新疆北疆某水库枢纽大坝外部变形监测系统

【摘要】 简要叙述了在北疆某水库枢纽大坝外部竖向位移、水平位移监测设施布置与各观测项目的观测误差，介绍了工程特殊地形限制的外部变形方法，评价观测质量，分析监测成果。

【关键字】 大坝变形观测评价分析

中图分类号： TV697文献标识码：A 文章编号：

北疆某水库枢纽位于新疆福海县境内，是供水工程的水源工程。工程为大（2）型水利枢纽，大坝为粘土心墙砂砾石坝。水库总库容2.82亿m3，坝顶高程650.0m，正常蓄水位645.00m。大坝于2000年5月开始蓄水，同年8月向城市供水。为保证大坝的安全运行，监测坝体稳定与裂缝分析，根据设计方案，设置了外部变形监测项目，定期对大坝进行测量及分析。

控制网的布设

水库外部变形监测网分为高程控制网和水平位移控制网，在水库蓄水后陆续布置完成，变形监测控制网中所用的水准高程和坐标系统与国家网的一致。

高程控制网

高程系统为1985年国家高程基准。由216国道旁的国家二等点引出，采用国家二等水准测量方法进行测量，精度满足规范要求。共布设两个控制基点，竖向位移测量时，起测基点选用JC201控制基点。

竖向位移控制基点成果表

水平位移控制网

控制网于2000年9月初布测完毕，起算数据采用测量队1996年所作II等边角网中的II02、II04起算数据为起算点。控制网布设6个点，各点埋设为直径40cm的钢筋混凝土墩标。为边、角全测网，按专三级网（相当于二等边角网）的要求进行观测。2003年对外部变形监测网进行复测和新建，变形基准网按二等三角网和二等水准网复测；扩建水平位移控制网，在大坝上游增设3个基准点，提高了上游测点变形监测精度。

水平位移起算基点成果表

计算最大三角闭合差为-1.84″，允许为±3.5″，测角中误差为±0.61″，允许为±0.7″。两个大地四边形的极条件分别为-5.25″和-1.74″，边长测量相对中误差为1/1738984。两个大地四边形的角条件分别为-0.37″和-0.20″，用边长计算的角值和观测角之差均满足要求。网中最弱点中误差为3.33mm，最弱点误差椭圆长半径为3.04mm，最弱边相对精度为1/503900，各项观测成果均满足《水利水电工程测量规范》要求。

水平位移控制基点成果表

测点的布设

1、主坝坝面分别在上游坝坡647.0m高程和下游坝肩650.0m高程及下游坝坡645.0m高程和下游马道635.0m高程上，各布设1排平行坝轴线的观测点共计4排，测点间距为5～50m，合计42个测点。均同时作为竖向位移和水平位移的观测点。

2、右副坝只布置竖向位移测点，在古河槽段桩号1+600～1+830m坝面，分别在上游坝坡648.0m、坝顶下游侧650.0m、下游坝坡647.0m高程上，各布设1排平行坝轴线的观测点共计3排，测点间距为50m，坝顶下游侧的测点一直布设到主坝，测点间距为100m，合计21个测点。

3、测点均为砼墩标，水平位移观测墩安装为强制对中基座，竖向位移观测墩安装为水准基座，砼墩标四周与坝坡之间的间距为15cm，用小石子填缝。

4、上述表面变形测点共计63个。

表面测点布置示意图

坝轴线

水平位移控制网布置示意图

说明：1.控制基点； 视准线端点工作基点。

S01~S06 组成两个四边形控制网，用T3经纬仪从国家二等点引测。

上、下游采用三边网法和视准线法结合观测，先用三边网法交会出下游各排视准线水平位移端点标点坐标(x,y)，中间标点利用两端点用视准线法观测。

三、测量频次及方法

2000年6月开始观测，前期观测频繁，每年观测7～8次，从2003年至2007年每年4次，2008年后每年观测3次，2011年改为每年观测2次，截止2012年的共进行了58次表面位移观测。

竖向位移

起测基点的引测、校测，参照国家二等水准测量（GB12978—91）方法进行，但闭合差不得大于士0.72√n mm。坝面测点的竖向位移参照国家三等水准测量（GB12898—91）方法进行，但闭合差不得大于士1.4√n mm（n为测站数，下同）。测区共分为三个闭合环测量，总长3860m。第一闭合环：起测基点CJ201～II～I～CJ201(长度2270m、54个测站)；第二闭合环：2-11～III～IV～2-11(长度1040mm、26个测站)；第三闭合环：CJ201～III～CJ201(长度550m、16个测站)。竖向位移采用拓普康DL-101C精密电子数字水准仪（S05级）和3m铟瓦尺进行观测，观测顺序为后-前-前-后，具体要求按照《水利水电工程测量规范》（SL197—97）中的有关内容执行。

水平位移（分为横向水平位移和纵向水平位移）

横向水平位移，采用三边网法和视准线法相结合测量的观测方法。主坝每一纵排测点两端为增设的工作基点（用测点代替），工作基点的距离在310m左右。先用三边网法在上游控制基点S07、S08、S09和下游控制基点S05、S06上分别架设全站仪观测增设工作基点的坐标，然后在两端的工作基点上分别架设全站仪和觇板，采用视准线法观测中间测点的横向水平位移。

三边网的施测采用拓普康GTS-601/LP全站仪（J1级）和四台单棱镜进行。三边网测量时，每边观测由往测和返测组成，每个时段正反相读数各4次或每个时段2测回（一测回由4次读数组成），同时观测项目有气温和气压。测距中误差为：士5mm，最弱点点位中误差为：士5mm，正反相或一测回读数间较差小于4mm，同一时段正（反）相中数间或测间中数间较差小于5.5mm，往返观测较差公式＝2（a+b×D）(注：往返较差必须将斜距化算在同一水平面上方可进行比较)。采用三边网测量与前方交会法相比，可

以获得较高的测量精度而用工量少。

视准线的观测方法，选用活动觇标法。观测时在视准线两端各设固定测站，在两端测站上分别架设全站仪和觇板观测坝面测点的位移偏离值。用活动觇标法观测测点的水平位移时，每测回的允许误差应不大于2mm（取两倍中误差），所需测回数不得少于两个测回。此种双向（即两端各进行观测）观测方法消除了目标照准和活动觇标零位差的误差，进一步提高了中间测点的观测精度。

纵向水平位移观测，采用光电测距法观测，使用全站仪和四台单棱镜配合测量，方法为架设全站仪在主坝段左坝肩的各排工作基点上，各侧点上架设棱镜，依次观测各测点至工作基点的距离，每个时段4测回（一测回由4次读数组成），其中误差不大于0.2mm，同时观测项目有气温和气压。

四、观测质量评价

外部变形观测数据应用清华山维测量平差软件NASEW95进行平差处理。竖向位移平差是将三环观测的所有观测数据录入平差软件中进行，水平位移平差也是将上、下游所有观测数据录入平差软件中进行。精密水准法观测精度，一般以环线闭合差、每千米高差中误差等数据小于规范允许值来衡量。专用平面控制网观测精度，采用测距中误差、最弱点点位中误差和最弱相邻点边长相对中误差等数据小于规范允许值来衡量。观测成果列于下表。

大坝表面竖向位移观测成果表

大坝水平位移观测成果表

通过上表可看出，大坝变形监测成果精度指标较高，各类限差均小于容许限差，观测精度符合要求。

四、资料分析

4.1竖向位移观测

大坝表面变形观测点是水库蓄水后开始安装的，首次观测于2000年6月。右副坝测点最大沉降量为75mm，主坝测点最大沉降量为481mm，右副坝的沉降量较主坝沉降小得多。主坝各测点表面竖向最大沉降量统计表见下表：

主坝各测点表面竖向最大沉降量统计表（至2012年10月）

从统计表中可知：从大坝蓄水到2012年10月观测累计最大沉降量达481mm（上游坡0+960断面），占坝高的0.73%，在同类土石坝中比较属中等。近几年来，主坝横断面以右坝肩1+105断面沉降变化量最大，此部位应作为外部巡视检查的重点断面进行检查。

水库蓄水后的两年内沉降量随着库水位的升高而增加，当库水位达到正常蓄水位后，沉降速率减小，此后坝面沉降量变化逐年减少，表明坝体沉降逐步趋于稳定。

坝面沉降表现出明显的规律性：坝轴线上游侧的沉降远远大于下游侧的沉降，最大坝高处的沉降较其他坝段的沉降量要大。沉降量与覆盖层厚度有相关性，覆盖层越厚，沉降量也越大。最大沉降量发生在迎水坡0+960断面（最大断面），向两岸逐渐变小。坝顶下游测点的沉降为主坝两坝肩处沉降量最大，其中坝顶和下游坡测点的左坝肩沉降量大于右坝肩的，坝中间沉降量反而较小，呈马鞍型。分析为左、右坝肩为坝体接坡处，填筑时间较晚，且受两坝肩渗水影响，故两坝肩沉降速度较快，沉降量较大，中间部位沉降固结时间已较长，填筑压实较好，沉降量相对较小。

为了解主坝两坝肩处的差异沉降，在两坝肩的坝顶下游侧每隔5m布置一个表面变形测点，蓄水后的观测结果表明：两坝肩处的差异沉降不明显，左坝肩两侧点间最大沉降差为32mm，计算左坝肩测点间最大倾度为0.64％，坝料的临界倾度γC=0.60%—1.40%[1]，超过坝料极限倾度下限，应加强对主坝左坝肩部位的监测。

倾度计算公式：倾度rL =ΔS/ΔL ×100%

（ΔS—两测点间表面沉降差值，ΔL—两测点间水平距离，表面沉降点2-26和2-27两测点间表面沉降差最大为32mm，水平距离5m）。

4.2 表面水平位移观测

（1）表面横向水平位移

从图2中可以看出，表面横向水平位移（上下游方向的水平位移）以右坝肩下游坡测点（第三、四排）较大，累计最大位移量为101mm，位于右坝肩1+060m断面下游37.525m处。

表面横向水平位移分布规律：①上游坡两坝肩（第一排）测点向上游位移，累计最大位移量为42mm，中间测点向下游位移，最大位移量为8mm。②坝顶靠下游侧（第二排）测点大部分向上游位移，中间测点位移无明显规律。③下游坝坡（第三排）各测点均向下游位移，最大位移量为62mm。④下游坝坡635马道（第四排）向下游发生位移，位移变化量也是从两侧向中间逐渐增大，最大位移量发生在1+060断面，最大位移量为113mm。在坝顶以下1/3处坝高处附近横向水平位移最大，下游低高程坝坡上的测点向下游位移，符合土石坝表面横向水平位移的变化规律。

（2）表面纵向水平位移

从图3可以看出，表面变形测点观测的坝轴线方向水平位移较小，累计最大值为91mm，位于右坝肩1+120断面下游4.525m处。

坝顶下游侧和下游坝坡的测点位移主要发生在两坝肩坝段，位移方向指向河床，位移量自坝肩坝段向河心逐渐减少。表面纵向水平位移有一定的规律，符合本工程的实际情况。

五结语：

1、北疆某水库大坝外部变形观测系统是一项复杂的工作，测区范围大，且多风的天气条件对于高质量的测量工作不利，主要工作量由人工操作仪器完成，一个测量周期持续时间长，会导致附加误差的产生。为消除附加误差必须缩短测量周期，充分发挥人员和仪器的工作效率。

2、蓄水后的外部竖向变形观测结果表明，两坝肩处的差异沉降不明显，坝体表面目前尚不致产生横向裂缝；表面水平位移变形测点观测的水平位移较小，符合本工程的实际情况。

3、水库竣工至今，最大沉降量约为481mm，为坝高的0.73%，而主坝及其两坝肩的变形速率大于1mm/100d，说明变形尚未稳定。随着时间的推移，沉降量仍将增加。

4、外部变形观测历时十二年，及时分析整理观测成果，为评价蓄水后大坝的安全发挥了重要作用。

参考文献

[1] 陈生水、霍家平、方绪顺等，《新疆引额济克北疆某水库水利枢纽大坝安全监测及施工期观测资料分析》，水利部、交通部、电力工业部、南京水利科学研究院研究报告，土9913。

[2] 张启岳等编著：《土石坝观测技术》，水利电力出版社，1993。

作者简介王红东、男、1975年5月、新疆额尔齐斯河流域开发建设管理局635枢纽管理处、工程师、新疆阿勒泰北屯阔克塔勒635枢纽管理处