乐昌峡碾压混凝土坝内部监测仪器埋设的几点经验

乐育生，周克明，王建学

（1.乐昌峡水利枢纽管理处，广东乐昌 512200；2.水利部南京水利水文自动化研究所，江苏南京 210012；3.广东省水利电力勘测设计研究院，广东 广州 510170）

0 前 言

内部监测仪器需要在大坝浇筑时开始同步埋设，受土建施工影响较大，如果监测仪器在施工时失效，一般没法补救。在文献［1］中，明确规定分部工程验收时，混凝土坝埋入式不可更换仪器设施完好率85%以上为合格，表明监测设施埋设存在一定的风险。乐昌峡碾压混凝土坝在监测设施埋设施工时，针对各种监测仪器采取相应的埋设措施，有效提高了监测设施的完好率。

1 工程概况

乐昌峡水利枢纽工程位于韶关乐昌市境内、北江支流武江乐昌峡河段，是北江上游关键性防洪控制工程。工程以防洪为主、结合发电，兼顾航运、灌溉等综合利用。枢纽总库容为3.74亿m3，电站装机容量为132 MW，正常蓄水位为154.5 m，校核洪水位为163.0 m。

乐昌峡水利枢纽为II等大（2）型工程，主要由拦河大坝、引水系统、发电厂房、上游过木码头等建筑物组成。大坝为碾压混凝土重力坝，河床中央布置5孔溢流坝。坝顶高程164.2 m，最大坝高84.2 m，坝顶长256.0 m，其中溢流坝段长78.0 m，左岸非溢流坝段长96.0 m，右岸非溢流坝段长82.0 m。

2 监测设施的布置

大坝安全主要监测项目有巡视检查、水平位移、垂直位移、坝基扬压力、坝体渗透压力、绕坝渗流、应力应变及温度、接缝变形和渗漏量监测等。内部监测的典型监测断面有3个，分别为坝横0+092.900、坝横0+138.000和坝横0+178.500。图1为大坝下游立视图，图2为非溢流坝段典型监测断面布置图。

坝横0+092.900断面位于非溢流坝段，该断面内布置有渗压计10支、温度计24支、五向应变计3组、无应力计3支、应力计3支。

坝横0+138.000断面位于溢流坝段，该断面内布置有渗压计5支，其中4支埋设在测压管里面，温度计35支、五向应变计5组、无应力计5支、应力计5支，并在附近闸墩处埋设钢筋计6支。

坝横0+178.500断面位于非溢流坝段，该断面内布置有渗压计10支、温度计19支、五向应变计2组、无应力计2支、应力计2支。

坝横0＋138.000断面，坝体上游面防渗层与内部碾压混凝土交界面上以及溢流坝段和非溢流坝段接合部位处设8支测缝计，监测接缝的开合度。

图1 大坝下游立视图Fig.1 Elevation of downstream of the dam

图2 典型监测断面测点布置图Fig.2 Distribution of the monitoring points on typical section

3 监测设施埋设

拦河大坝为碾压混凝土重力坝，采用“金包银”结构模式，在迎水面及背水面采用常规混凝土防渗保护，中心部位用碾压混凝土填筑。施工时每仓混凝土高约3 m，采用斜层浇筑方法施工，每斜层混凝土高30 cm，这种方法是采用许多斜坡单层的方法形成厚块RCC而向前推进的。各单层都从本块顶部向下斜延到前一厚块的顶部，各子层的坡度根据浇筑能力和面积规定，每斜层都采用振动碾压压实，减少每斜层的浇筑时间，从而提高浇筑层接缝质量而不使用垫层混合料。

针对碾压混凝土的施工方式，内部观测仪器的埋设方法也需要适当调整。

3.1 温度计埋设

按照设计图纸，碾压混凝土坝内需要埋设大量温度计进行坝体温度监测。与其它监测仪器相比，温度计埋设相对比较简单，只需按照设计图纸准确定位埋设。在常规混凝土内埋设温度计，一般将温度计绑扎在结构钢筋或预埋的竖立钢筋上定位。碾压混凝土施工中，温度计埋设时如果在施工仓面上竖立钢筋，将影响碾压混凝土施工，从而影响施工进度，同时也不利于温度计的保护。

考虑到以上原因，温度计埋设都是在每仓碾压混凝土施工完成后，在混凝土初凝前即从仓面钻孔至温度计埋设高程，将温度计固定在钢筋上压入混凝土内定位后即回填。这种埋设方法一方面减少了对碾压混凝土的施工，同时也提高了监测仪器的完好率。

3.2 应变计组埋设

应变计组的埋设关键是控制应变计组各支仪器的位置、方向，尽量减小对土建施工的影响。一般碾压混凝土坝内埋设应变计组有挖坑埋设法、钻孔埋设法、木箱保护、同步上升法[2]等几种施工方法。本项目需要埋设五向应变计组，考虑到碾压混凝土的施工情况，采用挖坑埋设方法进行应变计组埋设。在应变计组埋设部位碾压合格后，挖坑埋设应变计组。

应变计组通常与无应力计临近埋设，两者距离约1 m左右。应变计组的埋设坑一般可以为1.5 m×0.5 m×0.5 m，应在满足应变计组埋设的前提下尽量小，减小对碾压混凝土的质量影响及回填的工作量。

应变计组埋设坑在碾压混凝土施工完成即开始人工开挖，完成后即按设计位置将应变计组的锚具埋入混凝土定位，并按设计方向拧上支座、支杆及应变计等组件，准确记录每个方向的应变计序列号。将应变计固定在无应力计桶内后，用开挖的混凝土填入桶内并逐层人工振捣密实，将无应力计桶大口朝上，放置在距应变计组1 m左右，然后将开挖的混凝土人工逐步回填，人工振捣密实。回填完成后，应在应变计上方做好标记，注意保护。

3.2 测缝计埋设

大坝施工时，将测缝计埋设在坝段分缝、施工缝之间可以测量接缝变形。常规混凝土坝施工时，一般在先浇筑块混凝土中预埋测缝计保护筒，在后浇筑块混凝土浇筑时，将测缝计预拉一定量程后埋设。乐昌峡碾压混凝土坝采用金包银的结构模式，一个仓面内先浇筑周边的常态混凝土后浇筑碾压混凝土，两者接头部位采用碾压混凝土压实，搭接长度≥20 cm。碾压混凝土与常态混凝土之间需埋设测缝计以了解两者之间的结合情况。

测缝计本身长度只有26.5 cm，基本与碾压混凝土和常态混凝土搭接部位长度相当，因此需要改装成裂缝计进行两者结合部位的开合度监测。测缝计埋设前，将长100 cm带弯钩的ϕ32 mm钢筋加工螺纹与之连接，用多层塑料布包裹测缝计与连接钢筋，露出测缝计引出电缆端部约5 cm，钢筋的弯钩需露出，改装为裂缝计（见图3）。当仓面碾压混凝土及常态混凝土施工完成后，在两者搭接部位混凝土面上挖深30 cm的槽，放入裂缝计使其横跨在搭接部位上。为了使裂缝计具有一定的受压量程，将预拉3～5 mm左右，并用细铁丝固定，然后用挖出的混凝土小心回填，并人工振捣密实。

由于测缝计的刚度很小，埋设时要注意在测缝计上堆积的流态混凝土厚度一般不要超过30 cm。当仪器上部混凝土厚度较大时，可能会由于上部混凝土振捣而导致仪器轴向受压或侧向错动，使仪器失去预拉变形量甚至损坏。因此在布置测缝计时，在满足监测目的的前提下，同时应考虑混凝土施工分层、分块情况，将测缝计尽量布置在混凝土分层浇筑面下30 cm左右，不影响观测效果的前提下方便测缝计埋设，提高仪器埋设成功率。

图3 裂缝计埋设Fig.3 Embedment of crackmetres

3.3 渗压计埋设

渗压计埋设前，必须将其端部的透水石取出，用水浸泡2 h以上或用开水煮沸以排出其中的空气。然后在清水中将渗压计装上透水石，使渗压计的端部空腔内注满清水，埋设前整个仪器一直浸没在清水中。为了保证渗压计进水口畅通、防止水泥浆堵塞，整个仪器要用清洗干净且已水饱和的中砂、细砂用土工布包裹，组成直径约10 cm的人工滤层。埋设时应避免渗压计空腔内预先注入的清水流出而影响测值的可靠性。

按照设计图纸，在大坝迎水面附近的常态混凝土与碾压混凝土部位，从上游到下游1组3支设渗压计，监测该部位的抗渗情况。常态混凝土浇筑时，混凝土具有一定的流动性，此时埋设渗压计易造成水泥浆流入包裹渗压计的人工滤层而堵住渗压计的透水石，造成渗压计不能正常测量渗透水压力，且渗压计在混凝土中不容易定位。考虑到以上原因，渗压计埋设在混凝土初凝后、上层混凝土施工前，钻孔埋设，钻孔直径110 mm。钻孔完成后，清洗孔内杂物，并用清水冲洗，放入深20 cm的砂砾石。在现场空气中测量并记录按上述步骤准备的渗压计，测值稳定后的数据作为初始读数，然后将渗压计放入钻孔内，准确测量渗压计所在高程，再次向孔内放入深20 cm左右的砂砾石，其余部分用混凝土回填，完成渗压计的埋设。

3.4 电缆施工

电缆顺利牵引及保护到测站处是仪器埋设后最重要的环节，大坝施工期必须做好电缆保护工作。电缆芯线间的绝缘度降低及短（断）路情况、电缆联接质量不好、电缆端部标记不清导致仪器之间相互错位是导致仪器失效或资料无法使用的最常见原因之一。

3.4.1 电缆的联接

监测仪器埋设的重要工作之一就是电缆联接，每支仪器出厂都带有1 m左右的电缆，埋设前必须按照实际需要加长电缆，参考文献[3]明确电缆接头用硫化或热缩套管联接方式。联接电缆时，电缆芯线接头要错开，对应芯线可靠焊接在一起，用直径3～5 mm的热缩套管包裹，再用高压绝缘自粘胶带缠绕后，将预先套在电缆上的直径18～20 mm的专用热缩管套上，在热缩管与电缆表层联接处要用锉刀打毛并涂上热熔胶，用气焊烙铁从接头中部向两端均匀加热，使热缩管均匀收缩，管内不留空气。热缩前，在热缩管与电缆外皮联接处要用锉刀打毛并涂上热熔胶，以增加电缆接头的密封性。

3.4.2 电缆的敷设

差动电阻式仪器常用引出电缆是橡胶材质的水工电缆，一般可以直接埋入混凝土。大坝施工时影响因素众多，应严格按设计图纸埋设电缆，不能任意改变走向，如确需变更，应以书面形式向业主、设计、监理及土建施工等单位提出，待批准后实施。混凝土浇筑后，有些部位可能要灌浆或取样钻孔，如果任意改变电缆走向，则有可能因钻孔导致电缆中断而使仪器失效。监测仪器埋设后，为了避免混凝土碾压对电缆的损伤，在仓面混凝土碾压完成后，挖沟埋设，引到预埋在基础灌浆廊道下游侧上方的电缆保护钢管，直接引入廊道，可以有效地保护电缆，见图4。电缆埋设时，应防止直接向电缆上倾倒混凝土及振捣器接触电缆，避免将电缆砸断或振断。以下一些措施对保护电缆都是很有效的：用钢管保护电缆；混凝土面上挖沟埋入电缆；电缆埋设时呈“S”形走向；直埋式电缆要先覆盖一层细沙浆后再浇筑混凝土；电缆通过坝体接缝、施工缝要用伸缩接节型钢管保护电缆等。

图4 电缆敷设Fig.4 Cable laying

大坝施工时，加密测次可以了解测值变化过程，同时可以及时发现仪器及电缆是否正常，如有异常应及时处理或补埋仪器。

3.4.3 电缆的保护

监测仪器及电缆埋设后，关键是保护仪器引出电缆免遭破坏。仪器埋设后引出电缆应尽量集中在一起，以方便保护，要认真做好引出电缆端部的标记，确保标记清晰可辨，避免各支仪器的参数不能一一对应。施工现场条件恶劣，长期暴晒或浸水会加速电缆橡皮老化、电缆芯线老化锈蚀、电缆绝缘度降低，一般可将电缆集中后放在木箱内，以防止长期的日晒雨淋，避免大型施工机械碾压电缆，同时可以避免各种油污腐蚀，保持电缆的干燥和清洁。

日常观测后，每根电缆必须用专用电缆套保护电缆头，防止电缆芯线进水。

4 结 语

乐昌峡碾压混凝土坝内部埋设的应变计、温度计、测缝计采用南京水利水文自动化研究所生产的差动电阻式仪器，渗压计、渗流量计采用美国基康的振弦式仪器。从2009年9月开始到2011年4月，大坝内部监测仪器埋设全部完成，共计埋设202支，失效3支，完好率98.5%，取得了较好的成绩。一方面表明南京水利水文自动化研究所生产的差动电阻式仪器质量可靠，另一方面表明监测仪器现场埋设方案是有效的。

本工程内部监测仪器施工中，采用挖坑埋设应变计组、钻孔埋设渗压计、预埋竖向电缆保护管、水平向电缆在仓面开槽埋设等施工方法，有效地提高了监测仪器埋设的完好率，碾压混凝土与常态混凝土之间采用裂缝计监测接缝变形值得借鉴。

[1]GB/T22385-2008,大坝安全监测系统验收规范[S].中华人民共和国国家标准化管理委员会.

[2]郭金根.碾压混凝土大坝中应变计组埋设方法的研究[J].大坝观测与土工测试,2000,21(2)：37-39.

[3]DL/T5178-2003,混凝土坝安全监测技术规范[S].北京：水利电力出版社.