浅谈功果桥过水围堰水力学监测

王晓慧 杨 利

（太原工业学院电子工程系）

1 工程概况

功果桥水电站位于云南省云龙县大栗树西侧的澜沧江上，坝址控制流域面积9.72万km2，多年平均流量1 010 m3/s，年均径流量318.51亿m3。枢纽工程主要由挡水建筑物、泄洪建筑物、引水及发电建筑物等组成，其中，拦河大坝为碾压混凝土重力坝；坝身泄洪，布置在主河床略靠右侧；引水发电系统布置在右岸地下。坝顶高程1 310 m，坝顶长356 m，最大坝高105 m。

上游围堰防渗墙5 172.0 m2，轴线长164.85 m，最大墙深48.3 m，距坝轴线247.7 m，堰顶高程1 262.0 m。自上而下主要为人工回填层、河床原始覆盖层和基岩层。人工回填层主要由石渣及风化料组成，在抛填过程中部分细料被水流带走，虽然经过了碾压，但基本上还是处于松散状态，特别是底部更是这样。河床覆盖层厚度6-27 m，主要由漂石、块石、卵石、砾石以及含少量泥质的中粗砂组成，级配不良，存在架空现象。施工平台仅比江水高1 m左右。采用C20W6混凝土防渗墙，墙厚80 cm，设计要求渗透系数不大于 5×10－7cm/s。

为了综合了解澜沧江功果桥水电站工程过水围堰的工作状态，评价围堰的各项性能指标，保证度汛与施工安全，结合上下游围堰结构型式和规模特点，中国水利水电第四工程局有限公司勘测设计研究院功果桥监测室，根据《大坝土建及金属结构安装工程招标文件（合同编号：GGQ/C3）》的要求进行监测。功果桥水电站上游过水围堰于2009年6月竣工，同年8月开始实施水力学原型观测，监测内容主要包括：堰面流速监测、渗透压力监测和消能平台中部脉动压力监测等。

2 监测目的

本次监测的目的主要有三点：一是通过水力学原型监测和渗透压力监测，为控制和显示各种不利情况下的工程性能进行评估，以及在施工期、运行初期和正常运行期对工程安全进行连续评估提供所需要的资料；二是提高人们关于各种水力学参数对工程性能影响的认识；三是为以后的水力学原型监测积累组织及技术经验。

3 监测内容及测点布置

为了取得过水围堰过流时较为理想的水力学原型监测成果，了解围堰安全运行状态，确保安全度汛与施工安全，脉动压力、流速的观测布置在2个监测断面，1-1断面位于围堰中部，2-2断面靠近右岸。共安装了3支流速仪和2支脉动压力计，用于测定相应位置的流速及脉动压力。电缆用镀锌钢管保护，沿护坡底部统一引至进水口道路处集线箱内。本次功果桥上游过水围堰水力学监测具体布置如表1。

4 监测方法

功果桥上游围堰过水期间，水尺、流态采用人工读数及摄像，渗透压力采用WV-102A弦式读数仪，流速和脉动压力采用中国水电科学研究院研制开发并经多次水力学原型观测检验的DJ800多功能水工数据采集分析系统。

DJ800型多功能监测系统是由计算机、多功能监测仪器和各种传感器组成的数据采集和处理系统，能对多种物理量进行准同步采集，例如水位、波高、脉动压力、拉力、流速、温度、应变以及模拟电压等。系统的软件大约占6M内存空间，在MS-DOS环境下运行，数据采集是巡回式的。取得一个测点的数据，大约需要40 μm的时间，包括选中通道号、模拟转换和数据传送等时间。采集频率随着测点数量的增加而降低，系统设定的最小采集时间间隔为1 ms。

表1 过水围堰监测项目及测点布置

5 监测工况与监测成果

5.1 监测工况及内容

功果桥上游围堰过水的水力学监测存在两大特点：一是各项监测内容及数据相互关联，可实施同步监测；二是监测数据多，技术要求高，采集仪器及采样频率必须满足不同监测参数的需要。基于此，对监测组织工作提出了很高的要求。首先，在过水期间为了获得完整、连续、同步的观测数据，分别设立了4个监测小组在4个观测点（上下游围堰左、右岸各设1个监测点）实施24 h监测，从而保证了各参数监测及数据的同步性，确保了各项数据间的相关性；其次，考虑到过水期间监测组次及测点多，监测数据量大，后处理及分析工作任务十分繁重，故以4个监测小组为主体，在后方组建了资料整编组，以便及时进行数据分析与处理。具体监测于2009年8月15日实施，实时上游流量最大4 830 m3/s，水位为1 265.0 m。观测内容及工况详见表2。

5.2 监测成果

5.2.1 脉动压力

从表3可以看出运行工况I、II情况下上游围堰堰面的压强监测成果，其特点：一是作用在消力平台上的脉动压力随流量变化而变化；二是在同一工况下，最大压强与最小压强相差不大，表明作用在消力平台上的水流相当平稳。

表2 观测工况与观测内容

表3 脉动压力、流速监测成果

5.2.2 底流速

各测点流速监测成果见表3。从流速的分布可以看出：一是堰面上流速随上游水的流量增长而增长；二是第一测点的流速大于第三测点流速，表明进过消力平台对水流的消能，流速明显降低；三是在基坑蓄水之后，第三测点流速趋于稳定。

5.2.3 渗透压力

监测成果见表4。从表4可以看出：一是堰体内各测点渗透压力随上游水位变化而变化；二是堰体内不同深度测点的渗透压力不同；三是各测点渗透压力远小于各测点所处位置的实际水压，表明堰体工作状态良好。

6 监测结果

围堰过水期间，通过对过水水位、渗透压力、温度、流速、脉动压力等项目实地监测，取得了大量的第一手观测资料，从资料整理分析结果，可得出以下结论：

表4 渗透压力监测成果

（1）温度—时间过程线基本上呈一水平线，没有突出变化，表明堰体内混凝土不会因温度变化产生应力而导致堰体变形。

（2）从水位—时间过程线可以看出，从过水开始至结束，曲线呈抛物线状，符合自然规律。

（3）从渗透压力—时间过程线可以看出，渗透压力曲线与水位曲线具有相似性，表明渗透压力处于正常情况。

（4）导流洞进口处水流比较稳定，在小流量下泄时由于横向流速较大，左岸分流墩上会有局部的绕流现象发生；上游围堰堰前水流稳定，堰面水流平稳；过堰水流在流量增大后，流速明显增大。

（5）从流速—时间过程线可以看出，流速曲线与水位曲线也具有相似性，表明流速符合设计要求。

（6）脉动压力随着水位的稳定趋于稳定且值不大，表明在消能平台中未形成大的涡旋，对堰体发生空蚀的可能性较小。

7 监测评价

（1）对澜沧江功果桥水电站上游围堰双重消力平台堰面压力、流速和堰体渗透压力的综合监测成果表明，在上游围堰设置消力平台，可有效地缓解高水头对堰体的冲刷，台阶上的压力及流速明显降低，说明在堰面上设置消力平台是经济合理的。

（2）通过对堰体内的渗透压力观测结果表明，采用沙砾石或石渣填充、用块石做护坡、用混凝土面板保护，能有效防止渗流，并起到截流作用，具有重要的技术创新性。

（3）监测成果证明，功果桥水电站采用胶凝砂砾石护坡和混凝土楔型护面板施工，即可加快工程进度，又可节省工程投资，有着极为重要的技术价值。

（4）DJ800系统操作简单，并有很强的数据处理功能，能绘制波形图、玫瑰图、频谱图、断面图及等值线图等，还能打印波高、峰谷值、平均值、最大值、最小值和瞬间值，也能对原始数据进行修改和滤波，宜于推广应用。

［1］刘俊峰.岩土工程安全监测手册[M].北京：中国水利水电出版社，1999.

［2］水工建筑物观测工作手册[M].北京：水利出版社，1980.

［3］袁希光.传感器技术手册[M].北京：国防工业出版社，1999.