糯扎渡水电站水管式沉降仪安装试验研究

韩建东，张 琛

（中国水利水电建设工程咨询西北公司，陕西 西安 710075）

0 引言

大坝沉降变形监测作为糯扎渡水电站建设过程原型监测内容之一，对于充分认识大坝内部沉降变形状况、鉴定大坝施工质量、确保土石坝安全运行具有重要作用，为大坝填筑进度控制、施工期安全评价、变形预测及参数反演提供重要数据支持。目前，国内外对水管式沉降仪大坝变形监测进行了大量研究和实践[1-5]，但是，以往研究都是基于特定大坝、特定环境，对于水管式沉降仪器在土石坝中的应用没有普遍的指导作用。

本文以糯扎渡水电站水管式沉降仪的应用为研究对象，结合糯扎渡电站工程建设实际，按照特定施工环境、气候条件下水管沉降仪的稳定性和适应性要求，模拟大坝堆石体施工条件开展水管沉降安装埋设试验，重点对试验布置、材料要求、安装埋设方法及坝料回填方法进行研究。

1 水管式沉降仪工作原理及结构

1.1 水管式沉降仪器原理及结构

水管式沉降仪是以连通原理为基础，用于监测结构体内部沉降变形的一种仪器，在堆石坝垂直变形监测中应用广泛，主要由沉降包、进水管、连通管、排气管、平衡装置、量测装置等部件组成，结构示意见图1。

图1 水管式沉降仪结构

玻璃管和沉降测点水杯通过通水管连接，通气管使沉降测点和外界大气相通，补水装置由进水管给玻璃管和水杯加水，根据连通器原理，当水杯充满水并溢流后，玻璃管水位应与水杯液面等高，这样，测得的玻璃管内水位的变化量就是坝内测点相对于观测房的垂直位移量。应用水准测量等方法测量出观测房的绝对沉降后，即可计算出坝内测点的绝对沉降。水管式沉降仪主要用于测量建筑物内部的垂直位移。监测读数时，水或蒸馏水通水测试应把握液面的稳定，每次需进行2个测回以上测试，且2个测回的读数差不超过设计或规程规范规定时，2次读数的平均值为监测值。

1.2 沉降监测计算原理

水管式沉降仪器进行大坝沉降变形监测，沉降测头端、测量管端保持在同一平面内，通过读取观测房内一个端口的测点高程，就可以了解坝体内部测点液面高程，不同时间点监测高程之差，即为坝体内部监测点沉降量。

计算被测结构的沉降量计算公式：

式中，△H为各测点的实测沉降值；Hx为各测点实际监测值；H0为各测点的基准值。

在实际数据监测过程中，考虑到观测房本身沉降变形及气温变化等因素影响，需要对该公式进行修正。

式中，H为各测点的实际沉降值；H测点为监测房沉降变形值。

2 水管式沉降仪安装试验

2.1 试验布置及材料

2.1.1 实验布置

试验场地选择火烧寨沟堆石碾压试验场，碾压试验场由防渗土料、大坝反滤料、堆石料及围堰过渡料组成，水管式沉降仪试验场地的要求如下：

水管式沉降仪现场埋设场地为反滤料和粗堆石料，反滤料场地长12 m宽2 m，总厚度6 m；堆石料场地长20 m宽6 m，总厚度4 m，场地外围采用同等材料做成1∶1的斜坡。仪器布设水管式沉降仪1套，两个测点，测点SY-V-01位于离地面1.6 m高的心墙掺砾土料中，离观测房30 m；测点SY-V-02位于离地面1.4 m高的粗堆石料中，离观测房12 m，实验仪器布设如图2所示。

图2 实验仪器布设

2.1.2 试验材料

糯扎渡水电站下游坝壳区水管式沉降仪现场试验材料主要包括心墙掺砾土料、反滤料、粗细堆石体料、河滩料。

为了有效的提高现场模拟实验的精度和代表性，能真实的反应实际大坝填筑过程中水管式沉降仪安装埋设，在仪器埋设回填的过程中，对混合土料、掺砾土料、Ⅰ区粗堆石料、Ⅱ区粗堆石料、反滤Ⅰ、反滤Ⅱ都要求达到一定的设计标准，各种填筑料的颗粒级配要求也要按照大坝填筑料碾压试验的实际结果，选取最优的参数。不同料源回填部位采用不同的施工工艺和方法，结合碾压试验，选择最优碾压参数，对于靠近仪器安装的特殊部位，采用专项碾压措施，具体设计标准及参考参数见表1、2。

表1 各种填筑料设计标准

表2 碾压参考参数

2.2 试验步骤及方法

心墙堆石坝水管式沉降仪器安装埋设模拟试验主要有基床带开挖、管线及仪器的安装埋设、各种坝料的运输和回填、场地清理和碾压、取初值等6个主要步骤，在模拟大坝填筑环境下进行试验，各环节严格按照设计要求及DL/T 5129—2001《碾压式土石坝施工规范》、SL 60《土石坝安全监测技术规范》的要求开展工作。

（1）基床带开挖及管路铺设。机床带开挖是水管式沉降仪器安装的主要环节之一，直接关系着水管式沉降仪器安装的外部环境，开挖的深度、宽度对埋设过程中及埋设后的回填都有重要影响。根据糯扎渡水电站高心墙堆石坝实际特点，模拟实验机床带开挖按照以下标准进行：在粗堆石料填筑2 m后以反铲挖出一条从反滤料到临时观测站的沟，沟深2 m，宽2.5 m。在沟底铺填一层最大粒径300 mm的细堆石料，厚50 cm，以振动碾碾压5遍，再铺一层50 cm厚的河滩料，铺层表面剔除大于5 mm粒径颗粒，以振动碾碾压3～5遍，基床带表面起伏差≤5 mm。在水管式沉降仪旁以人工挖一条50 cm宽的沟，沟底以1%坡度朝向临时观测站，做好沟底由粗向细的 “反滤”保护。沿沟蛇形排放进水管、出水管和排气管并用胶带缠紧成一束，然后穿入φ50 mm硬塑料保护管，把进水、出水和排气管管端连接到沉降测头。

（2）仪器的安装埋设。水管安装过程中，首先要连接测线上所有沉降测头，其次将一条测线上所有沉降测头的硬塑料保护管的下游端穿入观测房，各保护管内的进水、出水管与观测房内读数板上各编号的竖立读数玻璃管和充水阀门连接，最后对其进行加固。

（3）蒸馏水充水及测头固定。充水是检验管路连通性的方法之一，整个系统安装完成后，运用充水装置，即蒸馏水装置、气压罐、水压罐按照物理方法进行检查、调试。同时，运用土标号不小于C25混凝浇筑在测头周围10 cm范围内对测头进行固定。

（4）沟槽回填。先沿基床带铺一层包裹测线的河滩料，该层河滩料须剔除大于5 mm粒径的颗粒并以人工捣实，铺层沿管线的厚度为50 cm，在测头混凝土墩处需加厚，必须包裹住混凝土测头。然后在河滩料上铺两层50 cm厚最大粒径300 mm的细堆石料，每层都以振动碾静压6遍。接着在细堆石料上铺一层厚80 cm的堆石料，以振动碾静压6遍，之后再正常回填1～2层粗堆石料，并进行振动碾压。

（6）取初始值。在观测房内，将各测头的管路对号就位连接到量测板上，打开各测头通气管路上的阀门，依次用脱气水给各测头的量测管充水排气，气泡排尽后开通向玻璃量管的阀门，使其水位升高一点，关紧水阀，待管内水位稳定后，读出水面刻尺数值，即为测头初始读数，同时测出量测管安装基面的高程。

3 实验结果及分析

糯扎渡水电站水管式沉降仪模拟实验过程中，安装1套水管式沉降仪，SY-V-01、SY-V-02两个测点，测点SY-V-01位于离地面1.6 m高的心墙掺砾土料中，离观测房30 m；测点SY-V-02位于离地面1.4 m高的粗堆石料中，离观测房12 m。2011年08月15日安装完成，8月17日取得基准值，对2011年8月15日～2011年9月15日监测数据分析结果如图3所示。

图3 水管式沉降仪实验测点监测成果过程线

根据SY-V-01、SY-V-02实验水管沉降仪测点监测数据，可以得到以下结果：

（1）从整体变化上分析，掺砾土料中测点的沉降量明显大于堆石料中测点的沉降量。

（2）2011年8月15日～2011年8月21日， 水管沉降仪器接近碾压面，SY-V-01、SY-V-02水管测点沉降速率较大，随着坝体填筑的不断升高，试验部位两水管测点沉降速率逐渐趋于平稳。

（3）整个实验观测期，从初值取得到9月13日，测点SY-V-01的最大沉降量为145 mm，测点SY-V-02的最大沉降量为37 mm。

（4）水管SY-V-02在2011年8月 27日～2011年9月8日呈现波动性变化，初步分析是由于观测期间处于雨季，填筑料受降雨和太阳暴晒影响，产生膨胀和收缩，导致测值不稳。

通过对2011年8月15日～2011年9月13日监测数据进行分析，测点SY-V-01、SY-V-02最大沉降量分别为145 mm、37 m，变化过程稳定，符合填筑期间变化规律。糯扎渡水电站高心墙堆石坝水管式沉降仪安装埋设过程工艺合理，方法正确，对提高高心墙堆石坝水管式沉降仪成活率及监测数据的稳定性具有重要的实践意义。

［1］ 邓念武，黄小红，李芳水.平垂直位移计在水布垭面板堆石坝中的应用［J］.2010， 12（2）:125.

［2］ 张福良.土石坝水管式沉降仪的故障分析与处理方法［J］.福建电力与电工， 2007， 12（4）:52.

［3］ 贡保臣，刘爱梅，陆声鸿，等.堆石坝内部沉降观测方法浅析［J］.水力发电， 2008， 23（10）:98-99.

［4］ 杜雪珍，朱锦杰.芹山大坝水管式沉降仪测值突变原因分析［J］.Dam and Safety，2009:42-44.