高混凝土面板堆石坝安全监测若干问题的讨论

谭恺炎

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌443002）

0 前 言

混凝土面板堆石坝是以堆石体为支承结构，并在其上游表面设置混凝土面板作为防渗结构的一种堆石坝坝型。经过多年的发展和技术改进，混凝土面板堆石坝的设计和施工方法日趋成熟，在世界范围内的应用也日益广泛。就目前的发展而言，中国的面板堆石坝建设，无论是规模、数量和技术发展的程度，都走在了世界的前列。随着我国西部水电开发进程的加快，未来将在金沙江、澜沧江、怒江、雅砻江、大渡河和黄河上游以及西藏的雅鲁藏布江等地区修建一批高坝工程。这些地区由于地形、地质条件复杂，交通运输困难，缺乏防渗土料等因素，混凝土面板堆石坝坝型将可能是最为经济的选择。

随着混凝土面板堆石坝坝高的增加，坝体的应力和变形以及大坝的运行性态将不可避免地产生一些迥异于百米级坝高的新特性。堆石坝是典型的非均质材料坝，常采用非线性弹塑性力学模型进行数值计算，由于堆石坝材料性质差异很大，模型的适应性受到较大影响，再加上缩尺效应引起的试验参数误差，数值计算的结果与原型观测的差异较大，通常采用原型观测的结果进行反演分析，并不断调整计算模型、修正模型参数。目前，大坝原型观测通常称为大坝安全监测，其作用除了上面提到的验证和修正设计计算模型及模型参数，还包括指导施工，实时监控大坝安全以及通过掌握建筑物运行工况进行合理调度，充分发挥工程效益。因此，大坝安全监测对于高面板堆石坝尤其重要。

近年来，随着国内外一批200 m级高混凝土面板堆石坝的相继建成，国内外坝工界对于高混凝土面板堆石坝应力变形特性的认识也不断深入，在这些工程实践中，既有成功的经验，也发现了一些问题。就安全监测而言，混凝土面板堆石坝的研究与混凝土坝相比，在研究的系统性、监测方法手段的可靠性、监测资料的采集和解释应用方面还存在诸多问题。

1 变形监测问题

1.1 沉降观测

堆石坝的内部变形监测系统通常有水平垂直位移计、测斜兼沉降管、土位移计等，其中沉降观测主要有水管式沉降仪和沉降管两种，在监测设计中一般两种设施兼有，互为校核。近年来，这种设计思路有所变化，因为堆石坝的填筑料粒径较大，设计最大粒径为80 cm，实际填筑粒径达150 cm以上，施工现场的施工机械化程度高，沉降管埋设和保护均存在很大的难度，如果采取局部填筑细料替代则存在沉降代表性问题，所以近几年设计的堆石坝大多只布置水管式沉降仪，同时在心墙、过渡料等细料区布置沉降管。水管式沉降仪是一种原理结构简单、观测成果直观的监测系统，但也存在水管沉积淤堵、水管掺气、通气管堵塞等问题，引起测值不稳失真，虽然近年来采用压力传感器进行自动化观测，但观测期间的充水排气以及观测房沉降修正等还很难做到同步自动化，整体上讲，水管式沉降仪观测的自动化程度偏低，而且水管式沉降仪埋设时需要开挖沟槽，工程量很大，对填筑施工的干扰也很大，测线和测点布置一般较疏，尤其在垂直分层上测点偏少，一般在20～30 m甚至更大，不利于获得更多的监测信息。

更值得指出的是，水管式沉降仪的观测结果不能完全反映坝体沉降。坝体的真实沉降D坝可用式（1）表示：

式中：D测——水管式沉降仪观测沉降值（已进行观测房沉降修正）；D0——水管式沉降仪测头埋设时下覆土层沉降；D1——水管式沉降仪测头埋设至观测房安装完毕首次观测期间下覆土层沉降；D基——基础沉降。

由式（1）可知：抛开基础沉降，水管式沉降仪所测沉降值仅仅是首次观测开始后的下覆坝体的沉降，而这个沉降值大大小于坝体的实际沉降值。实际施工中，由于施工手段和料源的限制，一条测线往往不能一次安装，而需要根据施工安排采取分段安装。观测房的修建则由于下游面削坡护坡施工的滞后不能及时进行，往往造成测线埋设达数十米仍不能开展首次观测，造成水管式沉降仪沉降观测值的代表性大大降低，尤其是占总沉降比重较大的施工期沉降大量被忽略。工程实践中甚至经常使用这个指标来评价填筑施工质量、决定面板施工时机等重大事项，如果不加以辨别，给工程造成的危害是很大的。

由上可知，采用水管式沉降仪观测坝体沉降存在较大的系统偏差，而且极易形成认识上的误区。而采用沉降管观测沉降可以较好地解决这个问题，埋设沉降管采用电磁式沉降仪进行监测，它可以从填筑施工一开始就进行埋设和监测，对沉降进行累加，可获得施工期全部沉降情况。这种沉降管的分层测点可以布置得很密，可每隔1～3 m布置一个测点，甚至更密，还可以计算各填筑层的压缩量并以此计算填筑层总的实际沉降量。但这类仪器埋设时易因施工影响受损，不易埋设好，实践证明，工程中采取加强保护、精细施工的措施完全可以达到预期目的。某堆石坝工程河床断面沉降管竣工期观测坝体沉降分布图见图1。

图1 某堆石坝工程河床断面沉降管竣工期观测坝体沉降分布图Fig.1 Settlement distribution on the river bed section of a completed rock-fill dam measured by settlement tube

图1中沉降量是沉降环埋设后的该点的绝对沉降量，与填筑时间、埋设高程、填筑料及密实度等有关。由于施工期沉降环随坝体填筑不断上升进行埋设，上部沉降环埋设时，其下部坝体填料已经发生较大沉降，故该处沉降环的累积沉降量较上部偏大，而管底基岩相对稳定，几乎认为不发生沉降，靠近基岩的下部沉降环沉降量也相对较小。从沉降量分布曲线可以看出：坝体内上、下部沉降环的沉降量较小，而中间部位沉降环的沉降量较大，沉降变形较大部位在1/3～2/3填筑高度，这与坝体沉降的实际情况相一致。

近年来，一些工程采用振弦式沉降仪进行坝体内部沉降监测，一般将储液罐固定在已知沉降的可随时进行维护的部位，通过测头部位的传感器感知液体压力获得位置变化的数据，如果将储液罐同时埋入，两点间的相对垂直位移就可很方便地获得。这种监测系统较好地解决了沉降管监测局部填料差异引起的沉降代表性问题和水管式沉降仪观测滞后的沉降差异问题，也便于进行自动化观测。从目前应用情况和仪器结构看，大多采取将储液罐固定在沉降体外部，同时将储液罐埋入的监测效果还有待工程验证。

综上，堆石坝的内部沉降监测应适当增加沉降管的布置，同时为了改进水管式沉降仪沉降观测的代表性问题，建议在沉降测头埋设时精确测量测头安装高程，以便获得测头安装后至首次观测时的坝体沉降值。

还有一个沉降标准问题，目前在土石坝建设中大家都习惯用1%坝高来衡量，有的工程甚至要求将沉降率控制在1%以内，有的工程在验收中不去考察沉降监测数据的来由，单凭报告的沉降率数据就下结论。从上面的分析可知，不同的监测方法、不同监测实施态度会出现不同的沉降率，如果采取沉降管监测，或者沉降监测设施及时得到安装埋设、及时取得首次观测，这样观测到的沉降率可能比较大。在高堆石坝或超高堆石坝中，由于高土压力和高水压力作用，坝体沉降可能超出常规堆石坝的沉降规律，需要在今后的高坝监测中不断总结提炼。

1.2 水平位移观测

坝体内部水平位移监测常采用测斜仪和铟钢丝位移计，测斜仪又分固定式和活动式两种。测斜仪都是通过测量传感器的角度变化和标距来计算位移的，计算原理如图2所示。

图2中L为测量标距，活动式一般为0.5 m，d1、d2、d3、dn为偏移量，θ1、θ2、θ3为角度偏移，d1＋d2＋d3为累计偏移，减去初始的累计偏移即为该点的水平位移。由此可知，任意测点的水平位移由其下部测点的位移累加而得，根据测量误差的传播特点分析，活动式测斜仪各点的测量误差是不相等的，如以底部测点作为不动点测量，越到顶部误差越大。

固定式测斜仪埋设在堆石坝中往往测点间距较大，常常达10 m以上，采用三角形来计算位移误差很大，这是因为此时测点之间的变形不符合三角形假设，尤其堆石坝是一种典型的非均质材料坝，传感器的角度偏移很难代表两测点之间这么大区间的偏移，所以固定式测斜仪用于堆石坝水平位移监测，测点间距应尽量小。

图2 测斜仪计算原理Fig.2 Calculation principle of inclinometer

铟钢丝位移计相对于测斜仪而言，埋设难度和施工干扰较大，且观测数据因测点沉降影响和钢丝徐变影响使观测精度降低，所以在埋设铟钢丝位移计时应相应设置沉降测点，在仪器选型和埋设时应特别注意钢丝支撑结构的优化和钢丝质量。

1.3 坝基变形

通常在进行坝体内部变形监测时，习惯以坝基作不动点为参照物，如测斜管、沉降管的安装埋设时，一般要求埋设在完整基岩中。堆石坝的基础一般没有混凝土坝要求高，很多时候大坝是在覆盖层上稍做处理后进行填筑的，对于许多工程，由于覆盖层较厚，埋设至完整基岩不太现实，此时的大坝变形观测值必须考虑坝基变形的影响。一般来说，沉降观测受坝基影响较大，而且不同的监测手段，影响是不一样的。采用沉降管观测沉降，在施工期一般以管底作为不动点进行观测计算，观测到的沉降是相对于坝基的。采用水管式沉降仪观测沉降时，一般用观测房的绝对高程作为基准，观测计算的沉降就包含了坝基的沉降，此时如需计算坝体沉降就应考虑扣除坝基沉降，一般可通过坝基试验成果推算坝基沉降，也可通过在坝基埋设基岩变位计实测坝基变形。图3是某堆石坝经过强夯处理的坝基沉降观测实测资料，最大沉降约为100 mm。

图3 某堆石坝经过强夯处理的坝基沉降观测曲线Fig.3 Foundation settlement of a rock-fill dam after treatment by heavy tamping

2 防渗监测问题

渗流监测是堆石坝的重点监测项目，主要是监控防渗系统的防渗效果，所以混凝土面板和趾板就是面板堆石坝的主要监测对象。水库蓄水后，防渗结构的破坏一般伴随着渗流，所以在防渗趾板、面板裂缝监测处应同时布置渗压计进行渗压监测，也起到互相校核的作用。尤其是在周边缝的监测中，目前工程中广泛应用的三向测缝计，实际监测效果并不理想，适当多布置些渗压计就显得很重要了。

堆石坝下游的总渗漏量监测是考核堆石坝质量的重要依据，一般采用量水堰监测，其监测成果的准确性和代表性受量水堰布置、监测方法以及环境的影响较大。有些中小工程往往为了节约投资，布置量水堰时没有设计相应的降雨量等环境监测设施。如某工程下游量水堰渗流监测成果见图4，图中2006年和2007年5～9月间的渗流异常波动即受降雨影响所致，因缺乏相应的降雨监测手段而无法修正。

图4 渗流量和库水位的变化曲线Fig.4 Curve of seepage and the water level of reservoir

3 混凝土面板应力监测问题

混凝土面板应力监测通常采用应变计、钢筋计，采用应变计监测面板应力时需要埋设无应力计来扣除混凝土自生体积变形。由于无应力计的体积较大，而面板在厚度方向的尺寸很小，为了不影响面板结构的完整，一般都将无应力计埋设在面板下部的垫层料里，而实际上，由于在垫层料中人为楔入了一个硬质的混凝土墩，可能对混凝土面板变形产生约束作用，导致混凝土面板局部受力状态改变。

混凝土的自生体积变形是由于水泥水化作用和其它一些未知的物理化学变化引起的，其大小主要由化学收缩和自收缩的大小决定,主要来自胶凝材料的水化。影响混凝土化学收缩和自收缩的主要因素是水胶比、水泥的矿物组成、掺合料品种及其掺量、胶凝材料的细度、集料的颗粒尺寸和养护温湿度等。水泥熟料中C3A、C3S的含量越大，化学收缩越大；胶凝材料的细度和用量越大，化学收缩越大;低水胶比更易引发自收缩。可以说混凝土自生体积变形主要取决于胶凝材料的特性和用量，采用室内标准试件的自生体积变形观测数据是可以代表的，况且现场仪器埋设方法不当造成的观测误差有时也会很大而无法正确应用，这在一些工程的观测资料中可以看出，如原材料相同、配合比相同、施工方法相同的混凝土，在结构相同的不同部位观测到的自生体积变形不但大小不同，有时甚至规律也不同。

计算混凝土面板应力时，除需要自生体积变形资料，还需要混凝土线膨胀系数、混凝土徐变等资料，而许多中小工程往往缺乏徐变和线膨胀系数的实测资料，一般都采用经验数据进行计算。我国幅员辽阔，混凝土原材料性质变化很大，加上各种外加剂和掺和料的应用，都会影响到这些引用参数的准确性。如混凝土线膨胀系数一般按10×10-6/℃计算，而室内实测数据则在5×10-6/℃～14×10-6/℃之间，偏差达40%～50%。为了减小计算误差，实际计算时常常采用现场埋设的无应力计资料计算混凝土线膨胀系数，这基于无应力计测得的变形仅包含温度变形，所以一般选择仪器埋设后期的降温段，假定混凝土自生体积变形在后期基本稳定无变化。但在混凝土面板中，由于面板较薄，受蓄水等因素影响存在一定的湿度变形，况且仪器埋设后受蓄水影响，温度变化很小，回归计算的混凝土线膨胀系数离散性较大。

针对上述情况，建议在混凝土面板应力监测中规定进行室内自生体积变形和混凝土线膨胀系数试验，并以此数据作为计算依据，现场无应力计可适当减少甚至不埋。

4 结 语

混凝土面板堆石坝的发展，随着一些200 m级的高坝建成，正朝着越来越高的趋势发展，一些超高坝正在建设和设计中，对安全监测的要求也越来越高。毋庸置疑，随着坝工技术的发展，近20年来，我国大坝安全监测技术得到了快速发展，为水工建筑物的安全起到了保驾护航的作用，这是正面的，另一方面，也出现了一些“生搬硬套”、“拿来就用”带来的问题。本文提到的一些问题是我国目前混凝土面板堆石坝安全监测中较常见的，旨在提请监测人员注意并进行探讨。