正倒垂系统在苏丹麦洛维水电站中的应用

蔡 明 光， 帅 永 建

(中国水利水电第七工程局有限公司 科研设计院，四川 成都 611730)

1 工程概述

苏丹麦洛维大坝工程位于尼罗河中下游地区的苏丹北部麦洛维市附近。该工程以发电为主，兼顾灌溉和防洪，总装机容量为1 250 MW。麦洛维大坝工程由左岸建筑物、电站厂房和附属建筑物、右岸建筑物组成，大坝总长9 789 m。左岸建筑物由土石坝、灌溉渠首工程、混凝土面板堆石坝组成；电站厂房和附属建筑物由溢流坝段、非溢流坝段、电站厂房组成；右岸建筑物由粘土心墙坝、土石坝、灌溉渠首工程组成。

麦洛维水电站于2003年9月20日开工，2004年10月大江一期截流，2008年开始蓄水。水库蓄水分两期进行，第一期从2008年4月15日～2008年7月15日，蓄水高程为259～270 m；第二期蓄水从2008年7月15日～2008年12月15日基本结束，蓄水高程为270～299.5 m。2009年3月底首台机组发电。

2 正倒垂系统观测的基本原理

大坝除了通过外部变形观测进行垂直位移和水平位移观测，还需要进行挠度观测，而垂线就是进行挠度观测的、一种简单有效的测量手段。一般而言，混凝土坝的水平位移是通过埋设在大坝基岩和坝体内的倒垂系统和正垂系统进行观测。通常，正垂线主要是用来观测坝体挠度的，倒垂线主要是用来观测大坝基础的位移。另外，倒垂系统也常作为正垂线或其他位移观测方法的基准。

将倒垂下端固定在基岩深处的孔底锚块上，上段与浮筒相连，在浮力作用下，沿铅直方向被拉紧并保持不动。在各测点布置观测墩，安放仪器进行观测，即可得各测点对于基岩深处的绝对挠度。倒垂线具有相当高的精度且稳固可靠。正垂线通过上部固定，下端挂有重锤，通过竖井直接垂到坝底的基点，其与倒垂配合使用，根据观测要求，沿着垂线在不同高程及基点设置多处观测段，利用固定在测墩上的坐标仪测量各观测点相对于此垂线的位移值。通过此方法对混凝土坝进行挠度观测。

3 苏丹麦洛维大坝工程正倒垂系统的布置

在麦洛维水电站混凝土坝段装有3套正倒垂系统，分别安装在溢流坝段、非溢流坝段和厂房坝段，用来观测各部位在不同高程上的水平变形。该套系统由德国拉美尔咨询公司设计，其特点是在各个观测点采用遥测垂线坐标仪不间断地连续测量，同时采用光学式垂线作为遥测垂线坐标仪的校核手段，以保证数据的可靠性。

在每个观测断面上，倒垂在238灌浆廊道观测，同时正垂在238廊道和上层廊道进行观测。通过正垂在中间廊道的观测数据分析判断坝体的挠度变形，以此来判断最大的挠度变形。麦洛维水电站具体的正倒垂系统布置情况见表1，混凝土坝变形方向规定见表2。

每套垂线系统均由倒垂锚固点、正倒垂系统观测点、正垂固定点组成，布置方式大同小异，只是观测点数量的变化。以非溢流坝段为例，其布置情况见图1。

4 正倒垂测试成果分析

非溢流坝段的变形。

(1)大坝变形的影响因素。

影响大坝变形的环境量主要有：大坝上下游水位，坝址气温、库水温以及降雨量等。根据麦洛维水电站当时的环境量监测设备，对大坝蓄水期间的变形主要考虑大坝上下游水位影响。上下游水位实测过程线见图2。

表1 垂线系统布置情况表

表2 混凝土坝变形方向规定表

图1 非溢流坝段垂线系统布置图

(2)非溢流坝段上下游方向的变形。

从2007年1月开始，在通过安装的倒垂系统观测非溢流坝段坝基的水平位移时发现：上下游方向，在水库蓄水之前，只观测到可以忽略不计的变形，截止系统安装成功至2007年10月，观测到坝体基础只有0.2 mm的变形(朝下游方向)；水库开始蓄水后，随着水库水位的上升，观测到坝基持续向下游变形，截止到2009年4月底，其累计变形达到3.2 mm。具体变形情况见图3。

非溢流坝段根据不同的施工阶段安装观测系统，以满足水库蓄水观测的需要，分别在高程238 m、260 m和272 m处安装有观测系统，其中在高程238 m处采用了遥测垂线坐标仪和光学观测两种观测手段，在高程260 m和高程272 m采用了人工观测方法。现就不同高程的观测成果分别进行分析如下。

图2 麦洛维水电站蓄水期间大坝上下游水位实测过程线图

高程238 m观测廊道观测成果：从高程238 m灌浆廊道观测到的水平位移量是高程299.4 m相对于建筑物底部的位移量。2008年2月开始观测，直到水库蓄水之前，没有观测到明显的向下游变形。水库蓄水之后，发现其出现持续不断的变形，随着水库水位的上升，截止到2008年底，最大变形达到9.4 mm。2009年前3个月，基本没有变形，2009年4月期间，只观测到0.4 mm向上游的变形。直到2009年4月底，非溢流坝段顶部相对于底部的变形累计达到9.5 mm。结合考虑坝基的水平位移，非溢流坝段的变形在12 mm以内。具体变形情况见图4。

图3 非溢流坝段倒垂观测变形图

图4 非溢流坝段高程238 m观测点正垂观测变形图

高程260 m廊道和高程272 m廊道观测成果：观测结果通常用来计算相对于建筑物底部的变形。水库蓄水后，对各个高程观测点开始进行观测。2008年8月之前没有观测，从2008年8月以后的观测结果看，截止到2008年12月底，在高程260 m观测点观测到的向下游方向的最大位移为3 mm和在高程272 m观测点观测到的向下游方向的最大位移为4.6 mm。2009年1月至2009年3月期间，没有产生位移。 2009年4月，两个高程处的观测结果表明：均向下游有0.4 mm的位移。从而可以估计，从水库蓄水开始，在高程260 m观测点观测到的向下游方向的最大位移为6 mm和在高程272 m观测点观测到的向下游方向的最大位移为6.5 mm。2009年4月以后，随着水库再次蓄水，水位再次上升，建筑物向下游有明显的变形增量。具体变形情况见图5和图6。

图5 非溢流坝段高程260 m观测点正垂观测变形图

图6 非溢流坝段高程272 m观测点正垂观测变形图

在外观测量中，非溢流坝段的坝顶位移观测从2009年1月开始，至2009年3月，坝顶朝下游方向的最大变形为3.4 mm。

以上观测结果表明：非溢流坝段向下游方向的水平位移发生在水库蓄水以后，基础向下游方向的水平位移在预期设定值范围之内。总的来说，建筑物和基础的变形基本正常，具体变形情况见图7。

(3)非溢流坝段左右岸方向变形。

非溢流坝段的倒垂于2007年1月安装。蓄水之前，截止到2008年2月底，观测到坝基向左岸方向有0.8 mm的位移。2008年4月，其改变向右岸方向变形。2008年4月以后，从水库蓄水开始，坝基向左岸方向存在连续的变形。2009年1月至6月仍然持续向左岸变形。具体变形情况见图3。

图7 非溢流坝段在2008年4月后观测到的向下游方向的水平位移图

我们对非溢流坝段的正垂线在3个不同的高程处进行了观测，现就不同高程的观测成果分别进行分析如下。

高程238 m观测成果：观测结果代表的即为高程299.4 m相对于建筑物底部在左右岸方向的变形。观测从2008年2月开始，水库蓄水之前没有发现在左右岸方向的位移。2008年8月到2009年4月期间，随着库水位的上升，建筑物连续向左岸方向发生变形，变形量达41 mm。2009年5月还持续向左岸方向发生了0.5 mm的变形。具体变形情况见图4。

高程260 m和高程272 m的观测成果：观测数据主要用来计算相应高程相对于基础的水平位移。两处的观测均在水库蓄水以后开始(2008年8月开始)。因此，在2008年8月之前没有相应的观测值。比较有代表性的是：对比同阶段高程299.4 m的观测结果，在高程260 m和高程272 m处的变形量于2008年9月已经形成且分别达到了2.2 mm和3 mm。

以上观测成果表明：建筑物和坝基在左右岸方向(坝轴线方向)的水平位移量均在预期的范围内，大坝运行安全。

5 结 语

本工程采用RxTx 遥测垂线坐标仪和手工观测相结合，用来观测微小的位移，特别适合应用于水电站大坝的变形观测，直观清楚地表明大坝挠度变形。

通过对麦洛维水电站中安装的正倒垂系统观测各个坝段的变形量，结合其他仪器的观测成果来判断建筑物的工作性能，为水库有序蓄水提供了充分、及时、有效的科学依据。

作者简介:

蔡明光(1986-)，男，安徽淮北人，工程师，从事水利水电工程施工技术与管理工作；帅永建(1973-)，男，四川温江人，高级工程师，从事水电站大坝安全监测技术与管理工作.