黔中水利枢纽水源工程平寨水库大坝安全监测设计

黔中水利枢纽水源工程平寨水库大坝安全监测设计在分析了喀斯特地区深切峡谷高面板堆石坝的特点基础上进行了大坝安全监测设计，对监测布置进行了详细介绍，对该类地形地质条件修建的面板堆石坝除按规范规定设置安全监测项目进行仪器布置外，堆石体变形、面板接缝、帷幕防渗效果安全监测也是安全监测的重点，并有针对性地布置观测仪器，切实起到监测工程安全的目的。关键词:大坝安全监测;设计;内部变形;面板接缝;黔中水利枢纽1概述黔中水利枢纽是一座以灌溉、城乡供水为主，兼顾发电等综合利用，并为改善区域生态环境创造条件的大型水利基础设施项目，由水源工程(平寨水库)、灌区工程、贵阳市供水和安顺市供水工程等组成。平寨水库坝址位于三岔河中游平寨河段，水库总库容10.89亿m3。工程等别为Ⅰ等，属大(1)型工程。水源枢纽工程由大坝、洞式溢洪道、泄洪放空洞、引水发电系统、地面电站厂房、灌溉引水隧洞及渠首电站等建筑物组成。大坝为混凝土面板堆石坝，坝顶高程1335.0m，最大坝高162.7m，坝顶长363m，上游坝坡(面板下游侧)为1∶1.4，下游平均坝坡为1∶1.536。大坝剖面见图1。图1黔中水利枢纽水源工程平寨水库大坝剖面结构示意图坝址河段以低中山喀斯特峡谷地貌为主，河谷横断面一般呈较对称的“V”字形，河床高程1183.2～1186.9m，自谷底至1360m高程，两岸地形坡度40°～50°，局部为陡崖，自峡谷顶部(1360m)以上一般为缓坡平台及开阔槽谷地形。坝址岩层倾向上游或下游，从背斜核部向两翼依次出露地层岩性为T1y上部紫红色、灰黄色、黄绿色厚层砂质泥岩、泥质粉砂岩;中部灰色、浅灰色中厚层灰岩夹少量砂泥岩;下部紫红色、灰黄色、黄绿色厚层砂质泥岩、泥质粉砂岩。岩层倾角北陡南缓，坝区大部分岩层倾角为15°～25°。本工程大坝地处喀斯特发育的深切河谷中，与常规的面板堆石坝比较，坝体沉降的拱效应使堆石体施工期的沉降往往较小，而变形稳定的时间却较长，这也导致了面板的工作性态极为复杂，面板竖直缝受拉或受压区域不明确，设计计算也难以准确模拟，直接影响了工程的运行安全。加之工程区的喀斯特极为发育，有KS3、KS4和KS8等喀斯特系统分布，防渗处理的效果也是工程成败的关键，对防渗效果的观测也是工程重点内容。因此，设置大坝安全监测系统客观反映坝体、面板的工作性态，施工期控制施工质量，运行期监控安全，并为该类地形地质条件上修建高面板堆石坝的设计、施工总结经验，提高设计、施工水平，是十分必要的，特别是对堆石体的变形、面板接缝、防渗效果观测是该工程安全监测设计的重中之重。2大坝安全监测设计的原则平寨水库大坝安全监测设计遵循的原则如下:(1)监测目的应明确，既突出重点，又兼顾全面。以监控工程的安全为主要目的，兼顾为设计积累资料，对面板接缝、防渗效果针对性地布置监测仪器。(2)监测项目的选定应从施工期、首次蓄水期、运行期全过程考虑，相互兼顾，将结构设计关注的重点也作为观测设计的重点。(3)监测仪器设备应具有耐久性、稳定性、适应性，并满足精度要求，同时也为后期接入自动化系统提供方便。(4)监测仪器布置合理，除按有关规范外，还结合工程具体情况进行监测设计。3监测项目根据规范规定、工程地质条件、大坝结构特点等选定监测项目，见表1。表1黔中水利枢纽水源工程平寨水库大坝安全监测项目汇总△项为工程监测的特别关注项目。4监测布置4.1监测控制网监测基准网包括平面位移控制网和精密水准控制网，是工程枢纽变形观测的基准。工程规模为大(1)型，采用一等平面监测基准网和一等精密水准基准网。4.1.1平面位移监测基准网由左岸4个控制点、右岸4个控制点共8个控制点组成多个四边形，为一等边角全测基准网。估算测角中误差为0.54″，最弱点位中误差1.61mm，最弱边相对中误差为1/35.3万，方向观测和边长观测的可靠性因子(γ)均大于0.2，满足国家一等三角网的精度要求。4.1.2垂直位移监测基准网在大坝右岸下游约2.5km的村寨附近基岩埋设1组水准基点(3个固定点)。沿右岸上坝公路经交通洞、大坝坝顶、大坝下游面公路到厂房公路桥，沿河边施工公路再闭合到水准基点上，全长约9km。沿途设6个联系点(水准点)，进行往返观测。要求观测精度为每公里偶然中误差m△不超过0.45mm，每公里全中误差mw不超过1.0mm。4.2坝体表面变形监测坝体表面水平位移采用视准线法，沉降观测采用精密水准法，共布置7个横断面，9条视准线。视准线L1位于上游坝面1244.0m高程垫层料中，测点4个;视准线L2位于Ⅰ期面板顶部，测点4个;视准线L3位于坝顶上游面垫层料顶部，测点7个;视准线L4位于坝顶上游面面板顶部，测点7个;视准线L5位于坝顶下游侧，测点7个。下游坝坡布置4条视维线:视准线L6位于高程1303.64m，测点6个;视准线L7位于高程1273.64m，测点4个;视准线L8位于高程1239.0m，测点3个;视准线L9位于高程1204.0m，测点3个。下游坝坡的视准线均通过下游永久观测房，在观测房顶设1个标点，观测其水平位移，测点共计45个，其中视准线L1、L2、L3为施工期观测，收集施工期上游坝坡的变形结果，L1、L3布置于垫层料中待面板开始浇筑后拆除停止观测，L2布置于Ⅰ期面板顶部，待水库蓄水后停止观测，其余均为永久监测。每个测点均设置综合标点，安装强制对中基座和水准标点。各条视准线的工作基点建立在视准线的端点，工作基点由平面控制网点校测。水平位移工作基点共计18个。在每条视准线的两端岸坡各设1个沉降工作基点，对位移标点进行沉降观测。工作基点稳定性利用精密水准网进行校测。4.3堆石体内部变形监测坝体内部变形设置3个横断面，分别为横0-007.5m、横0+065m及横0-100m断面。沉降测点:在横0-007.5m断面布设4条测线，高程分别为1204.00，1239.00，1273.64，1303.64m;在横0+065m断面布置3条测线，高程分别为1239.00，1273.64，1303.64m;在横0－100m断面布置2条测线，高程分别为1273.64，1303.64m。每条测线不同高程的沉降测点布置在同一垂线上，以便确定2测点之间堆石体的压缩变形模量，总计沉降测点47个。为避免水管式沉降仪的水管形成倒坡，垂直水平位移计条带预设坡度为1%～3%。水平位移测点:每条测线上从垫层区、过渡层区、主堆石区、次堆石区各布置1个测点，监测坝体不同填料及不同高程的水平位移变化情况，测点共35个。4.4大坝渗流渗压及帷幕监测渗流渗压监测分为坝体渗透压力、周边缝止水效果、渗流量及帷幕防渗效果监测。4.4.1坝体渗透压力监测在坝体最大剖面0-007.50m浸润面高程布设渗压计，分别设在面板底部、垫层区、过渡层区、主堆石区以及次堆石区，以观测坝基渗压情况和下游水位变化情况，共计渗压计9支。4.4.2周边缝及竖直缝止水效果监测在布设测缝计的周边缝下游垫层料中对应布设坑式渗压计，以判断周边缝止水效果，共计布设渗压计11支。在坝体最大剖面0-007.50m的1204.00，1239.00，1273.64m面板垫层料中布设坑式渗压计1支，对面板竖直缝止水效果进行监测。4.4.3渗流量监测根据坝址实际的地形和建筑物布置情况，在下游坝脚处设置混凝土截流墙，将坝体及坝基渗水截住后沿着指定位置流出，设置量水堰监测坝体和坝基的渗流量。4.4.4帷幕防渗效果监测根据帷幕设计和地质情况布置测点，在左右岸各灌浆廊道的帷幕后布设水位孔，并在水位孔内设置渗压计进行观测。帷幕近端测点布置较密，帷幕远端较疏，主要布置在不良地质情况(如断层夹泥层、溶洞)等部位。左岸帷幕监测布置:在1201.0m高程的ZPD4平洞内布置4个渗压测点，在1244.0m高程的ZPD3平洞内布置6个渗压测点，在1285.0m高程的ZPD2平洞内布置5个渗压测点，左岸测压孔共计15个。右岸帷幕监测布置:在1224.0m高程的YPD3平洞内布置2个渗压测点，在1279.0m高程的YPD2平洞内布置3个渗压测点，在1331.85m高程的YPD1平洞内布置1个渗压测点，右岸测压孔共计6个。为监测各高程廊道渗水的变化情况，在左右岸各高程廊道排水沟内布置量水堰计，共布置量水堰计7套。4.5面板挠度及周边缝、竖直缝开合度监测4.5.1面板挠度监测选取面板横0-007.50m作为监测断面，采用电平器进行观测。根据应力变形计算成果、面板在竣工期和蓄水期的变形状态来布置测点位置，测点间距在加密区相距高程约5m左右，其他为10m，测点共计20个。4.5.2面板周边缝、竖直缝开合度监测根据设计计算成果，1/3坝高位置的周边缝变形相对较大。在河床中部、两岸起坡处各布设1个测点，在两岸坡约1/3、1/2、2/3以及岸坡突变及地质条件差的部位各布置1个测点，测点的分布覆盖整个周边缝。两岸坡测点采用三向测缝计，河床部位的测点选用两向测缝计，以监测面板和趾板之间的剪切位移、沉降、开合度，共布置两向测缝计3组，三向测缝计8组。为监测竖直缝开合度，判断缝间的止水设施是否破坏，在1275.3，1295.76，1327，1318.5m高程的不同位置竖直缝布置单向测缝计;因大坝布置于深切河谷中，张性缝与压性缝的分区位置与常规面板坝不同，为掌握竖直缝的分布规律，故在1295.76m高程每隔2条竖直逢布置1支单向测缝计，以了解面板的工作性态，单向测缝计共31支。4.5.3面板与垫层料之间脱空观测根据面板施工安排，在Ⅰ期和Ⅱ期面板的面板与垫层料之间进行测点布置，主要分布如下:在Ⅰ期面板横0-007.50m断面的1204.00，1239.00m高程各布置1组面板脱空计;在横0+028.00m断面和横0-50.00m断面的1239.00m各布置1组面板脱空计，监测Ⅰ期面板与垫层料之间的脱空情况。在Ⅱ期面板横0-007.500m断面的1273.64，1327.00m高程各布置1组面板脱空计;在横0+065.000m断面和横0-100.00m断面的1327.00m高程各布置1组面板脱空计，监测Ⅱ期面板与垫层料之间的脱空情况。脱空计共布置8组。4.6面板应力应变选取横0-007.5m、横0+065.0m以及横0-100.0m三个断面为面板应力应变的观测断面，进行温度应力、钢筋应力、自身体积变形等项目的观测。面板混凝土应力观测应变计组结合无应力计进行，靠近周边缝附近采用三向应变计组，其余为双向应变计组，每组应变计组旁均配1套无应力计。横0+065.0m以及横0-100.0m观测断面均在1273.64，1303.6，1327.0m三个高程上布置仪器;在横0-007.5m观测断面1213.64，1273.64，1327.0m三个高程上布置仪器。共布置三向应变计组6组，双向应变计3组，无应力计9套。面板钢筋应力通过布置钢筋计进行观测，在布置应变计组的附近同一高程上布设1组顺坡向和水平向的钢筋计，河床最大断面钢筋计按双层布置，其他断面以单层布置。同时在Ⅰ期面板的1220.0，1239.0m高程和Ⅱ期面板的1249.0m高程各布设1组顺坡向和水平向的钢筋计，最大断面处按双层、双向布置。钢筋计共计50支。温度变化对面板混凝土应力应变影响较大，在横0-016.0m断面按下疏上密的原则布设温度计，运行期同时还兼作库水温度监测。共布置温度计13支。4.7堆石体土压力和接触土压力监测4.7.1堆石土压力选取最大坝高断面(横0-007.5m)与堆石体变形监测同一断面同一高程，在垫层料中各布置两向土压力测点，共计4组两向土压力计。4.7.2接触土压力选取最大坝高断面作为堆石体压力监测断面，在基础布置土压力计2支，以监测坝基土压力变化情况。4.8地震监测选取最大坝高部位监测断面下游坝面各高程观测房内、坝顶以及两坝肩的基岩上各布置1个测点，为排除坝体的库水反馈震动影响，取得坝体实际地震输入，在大坝下游离坝址350m处的基岩上布置1个测点，共计8套强震仪。5小结(1)黔中水利枢纽水源工程平寨水库大坝工程监测设计根据规范要求，结合平寨水库大坝的特点进行，系统地设置了坝体变形、面板接缝、渗流渗压、应力应变及温度观测等项目，能够满足实时监测工程施工及运行安全的目的。(2)深切峡谷修建的面板堆石坝堆石体变形在施工期较小，但变形稳定所需的时间较长，导致面板的工作性