度安全能得到控制,因此,可采用大坝位移来监控坝体安全。1.1坝体水平位移的监测坝体水平位移的监测实施,采用了两套系统,即拱坝垂线观测系统和精密大地网测量系统,其中大地测量分为临时和永久网测量系统;垂线测量系统主要通过布置在4#、11#、21#、33#和37#坝顶五个断面的TCN1、TCN3、TCN8、TCN15和TCN19五套正、倒垂线系统进行监控;坝体水平位移的大地网监测点,包括坝顶OP2～OP6和下游面C20～C30共计15个观测墩测点。垂线测点TCN1、TCN3、TCN8、TCN15、TCN19与大地网测点OP2～OP6分别对应位于4、11、21、33、37坝段,其水平距离较近且位于同一坝段,其对应测点相同时段的坝体水平位移增量和径向位移具有较大可比性。大地网的量测值所反映的是坝体水平位移的绝对增量,垂线系统反映的是坝体相对于垂线锚固点的位移量增量,垂线测点、坝顶观测墩、坝后测点以及平面监测控制网构成坝体水平位移监测的整体,相同部位测点实测值可互相校验,并可通过大地网测量成果对垂线测点的测值进行可能的修正。典型时段各典型测点水平位移比较见表1,从表中可以看出,5个坝段的垂线位移与大地测量成果基本一致,表明了垂线观测成果的可靠性,因此垂线观测所反映的大坝变形是真实可信的。针对拱冠梁剖面坝顶测点TCN3、TCN8、TCN15的径向位移监测资料进行分析。自蓄水至今,各测点累积径向位移实测值时间过程线如图1所示。由图可见,各测点测值的连续性较好,可靠性高;测值和库水位间存在较为密切的相关性,测值随库水位作周期性变化,符合拱坝坝体径向位移变化的一般规律;典型测点径向位移,随库水位、温度和库盘的作用的变化趋势和规律正确、合理;累计径向位移均在设计控制范围(基本荷载组合时设计允许最大径向变位122.9mm)之内,说明拱坝在该部位的径向位移正常,坝体工作性态良好。监测结果还表明,大坝的水平变位主要受库水位和温度影响。根据蓄水后的高水位运行情况,2005年高水位运行区段和时间比2003年和2004年略有增加,且自2000年后,库水位均在当年5月中下旬达到1155m的最低水位工况,在对应时段内累计径向位移的测值也相对较大,说明高水位的持续时间可能是影响大坝径向变位逐年增加的主要因素。分析近10年的水平变形实测数据,表明二滩大坝大地网测点监测成果数据较为可靠合理,是一种行之有效的手段,其监测成果具有较高精度,且系统的误差较为稳定。因此大地测量宜定期地进行长期观测,特别是与大坝垂线测点对应的测点宜定期地进行长期观测,以便于大坝位移的相互验证和绝对位移的监控。二滩拱坝各项水平位移实测数据均在设计控制范围之内,表明大坝工作性态正常。1.2坝体垂直位移用于监控拱坝垂直位移(沉降)的仪器设备包括:精密水准测量系统(坝体、坝基水准点)、坝基多点位移计、坝基测缝计以及静力水准仪等,垂直位移监测设备及仪器布置情况见表1。其中坝基多点位移计、坝基测缝计以及静力水准仪仅设置在个别坝段,数量有限,其测值仅代表个别坝段特定点的相对位移情况,不能对整个拱坝的垂直位移起控制作用,因此,精密水准测量是监控拱坝垂直位移的较可靠的主要手段之一。BM3、BM5、BM7、BM9、BM11、BM14等6个水准点设置于坝顶拱冠梁剖面1205.30m高程,分别位于8、14、21、28、33、39坝段,这些点的测值能较好地反应拱冠垂直位移情况,各测点实测值过程线如图2所示,位移量为“正”表示下沉,为“负”则相反。从图可以看出各测点测值变化规律吻合较好,垂直位移与库水位的相关性均较好,总体上反映了坝体垂直位移随着荷载而变化的基本规律。测值表现出随时间而增长的趋势,这种变化趋势估计与库水位在1200m附近的区段长时间运行,以及该时段的时效和温度荷载变化有关。各测点垂直位移基本处于设计控制范围(设计预测最大值为+7.3～-6.1mm)以内,说明目前坝体垂直位移变化规律正常。精密大地水准测量成果表明,1090m高程及以下测点的垂直位移,从1997年3月始测截至2001年4月,其测值波动下降且总体呈现沉降趋势。三个高程的垂直位移呈现相似的变化规律:中间18～21坝段沉降量大,边坝段沉降量较小,最大沉降量均发生在21坝段。2000年5月以后,由于坝基残余变形逐步大部分完成,各高程测点垂直位移与库水位的相关性逐步增大并趋于稳定,随着库水位的周期性变化,大坝垂直位移趋于与库水位变化同步的稳定周期性变化。但是,垂直位移水准网的起测基点布设在下游距大坝直线距离3.6km处,致使水准测量路线总长约37km,是偏远的。由于距离及路线较长,使观测工作量大、周期长,测值准确性也受到一定影响。在今后的大坝监测设计中,起测基点宜尽量靠近建筑物,以便缩短观测路线。2坝基渗压测点布置水电站枢纽渗流场的变化,将影响到拱坝的基本荷载、坝基的沉降变形和坝肩岩体稳定性。通过对实测渗流渗压资料进行定期检查分析,对坝基和坝肩稳定安全分析评价具有重要意义。为了对二滩水电站拱坝基础渗流场及左右岸绕坝渗流场进行较深入的分析评判,对实测渗流渗压资料进行较系统的计算分析。拱坝地基及抗力体范围共设有21个渗压测点,沿坝基纵向布置成三排,第一排设置在防渗帷幕之后,共4个测点,分别为PZ01、PZ09、PZ13、PZ17,目的在于检验防渗帷幕效果;第二排渗压测点布置在坝基排水区,共10个测点,目的在于校核坝基排水对降低渗压的作用;第三排渗压测点位于坝趾附近,共5个测点,观测坝基、坝后及水垫塘排水对坝基渗压的综合影响。坝基渗压测点布置见表2。坝基帷幕后布置的渗压测点PZ01、PZ09、PZ13渗压实测值与库水位的过程线如图4所示。测值过程线表明,各部位坝基渗透压力变化与库水位变化密切相关,相关系数为0.95左右,基本呈略有滞后的周期性变化。设在第一排帷幕后坝基排水区之前的各测点,测得的是帷幕本身的防渗效果,渗压水头折减系数在0.17～0.38之间变化。其余各测点渗压计位于排水区之后,各测点渗压水头折减系数均在0.14～0.21之间变化。监测数据和排水区幕前后的渗压水头折减系数表明,防渗帷幕防渗效果显著,排水对削减渗透压力有很好的作用,防渗效果满足设计控制值和规范要求。3坝体最大主压应力《混凝土拱坝设计规范》(DL/T5346-2006)中将应力作为衡量拱坝强度安全的主要标准,并规定对于坝高200m以上的高坝,应力控制标准应作专门研究。《混凝土坝安全监测技术规范》(DL/T5178-2003)规定大坝级别为一级的混凝土坝应进行应力应变监测。二滩拱坝按一拱一梁布设仪器进行应力监测,重点观测1124m左右高程拱圈和拱冠梁及附近坝段。现针对拱冠坝段(27坝段)实测主应力的分布和变化规律进行分析。SS28、SS29测点主应力变化过程线见图4、图5。六支应变计组SS28、SS29分别位于27#坝段1123.5m高程坝段坝基附近的中部和下游面处。六支应变计组SS28位于1123.5m高程坝段中部,主应力均为压应力,最大主压应力随时间变化过程如图4所示。2000年10月～2005年11月期间,SS28最大主压应力在-4.2～4.8MPa之间变化,均在设计控制值(基本荷载组合,最大主压应力不超过6.75MPa)范围内,与库水位相关系数r为0.68,水位升高,最大主压应力增加,水位降低,最大主压应力减小,最大主压应力随时间的逐步缓慢增加,总体趋势逐步收敛。三支应变计组SS29位于27坝段1123.5m高程下游面,出现拉应力,主拉应力在从1999年底的约0.39MPa逐步增加到2003年-2005年的1.17MPa左右,呈现随库水位升降的周期性变化,最大主拉应力未超过设计控制值(不超过1.20MPa)范围。发生拉应力部位表面和物探检测均未发现任何裂缝。坝体的实测应力由应变计组的应变转换计算获得,其成果可靠性受仪器埋设的时间、基准值的选取、混凝土应力的计算、混凝土徐变度的计算、混凝土弹模值的选取以及测值的稳定可靠性等因素的影响。在实测应力计算过程中,大坝混凝土线膨胀系数、弹性模量、徐变度均统一取值,不能完全合理地反映测点所在部位分区混凝土的特性,因而会带来实测应力计算误差。大坝分区混凝土自身体积变形是实测应力计算的关键参数,而坝内埋设安装的无应力计所反映的自身体积变形与大坝混凝土试验成果不完全一致,因此实测应力计算成果中存在一定的不确定性。结合国外契尔盖拱坝、英古里拱坝等实测坝体最大主应力情况,目前虽然二滩大坝上下游面典型测点个别部位出现较大的压应力和拉应力,但均未超出原设计应力控制标准和规范值,各测点实测应力目前未发生明显的发散变化,基本呈稳定的变化趋势,发生较大拉应力部位表面和物探检测均未发现任何裂缝。因此,结合大坝变形、渗流渗压以及巡视检查的分析成果,第二次安全定检结论认为大坝的运行安全可以得到保证,各项工作状态正常。4坝体防渗效果二滩电站自1998年5月1日下闸蓄水至今已正常运行了十年,拱坝经历了10次完整的加卸载循环过程,也经历了多次洪水考验,期间运行在1199m～1200m高程蓄水位累计达到496天,拱坝经受了较长时间的设计正常蓄水位考验,目前工作性态正常。通过对拱坝变形、渗压、应力实测数据的分析,可以表明拱坝位移监测成果合理正确地反映了拱坝的受力性态,测点量测值基本在设计预测范围内。各测点实测位移,随库水位、温度和库盘的作用,其变化趋势和规律合理,拱坝水平变位总体正常;坝体1090m高程及其以下测点的垂直变位总体上为趋于稳定的沉降变化规律;拱坝垂直变化基本趋于稳定,拱坝垂直变位工作性态总体正常。坝踵属沉陷变形和回弹变形,处于压紧或接触未脱离状态。坝体与坝基之间,没有相互脱离张开和相对滑动的迹象。坝基总体变形是向下沉陷,不存在拱坝沿建基面向上滑移的趋势。实测渗压成果分析表明拱坝坝基的防渗帷幕防渗效果显著,拱坝的防渗、排水对坝肩作用十分显著,好于设计预期效果,防渗帷幕和各种排水设施,均达到并好于设计预想效果,绕坝渗流较好地得到