黄河龙口水利枢纽工程安全监测设计

王 浩 李帮芬 夏艳松

1 设计原则及监测项目

1.1 设计原则

根据龙口大坝坝基内存在多层软弱夹层、坝基深层岩体弹模低于浅层岩体、坝基内存在深层承压水的工程地质条件,以及坝体水工建筑物的结构特点,安全监测系统以坝基、坝体变形及与此相关的扬压力、渗漏量监测为主。

监测仪器的布置遵循以下基本原则:(1)能全面反映大坝的工作状况,仪器布置目的明确,重点突出;(2)监测仪器设备耐久、可靠、稳定有效,力求先进和便于实现自动化监测;(3)在监测断面选择及测点布置上,既考虑分布的均匀性,又要重点考虑有特点的结构部位及地质构造;(4)施工期与运行期连续监测;(5)自动监测与人工监测相结合,以自动监测为主,人工监测为辅。

1.2 监测项目

依据工程建筑物级别及DL/T 5178—2003《混凝土大坝安全监测技术规范》,选设下列监测项目:位移、挠度、接缝和裂缝、渗漏量、扬压力、绕坝渗流、混凝土温度、局部应力应变、坝基温度、坝前淤积、水位、库水温、气温等。

2 监测系统布置及监测方法

龙口大坝主要监测仪器设备布置见附图1。

2.1 变形监测

2.1.1 坝体、坝基水平位移

(1)高程895.0m观测廊道内布置1条引张线。1#、19#坝段的垂线作为引张线的控制基点。1#～19#坝段每坝段设1个测点,监测近坝顶的水平位移。

(2)10#～18#、3#～10#坝段灌浆及主排水廊道内各布置1条引张线,以3#、10#、18#坝段垂线作为引张线的控制基点。4#～10#、11#～17#坝段每坝段设1个测点,监测坝基的水平位移。

引张线的观测采用单向引张线仪进行自动监测。人工观测设备采用读数显微镜。

2.1.2 坝体挠度

坝体挠度采用垂线监测。选择1#、19#边坡坝段和3#主安装间坝段、10#副安装间坝段、18#表孔坝段各布置1条垂线。为减少垂线长度,保证监测精度,坝顶至灌浆及主排水廊道设正垂线,灌浆及主排水廊道高程以下设倒垂线,两者在位于灌浆及主排水廊道同高程的观测站内相结合。倒垂线的锚固点位于基岩25～35m不等;正垂线锚固点位于坝顶混凝土内。

垂线在高程852.0m灌浆及主排水廊道和高程895.0m观测廊道处设垂线监测站。采用双向垂线座标仪自动监测大坝的变位。人工采用垂线瞄准器进行观测。

2.1.3 垂直位移

坝体、坝基和近坝区岩体的垂直位移,采用一等水准测量。

坝下游布设一等水准环线,由坝体水准点,沿两岸上坝公路、左岸进厂公路水准点,组成闭合高程控制网。

水准点包括水准基点、工作基点、水准标点3种。

(1)水准基点的布设。在坝下游沉陷影响范围以外,左、右岸各埋设1组水准基点,每组水准基点不少于3个水准标石。

(2)工作基点的布设。为观测坝顶的沉陷,在左、右岸灌浆平洞内各布设1组工作基点,每组不少于2个测点。平洞内一年四季温度变化相对较小,作为观测坝顶沉陷的基准值。

灌浆及主排水廊道底高程852.0m,水准路线可通过左岸下游进厂公路经1#坝段通向下游坝面的交通廊道引入。工作基点布置在左岸下游872.90m高程平台的坝体交通廊道出口附近。

利用18#坝段基础勘探竖井埋设双金属管标,作为灌浆及主排水廊道日常垂直位移观测的工作基点。

(3)水准标点的布设。在每个坝段坝顶下游侧埋设1个水准标点,用以观测坝顶的垂直位移。

在灌浆及主排水廊道和下游灌浆排水廊道内,每坝段各埋设1个水准标点。为监测大坝下游近坝区岩体的垂直位移,并检测工作基点的稳定性,按逐步趋近的原则,沿两岸上坝、进厂公路每隔0.3～0.5km埋设固定水准标点。标点埋设在新鲜、稳固的岩石上。

垂直位移采用精密水准测量,观测仪器采用自动安平水准仪和铟瓦钢尺。

另外,在较平坦的3#～18#坝段的灌浆廊道内和坝顶各布置静力水准线1条,每坝段1个测点,实现坝顶和主要坝段坝基垂直位移的自动化监测。

2.1.4 接缝监测

(1)坝体纵缝监测。在2#、8#、13#、18#坝段的坝体纵缝上埋设单向测缝计。每条缝不少于3个测点。

(2)坝体横缝监测。在2#、3#、8#、13#、18#、19#坝段的横缝上埋设单向测缝计。测缝计沿高程布置3～4个断面,每个断面不少于2个测点(含三向测缝计)。

(3)坝体与基岩面接触监测。在8#、13#、18#坝段的坝踵、坝趾与基岩的结合面埋设单向测缝计。每坝段4个测点。

在岸坡坝段与两岸基岩接触面埋设测缝计。沿高程各布设3监测断面,每断面不少于2个测点。

(4)在13#底孔坝段和18#表孔坝段的坝趾与消力池底板间的纵缝上,各埋设2只单向测缝计。

2.1.5 高边坡监测

大坝左、右岸岩层倾向河床,坝顶以上边坡高约35m。为监测边坡的稳定性,在两岸岸坡上、下游方向一定范围内,各埋设1只固定式测斜仪和2根测斜管,结合绕坝渗流监测,对岸坡位移进行综合监测。

2.1.6 坝区平面监测网

为监测近坝岩体和左、右岸岸坡的稳定,检查1#、3#、10#、18#、19#坝段的倒垂线在坝基内的锚固点的稳定性,分别在大坝下游1200m范围内的左、右岸各建造4～6座控制点监测墩,在坝顶上5条正垂线锚固点处设监测墩,两者共同组成外部变形控制网。

2.2 渗流监测

2.2.1 坝基扬压力监测

大坝基础采用抽排降压措施,为了对坝基扬压力进行全面监测,设2个纵向监测断面,7个横向监测断面。

(1)第1个纵向监测断面布置在上游灌浆及主排水廊道内,第1道排水幕线上。第2个纵向监测断面布置在下游灌浆排水廊道内,第3道排水幕线上。每个纵向监测断面在每个坝段设1个测点,埋设测压管,测压管深入基岩1m。

(2)横向监测断面布置在1#、5#、8#、13#、18#、19#坝段,共6个断面。

每个监测断面布置3～6个测点,测点布置以上游密、下游渐疏为原则。第1个测点布置在基础帷幕的上游,埋设测压管,监测淤沙对渗流的影响;第2个测点布置在第1道排水幕线上,埋设深孔双管式测压管,监测NJ303、NJ302软弱夹层的扬压力,测压管进水管段应埋设在软弱夹层以下0.5～1m的基岩中;第3、4、5个测点分别布置在第1、2道排水幕下游及第2道排水幕线上,埋设测压管,监测第1、2道排水幕后及第2道排水幕线上的扬压力;第6个测点布置在基础下游灌浆排水廊道内第3道排水幕线上,埋设深孔双管式测压管,监测坝趾处基岩内NJ303、NJ302软弱夹层的扬压力。

(3)13#底孔坝段、18#表孔坝段下游一级消力池基础内,各埋设1排渗压计,间距10～20m,监测消力池基础的扬压力。

在底孔、表孔一级消力池左、右岸边墙上,各布置3～4个测压管,监测基础扬压力。

坝基扬压力的自动化监测仪器采用渗压计,人工采用压力表进行观测。

2.2.2 坝体扬压力监测

为监测坝体水平施工缝的渗透压力,在13#、18#坝段上游面至坝体排水孔的水平施工缝上,埋设渗压计,各布置4个测点。

2.2.3 混凝土蜗壳及尾水管渗透压力监测

在8#电站坝段钢筋混凝土蜗壳及尾水管内,沿环向布置渗压计。共布置3个断面,每个断面4个测点。

2.2.4 坝体、坝基渗流量监测

(1)坝基渗漏量。在灌浆及主排水廊道及下游2道排水廊道内,分段布置量水堰,量测各段坝基排水孔的涌水量。

(2)坝体渗漏量。在灌浆及主排水廊道内横向排水沟中,分段布置量水堰,监测坝体各段的渗漏量。

(3)在各集水井中,通过集水井流量仪,监测坝体、坝基的总渗漏量。

2.2.5 绕坝渗流监测

根据大坝与两岸连接的轮廓线,在坝左、右岸上、下游岸坡各布置3列测压孔,测孔的布置以能绘出绕坝渗流线为原则,测孔应伸入原地下水位线以下。测孔总数为20个,内装渗压计进行自动化监测。

2.3 应力、应变及温度监测

应力、应变及温度监测包括钢筋应力监测、坝体、坝基温度监测和泥沙压力监测等。

2.3.1 监测坝段的选取

根据坝基情况、坝体结构、日照影响等多方面因素,选取1#、8#、13#、18#坝段,分别作为边坡坝段、电站坝段、底孔坝段、表孔坝段的代表坝段来布置监测仪器。

2.3.2 应力监测

在8#电站坝段、13#底孔坝段的孔口周围埋设钢筋计,监测钢筋应力,同时监测混凝土温度。

2.3.3 坝体、坝基温度监测

(1)坝体温度。在1#、13#、18#坝段的中心截面,按网格布置测点。测点间距约12m,埋设温度计进行自动化监测。

(2)坝面温度。下游坝面受日照影响,混凝土温度变幅较大。在2#、13#、18#坝段下游坝面中部埋设1排表面温度计,用以监测下游坝面温度和混凝土的热传导性。表面温度计埋设,沿水平方向间距分别为10,20,40,60cm。

(3)基岩温度。在2#、13#、18#坝段的坝基岩石中,分别在上游、下游、中间部位沿水流方向埋设3排温度计,每排布置4支,距基岩面分别为0,1.5,3.0,5.0m。

2.3.4 淤沙压力监测

为监测大坝上游面淤积形成的泥沙压力,在2#、11#、13#、18#坝段上游面淤沙高程以下各布设1只土压力计。

2.3.5 下游尾岩(深层滑动抗力体)监测

底孔、表孔坝段下游消力池基岩,作为深层滑动的抗力体,需打锚索进行加固处理。为了解锚索和抗力岩体受力情况,在13#、18#坝段下游各选择2个锚索安装应力计。

为了解尾岩的应变情况,在上述坝段的消力池、尾水渠基岩内,埋设基岩多点位移计。

2.4 环境量监测

2.4.1 水位监测

在11#坝段上游坝面、以及坝下游270m左右各布置1只遥测水位计,自动监测相应区域的水位变化。

2.4.2 库水温监测

在2#、11#坝段坝前设2条水温测线,采用深水温度计监测库水温度。

2.4.3 气温监测

在11#坝段下游高程872.90m平台上设置1个气温监测站,采用自记温度计监测。

2.4.4 冰棱监测

主要包括冰棱现象和冰层厚度,坝前冰盖层的整体移动和冰压力观测。

2.4.5 水力学监测

主要采用目测法对水流流态、水面线、下游雾化等进行观测。

3 监测自动化系统

3.1 监测仪器的选型

由于大坝安全监测系统具有规模大、分布广、测点多,观测精度要求高,且大部分监测仪器长年处在湿度大、高低温、强电磁干扰等恶劣的环境下工作,因此监测系统、仪器的结构应相对简单,易于维护,抗干扰能力强,数据测量稳定,性能可靠,实用、经济和先进。

针对本工程大坝安全监测系统,主要监测项目共分4类,包括变形监测、渗流监测、应力、应变及温度监测和环境量监测。设计采用的主要仪器有:单向引张线仪、双向垂线坐标仪、静力水准仪、位移计、双金属标、多点位移计、测缝计、测斜仪、渗压计、量水堰渗流量仪、翻斗雨量计、温度计、水位计等。为减少系统维护量,简化系统配置,提高系统的兼容性,监测仪器的类型主要以振弦式为主,其他类型仪器为辅。

3.2 自动化监测系统

自动化监测系统主要由传感器、监测分站、监测总站、电缆、网络通讯连接和安全监测系统软、硬件组成。传感器通过信号电缆与数据采集单元(监测分站)相连,信号电缆将数据采集单元所采集的信号传输到监控管理中心(监测总站),从而实现自动化监测。

自动化监测分站主要设有数据采集单元,每一个数据采集单元的布置是根据其监控测点数量的多少、类型和距离确定的。每一个数据采集单元对所辖监测仪器按工控机的命令或设定的时间自动进行监测,并转化为数字量,暂存在数据采集单元中。各个数据采集单元中的数字量通过信号电缆并根据工控机的命令向主机传送所测数据。

4 结 语

(1)龙口水利枢纽大坝安全监测自动化设计使大坝安全监测达到“无人值班,少人职守”的管理水平,提高了大坝安全预警功能,为大坝安全运行提供了可靠的保证。

(2)通过选择技术先进、性能可靠的仪器设备,建立性能优良的大坝安全监测自动化系统,能够及时准确地了解大坝的运行状态,同时达到实用和科学研究的目的。

(3)由于监测区域较大,测点较多,比较分散,且地处雷区,所以必须充分考虑整个监测系统的防雷和抗干扰能力。

(4)工程区温差大(绝对最高气温38.6℃,绝对最低气温-32.8℃,),廊道内湿度大,因此自动化系统的前端数据采集装置必须满足气候环境要求。

(5)自动化监测系统应具有稳定可靠、实用灵活、维护方便、扩展性能强的特点。