长河坝水电站大坝沉降监测技术

万 永 波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都　610072)



长河坝水电站大坝沉降监测技术

万 永 波

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：介绍了长河坝水电站大坝沉降监测仪器的选型，对各种类型沉降仪器的观测成果进行了对比分析，分析了大坝沉降观测资料的真实性和可靠性，总结了用于大坝沉降观测使用的仪器及其具有的性能特点，指出了大坝沉降监测仪器的发展方向。

关键词：长河坝水电站；沉降监测；分层沉降

1工程概述

长河坝水电站砾石土心墙堆石坝最大坝高240 m，基础覆盖层最大厚度为60 m，大坝按Ⅷ度进行抗震设计，因此，掌握大坝的沉降监测成果对强震区深厚覆盖层上修建超高土石坝非常重要。

2长河坝水电站大坝沉降的观测

土石坝的沉降监测主要包括大坝内部的沉降和大坝外表的沉降。对于大坝外表的沉降主要采用水准测量；而测量大坝内部的沉降方法和监测仪器类型较多，且各型仪器的观测原理不同，其观测精度、真实性、可靠性亦不相同，因此，了解其特性就显得非常重要。笔者介绍了几种工程中常用的监测仪器。

(1)电磁沉降环。

电磁沉降环观测用于大坝内部的沉降变形。其作法是：从大坝基础开始埋设一根沉降管(或将测斜管兼作测斜观测)，将沉降管底部锚固在大坝基础上，把磁性沉降环套在沉降管外圆埋设于观测点位置。当大坝发生沉降时，磁性沉降环随大坝填筑体一起下沉，沉降管通过伸缩节下沉。在观测大坝沉降数据时，从管孔中放下磁性探头并测量磁环的位置，采用外观测量观测沉降管口高程并计算出磁环观测时的高程；用磁环埋设的初始高程减去观测时的高程，进而计算出大坝填筑体的沉降量。

(2)水管式沉降仪。

水管式沉降测量装置即静水溢流管式沉降仪是利用液体在连通管两端口保持同一水平面的原理制成的。将水管沉降仪测头埋设在坝体内部观测位置(测点)并将进水管与大坝下游观测房内的测量装置连通，进气管与大气连通；沉降仪底部的排水管及时排除测头内多余的液体。当观测人员在观测房内测出连通管一个端口的液面高程时，便可知另一端(测点)的液面高程，前后两次高程读数之差即为该测点的沉降量。

(3)分层电位器沉降仪。

长河坝水电站使用的分层电位器式沉降仪是根据大坝填筑土体分层压缩变形的原理在坝体内按设计分层埋设电位器位移计，使用电位器式传感器观测大坝填筑体的分层压缩量(沉降量)，将同一竖直线上的分层沉降量汇总计算出坝体监测点的总沉降。分层电位器式沉降仪通过钻孔至分层底部，在每层的底部埋设锚头、分层的顶部安装电位器位移计与沉降板连结，锚头与位移计之间用传力杆连接。当大坝发生沉降时，沉降板与大坝填筑体一起沉降，沉降板将大坝的沉降量传递给电位器位移计，传感器将沉降量转换成电信号。电位器式传感器为直滑式精密仪器，测量时，传感器采用5芯电缆恒流供电，仪器测值不受传输电缆的长度及环境温度变化等的影响，观测成果精度高，测值稳定可靠。

(4)振弦式沉降仪。

振弦式沉降仪用于测量不同测点之间的沉降。将储液罐放置在固定的基准点并用两根充满液体的通液管(通液管)把它们连接在沉降测点的传感器上，传感器通过通液管感应液体的压力并将其换算为液柱的高度，据此即可实现在储液罐和传感器之间测量出不同高程的任意测点的高度。所使用的典型测量装置用于测量坝体内部的沉降。传感器内包含一个半导体温度计与一个防雷击保护器，使用通气电缆将传感器连接到储液罐上并使整个系统达到自平衡，以确保传感器不受大气压变化的影响。安装在通气管末端的干燥管用来防止传感器内部受潮。

(5) 智能式沉降仪。

长河坝水电站大坝使用的智能式沉降仪利用电磁感应原理，将与测杆固接的导磁体活塞杆插入螺管线圈(其可来回移动)，线圈的电感量与导磁体活塞杆插入线圈的长度有关。当发生位移时，将引起线圈电感量的变化，电感调频电路将线圈电感量的变化转换成频率信号，通过读数仪即可显示位移值。

(6) 水准测量。

长河坝水电站大坝的水准测量使用的是高精度的数字水准仪和铟钢板尺，按照一、二等水准测量线路观测大坝表面沉降点的高程，用初始高程减去观测高程即可计算出坝体表面的沉降量。水准测量主要用于观测长河坝水电站大坝坝体的表面沉降、水管沉降仪的基点校核、基础廊道的基础沉降量。

3沉降成果对比分析

图1　长河坝水电站大坝沉降量与填筑过程线图

图2　大坝基础水准过程线图

图3　分层电位器位移计沉降成果图

长河坝水电站大坝心墙内埋设的电磁沉降环观测到的最大沉降量是VE2，为1 530 mm，位于桩号(纵)0+256内的坝轴线处。在长河坝水电站大坝心墙下游过渡料中埋设的水管沉降仪观测到的最大沉降是C57，为1 461 mm，位于桩号(纵)0+256的反滤区。分层电位器式位移计观测到的最大沉降量为1 750 mm，位于(纵)0+190桩号上游靠近反滤区。长河坝水电站观测到的坝体沉降量与填筑呈正相关，沉降量随坝体填筑高程的增高不断增大；三种仪器观测到的沉降成果基本一致。由于仪器埋设日期不同，观测沉降量有小幅度的差异，但观测 成果量级一致，沉降量为填筑坝体高度(163.7 m)的1.07%，沉降成果可信。

长河坝水电站大坝基础水准沉降值最大的是LD9，为86.9 mm，位于基础廊道河床部位；水准成果规律性一致，基础沉降分布规律为河床最大，向两岸逐渐递减，与设计报告基本一致。水准监测成果精度高，使用水准仪精度达到0.3 mm/km。

长河坝水电站大坝埋设的振弦式沉降仪和智能式沉降仪为科研项目，采用新型仪器，目前观测到的坝体最大沉降仅为292 mm，明显小于大坝实际沉降量(图1～4)。

4监测方法分析

电磁沉降环为传统的大坝内部沉降监测仪器，性能稳定，技术成熟，能够观测施工期的总沉降量，但电磁沉降环的测量精度低，沉降管抗侧向变形差，容易损坏，并且埋设电磁沉降环对土建施工干扰大，沉降管周边人工回填料的密实度影响观测成果的精度且不能实现自动化监测，故其主要用于施工期的沉降监测。

图4　智能式沉降仪过程线图

水管式沉降仪为传统的大坝内部沉降监测仪器，性能较稳定，产品技术成熟，可以监测施工期的总沉降量，但该仪器观测精度不高，其监测成果受施工埋设方法和施工工艺的影响大，观测成果受大气压、温度、操作人员的熟练程度等因素影响。分层电位器式沉降仪用于分层观测大坝内部的沉降，仪器性能稳定，测值可靠性好。

振弦式沉降仪性能与测值(读数)稳定，仪器埋设对施工干扰小并能实现自动化监测，但该仪器设计原理不合理，用于观测长河坝水电站的沉降量时失真。

智能式沉降仪为新型大坝内部沉降监测仪器，仪器埋设对施工干扰小，能实现自动化监测，但该仪器结构设计不合理，外套沉降磁环滑动不灵敏，用于观测长河坝水电站沉降量时失真。水准测量为成熟的沉降监测技术，观测成果精度高，成果真实性高；但水准测量只能观测表面沉降，人工工作量大，不能实现自动化监测。

5结语

通过对采用不同类型监测仪器观测到的长河坝水电站大坝的沉降资料进行分析得知：水准测量观测大坝表面沉降和基础沉降成果精度最高，水准监测成果可靠。电磁沉降环、水管式沉降仪和分层电位器式沉降仪用于观测大坝内部沉降精度满足设计要求，但观测大坝沉降成果与其安装埋设方法和施工工艺相关，受其影响较大。智能式沉降仪和振弦式沉降仪用于观测长河坝水电站大坝内部沉降量失真，需要通过优化设计仪器结构来保障沉降成果的真实性。随着科技水平的不断发展、仪器可靠性和观测精度的不断提高，仪器性能愈来愈趋于稳定成熟，实现大坝内部沉降自动化观测已成为今后大坝内部沉降监测发展的趋势和方向。

万永波(1973-)，男，重庆丰都人，高级工程师，硕士，从事水电水利工程安全监测工作.

(责任编辑：李燕辉)

作者简介:

收稿日期:2015-11-05

文章编号:1001-2184(2016)01-0061-03

文献标识码:B

中图分类号:TV7；TV222；TV641