喀麦隆曼维莱水电站安全监测设计

张 猛 李善岩 孙正明 王玲玲

喀麦隆曼维莱水电站安全监测设计

张 猛 李善岩 孙正明 王玲玲

曼维莱水电站工程的挡水建筑物为黏土心墙堆石坝、均质土坝与混凝土重力坝连接的混合坝型，主要介绍了工程的安全监测设计，监测设计以挡水建筑物的变形监测和渗流监测为重点，并兼顾全面，形成覆盖整个工程的监测网络。

安全监测设计 变形监测 渗流监测

1 工程概况

曼维莱水电站拦河坝为混合坝型，包括挡水坝及泄水建筑物。沿坝轴线从左至右依次为：左岸混凝土连接坝段、泄洪冲沙闸及主溢洪道、黏土心墙堆石坝段、均质土坝段、辅助溢洪道、右岸均质土坝段。工程规模为大(2)型，最大坝高28.3 m，坝顶总长约1 800 m。挡水坝和泄水建筑物布置图见图1。

图1 工程挡水坝和泄水建筑物布置图

工程输水建筑物由渠道进水口、输水明渠、天然前池及二道坝、电站进水口和压力管道等组成。电站采用引水径流式开发，电站厂房为地面式，共安装4台发电机组。

2 监测设计目的及原则

安全监测设计的主要目的是通过对工程施工期和运行期的全面、系统监测，及时了解各阶段工程实际运行状态，确保工程运行安全，充分发挥工程效益；指导工程施工，提高工程施工质量；通过对监测数据计算分析，反馈设计，也为其它工程积累经验。

安全监测设计根据水工建筑物的布置及所在区域的地质条件进行，设计遵循的原则为：监测项目设置“突出重点，兼顾全面”；仪器设备选型 “实用、可靠、先进、经济”；施工期人工观测和运行期自动化监测相结合；仪器监测与人工巡视检查相结合。

3 监测建筑物及监测项目

主要监测建筑物为拦河坝、主溢洪道、辅助溢洪道、二道坝、输水建筑物和电站厂房等。

(1)拦河坝监测项目为坝体表面变形、内部变形、坝体及坝基渗压、绕坝渗流及环境量监测。

(2)溢洪道主要监测底板扬压力及边墙与坝体结合部位的渗透压力。

(3)输水明渠进水闸和电站进水闸主要监测底板扬压力及结构连接缝的开合度。

(4)二道坝及输水明渠主要监测表面垂直位移。

(5)电站厂房主要监测厂房底板扬压力、压力钢管的钢板应力、蜗壳钢板应力及周围混凝土的应力应变等。

(6)除进行上述仪器监测项目外，还要进行现场巡视检查。

4 监测布置

4.1 拦河坝

拦河坝同时采用了黏土心墙堆石坝与均质土坝两种坝型，主坝上建有主溢洪道和辅助溢洪道。根据拦河坝的结构特点，在黏土心墙坝布置4个重点监测断面、均质坝布置4个重点监测断面，重点监测项目为变形监测和渗流监测。

4.1.1 变形监测4.1.1.1 表面变形

在坝顶下游侧每隔100 m左右布置1个水平位移测点，在坝下游分别布置2个工作基点及2个校核基点。水平位移采用高精度全站仪按二等边角网技术要求施测。

水平位移测点同时布置垂直位移测点，另在每个表面变形监测断面坝顶上游侧，下游坝坡和坡脚各布置1个垂直位移测点，垂直位移工作基点布置在两岸稳定的地基上，由于拦河坝较长，在坝体中间位置下游稳定地基上增设1个工作基点。垂直位移按二等水准技术要求施测，基准点布置在坝下1～2 km新鲜稳定的基岩上。

4.1.1.2 内部变形

在坝体8个重点监测断面中，选取1个心墙坝段监测断面、2个均质坝段监测断面分别布置1个测斜管兼沉降管，在管外每隔2 m高程设1个沉降磁环，测斜管深入基础内3.0 m，监测坝体内部水平位移及垂直位移。

4.1.2 渗流监测

坝体渗流监测包括坝体、坝基渗压及绕坝渗流监测。

4.1.2.1 坝体及坝基渗压

在坝体8个重点监测断面位置，每个断面坝基布置5～6支渗压计，其中灌浆帷幕上、下游分别布置1支，帷幕后基础深层布置2支，监测坝基渗透压力，了解帷幕防渗效果；在坝体内沿高程选取3个层面布置7～8支渗压计，监测坝体内渗透压力。均质坝监测断面坝体内测点主要布置在排水垫层上游侧，黏土心墙坝监测断面坝体内测点主要布置在心墙内。在监测断面坝体下游排水沟外地面布置1根测压管，监测地下水位变化，用于坝体渗流变化分析。均质坝和心墙坝的重点监测断面布置见图2、3。

图2 均质坝典型监测断面布置图

图3 黏土心墙坝典型监测断面布置图

由于不同坝型连接部位存在渗流和变形破坏的可能，除对8个重点监测断面的坝体及坝基渗压进行重点监测，并对连接部位的渗流进行重点监测。

在黏土心墙坝和均质坝的连接部位选取3个高程层面布置7～8支渗压计，监测连接部位的渗透压力。

4.1.2.2 绕坝渗流

在拦河坝与两岸交界面上及两岸山体内分别布置8套测压管，测压管内安装渗压计，监测以上部位的绕渗压力。

4.1.3 环境量监测

环境量监测包括水位和气温监测。在大坝的上、下游各设水尺监测水位；在坝区设1个气温监测点，采用自记温度计监测。

4.2 溢洪道

溢洪道包括主溢洪道和辅助溢洪道。

4.2.1 变形监测

溢洪道的变形监测项目与大坝结合布置，在主、辅溢洪道的每个闸墩顶部各设1个水平位移测点，水平位移测点同时布置垂直位移测点，另在主溢洪道每个闸墩尾布置1个垂直位移测点。溢洪道的变形监测基点与坝体共用。

4.2.2 渗流监测

在主、辅溢洪道沿水流方向各设2个纵向监测断面，每个断面基岩内布置5支渗压计，其中1支位于帷幕上游建基面基岩内，3支位于帷幕后建基面基岩内,1支位于帷幕后深层基岩内；并在溢洪道每个坝段闸室中间附近的建基面基岩内布置1支渗压计，监测底板扬压力。

在溢洪道两边墙与坝体交界面分别布置1～3支渗压计，监测不同结构接触面的渗透压力。

4.2.3 应力应变监测

选取主溢洪道右孔及左孔闸墩进行应力应变监测，在闸墩墙体分别布置4支钢筋计、6支应变计，在底板布置4支钢筋计、3支应变计、1支无应力计，在闸墩牛腿扇形受力钢筋上布置3支钢筋计，监测结构应力应变。

4.3 渠道进水口

渠道进水口为5孔闸，前接引渠段，后接输水明渠。

(1)在进水闸室底板与上、下游结构接缝位置各布置1支测缝计，监测接缝开合度。

在每个闸墩首、尾各布置1个垂直位移测点，监测闸墩垂直位移。

(2)在进水闸选择其中2孔设2个监测断面，每个监测断面在闸底板下沿水流方向各布置5支渗压计，并在闸室中间位置底板下两端各布置1支渗压计，监测底板扬压力。

4.4 输水明渠

输水明渠主要监测高边坡地段的边坡表面变形。每隔50～100 m在两岸马道上布置垂直位移测点，监测边坡沉降变形，工作基点设在两岸稳定的基础上。

在高边坡渠段和填方渠段布置测压管和渗压计监测高边坡的地下水位和渠堤的渗流情况。

4.5 二道坝

在二道坝坝顶下游侧每隔100 m左右设1个垂直位移测点，监测坝体表面沉降变形。

坝体设2个内部监测断面，每个监测断面设1个测斜管兼沉降管监测坝体内部水平位移及垂直位移，测斜管深入灌浆岩层3.0 m。

二道坝的渗流监测包括坝体渗压、坝基渗压、绕坝渗流和渗流量监测。

4.6 电站进水口

电站进水口为4孔闸，电站进水口的变形监测和渗流监测布置与渠道进水口基本一致。

并在电站进水口附近布置1根水尺监测水位。

4.7 压力管道

压力管道监测选取1#、3#为监测对象。在1#、3#压力钢管上弯段镇墩与上、下游连接缝位置布置4支测缝计，监测接缝开合度。

在进入厂房前的压力钢管段设1个监测断面，在钢管四周布置4支轴向钢板计及4支环向钢板计，监测钢管变形。

4.8 电站厂房

4.8.1 厂房

厂房沿水流方向布置3个监测断面，布置在1#、3#机组中心线及排水井底部位置。

每个监测断面底板下布置4支渗压计，监测底板扬压力；在1#、3#机组底板与上游底板连接缝位置各布置1支测缝计，监测接缝开合度。

在厂房布置18～20个垂直位移测点，监测厂房沉降变形。工作基点布置在山坡稳定地基上。

4.8.2 蜗壳

选取1#、3#机作为监测对象，在1#、3#机组的蜗壳布置钢板计监测钢板应力，在周围混凝土内布置钢筋计、应变计、无应力计监测结构应力应变。

4.9 边坡工程

在厂房边坡布置12支三点式位移计，监测边坡岩体不同深度位移；在边坡马道上布置29个垂直位移测点，监测边坡沉降变形，垂直位移工作基点布置在厂区稳定地基上。

在左侧边坡马道上布置2个测压管，监测边坡地下水位变化情况。

4.10 巡视检查

巡视检查的目的是为了检查大坝及各建筑物在施工期和运行期的安全性，及时发现异常情况并进行提出补救和改进措施。

5 安全监测自动化系统

5.1 监测站布置

主坝设3个现地监测站，首部枢纽和二道坝各设1个监测站，监测站设有效的防雷接地装置，配备220 V交流电源及照明；在电站发电机层墙壁上设2个MCU预留槽。管理中心监测站设在电站副厂房内，内设工控机、服务器、管理计算机等设备。

5.2 网络结构

工程监测自动化系统采用分布式网络结构。监测自动化系统分为现场监测站和管理中心监测站。现场监测站由传感器和数据采集装置组成。中心监测站包括负责数据采集的工控机和负责数据管理与分析及安全监测日常管理的计算机等。现场监测站与中心站之间通过光纤及双绞线通信，电站管理信息中心为安全监测预留通信接口。

5.3 系统功能

监测自动化系统具有数据自动采集、存储、传输、报警、保护、数据分析等多种功能；并具有长期运行稳定性优良，防潮性能好，抗干扰和抗雷电、过电压能力强，故障率低、技术先进，并经实践检验认可等特点。系统支持自报和应答两种制式。

6 结 语

目前曼维莱水电站已经过蓄水验收和机组充水试验，安全监测在施工期和运行期提供了大量监测数据，为工程的顺利实施提供了有力保证，也为评价工程运行安全发挥了重要作用。

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1007-6980(2017)03-0060-04

张 猛 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

李善岩 女 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

孙正明 男 高级工程师 中水北方勘测设计研究有限责任公司 天津 300222

王玲玲 女 助理工程师 南水北调中线干线工程建设管理局天津分局 天津 300380

2017-07-10)