柔性测斜仪在300 m级高砾石土心墙坝沉降监测中的应用研究

2018-08-28彭巨为

大坝与安全 2018年3期

张坤，彭巨为

（中国电建成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072）

1 心墙沉降监测新方法的提出

近年来国内水电筑坝技术发展迅速，以两河口（坝高295 m）、糯扎渡（坝高261.5 m）、长河坝（坝高240 m）和瀑布沟（坝高186 m）等水电站为代表的一批土石坝典型工程，将砾石土心墙堆石坝坝高逐步由100 m级提升至300 m级，使我国土石坝设计理论及施工技术达到国际先进水平。但有关土石坝安全监测技术的发展及应用明显滞后于土石坝筑坝技术，许多监测仪器的适应性仍然停留在100 m级坝高水平，传统仪器尚难以完全适应300 m级超高土石坝对安全监测的要求，导致当前高土石坝变形监测仪器存活率普遍偏低[1]。

高土石坝的沉降变形一直是工程关注的重点，直接关系到大坝能否安全稳定运行。目前，堆石区变形主要采用水管式沉降仪和引张线水平位移计监测，技术已经比较成熟，监测成果良好[2]。心墙沉降主要采用横梁式沉降仪、大量程杆式位移计、电磁式沉降环等监测。横梁式沉降仪一般成串竖向布置，受心墙土体挤压和自身挂重影响，电缆易受损破坏，沉降监测数据容易失真，仪器存活率普遍偏低。大量程杆式位移计一般在心墙内分高程分段埋设，以适应土体大沉降变形监测需要，受心墙高土压力和水压力影响，后期部分仪器监测数据出现跳动，导致监测数据失真。电磁式沉降环一般与测斜管或电磁沉降导管配套使用，许多工程经验表明坝高超过160 m后，测斜管（沉降导管）容易出现挤压破坏，导致沉降环报废，因此，心墙沉降监测一直缺乏有效的技术方法和手段。

另外，考虑到经济性和必要性，高土石坝传统监测仪器一般都呈竖向测线布置，而高土石坝一般位于“V”型高山峡谷中，要获得顺河向不同筑坝材料的沉降变形分布、横河向心墙不均匀变形及其拱效应分析、接触粘土与砾石土的沉降变形规律等，仅靠有限的传统监测技术手段是难以实现的，因此高土石坝变形关注的重点却一直是土石坝心墙监测的盲区。研究如何采用有效可靠的监测手段对坝体心墙空间变形进行监测是非常必要和急迫的。

与此同时，随着技术的不断发展，已涌现出一些高精度、高可靠性的新型监测仪器，迫切需要将其应用到高土石坝监测领域，来解决高土石坝变形监测的技术难题，这也是大势所趋。当前柔性测斜仪、光纤陀螺仪等仪器，其技术上的突破使得这一应用成为了可能[3]。

基于此，笔者提出了高土石坝心墙沉降监测新型仪器——柔性测斜仪，介绍了柔性测斜仪在高土石坝中关键技术指标应用研究，综合分析了其在两河口水电站中的工程应用情况，认为目前柔性测斜仪总体满足高土石坝心墙沉降变形监测需要。

2 柔性测斜仪基本原理

阵列式位移计SAA（Shape Accel Array的缩写，俗称柔性测斜仪），它由多段连续节（segment）串接而成，内部由微电子机械系统（MEMS）加速度计组成。每段节为一个固定的长度，一般为50 cm、100 cm。柔性测斜仪是刚性传感阵列被柔性接头分开，一个绳状阵列式的传感器和微处理器，阵列中所有的微处理器共用同一条数字通讯线路。

图1 柔性测斜仪原理图Fig.1 Principle of shape accel array

柔性测斜仪是一种可以被放置在一个钻孔或嵌入结构内的变形监测传感器，通常安装在一个小套管中，只要使套管发生移动的任何变形，都能够通过测量阵列式位移计的形状变化准确得到。

柔性测斜仪基本原理是通过检测各部分的重力场，可以计算出各段轴之间的弯曲角度θ，利用计算得到的弯曲角度和已知各段轴长度L（50 cm或100 cm），每段SAA的变形Δχ便可完全确定出来，即Δχ=θ·L，再对各段算术求和∑Δχ，可得到距固定端点任意长度的变形量χ。

柔性测斜仪具有3D测量、大量程、精度高、稳定性高、可重复利用、自动实时采集等特点，被广泛应用于边坡滑移、隧道、路基沉降、桥梁挠度、大坝位移等结构物的变形监测中[4]。

3 柔性测斜仪关键技术指标

目前国内柔性测斜仪厂家（代理商）主要有北京博安达测控科技有限责任公司（代理加拿大Measurand Inc公司的柔性测斜仪，以下简称博安达）、北京盛科瑞科技有限公司（代理韩国柔性测斜仪，简称盛科瑞）和基康仪器（北京）股份有限公司（简称北京基康）三家。柔性测斜仪具有大量程、高精度、高稳定性、自动实时采集等技术优势，但在高土石坝大变形、高水压力、高土压力等环境中的应用仍为空白，因此对柔性测斜仪的相关关键技术指标进行梳理分析。

3.1 适应大变形、不均匀变形方面

柔性测斜仪各传感器节点之间采用可自由弯曲的柔性万向节连接，因而可以适应监测界面的较大变形，同时由于各柔性节点可360°自由弯曲，因而各传感器能很好地适应大坝的不均匀沉降。在美国明尼苏达州克鲁士顿路基沉降监测中，柔性测斜仪监测记录到近2 m的路基沉降变形，仍正常工作，如图2所示。

3.2 高耐水压力方面

目前各仪器厂家柔性测斜仪标称最大耐水压2 MPa（北京基康耐水压试验能达4 MPa，其他两家认为仪器实际可承受水压大于2 MPa）。针对300 m级高土石坝，在2/3坝高（坝体中上部）范围内，仪器耐水压基本满足要求，但在1/3坝高（坝体中下部）范围内，仪器应用仍受到一定限制。高土石坝一般在1/2坝高处沉降变形最大，因此仪器标称耐水压基本满足要求，但建议厂家仍需尽快研制和验证耐水压为3 MPa的仪器产品。

图2 路基大沉降变形监测实例图Fig.2 Case study of embankment deformation monitoring of roadbed

3.3 高耐土压力方面

针对300 m级高土石坝，要求心墙内柔性测斜仪最大耐土压超过6 MPa，而目前各厂家仪器最大耐土压力技术参数均未予以明确（还未有高土石坝应用实例），因此后续需进一步开展相关性能测试试验。

农村经济发展所需的资金支持，通过正规金融渠道无法有效获取，涉农企业或农民就会转向民间借贷组织，但是民间借贷的利率和风险比正规金融机构高，且缺乏必要的监管和规范，农民在民间借贷中承担高风险，进而加大了涉农企业或农民经营成本和交易成本，不利于农村经济发展。

3.4 仪器最大长度方面

实际应用中，目前各厂家柔性测斜仪仅博安达SAA单组最大实际安装长度达到150 m，北京盛科瑞及北京基康柔性测斜仪单组最大实际安装长度均未超过100 m。博安达SAA柔性测斜仪可以定制加长至300 m（适用于水平安装，倾角不宜大于35°），北京盛科瑞及北京基康柔性测斜仪可以定制加长至150 m。

3.5 应用经济性方面

鉴于柔性测斜仪为新型设备，成本较高。目前博安达SAA和盛科瑞柔性测斜仪已有0.5 m、1 m测点间距的成型产品，2 m的还处在研制阶段，但目前还未有工程应用；北京基康暂无法生产2 m测点间距的柔性测斜仪。因此不建议采用2 m测点间距的柔性测斜仪。考虑到土石坝内各测点布置的经济性，建议采用1 m间距柔性测斜仪，既可以满足工程需要，同时也大大降低成本。

4 柔性测斜仪在高砾石土心墙坝沉降监测中的应用

以柔性测斜仪在两河口水电站心墙沉降监测中的应用为例。两河口水电站为一等大（1）型工程，挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝，坝高295.0m，坝顶高程2 875.00 m，河床部位心墙底高程2 580.00 m。挡水大坝坝体共分为防渗体、反滤层、过渡层和坝壳四大区。防渗体采用砾石土直心墙型式，坝壳采用堆石填筑，心墙与上、下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层。心墙与两岸坝肩接触部位的岸坡表面设厚度为1 m的混凝土盖板；心墙与盖板连接处铺设水平厚度4 m的接触粘土。

4.1 监测设计布置

技施图设计阶段，根据当时仪器设备发展水平，对柔性测斜仪进行监测设计布置，具体如下：沿坝轴线监测纵断面，在左右岸心墙混凝土板2 775.00 m、2 742.00 m和2 675.00 m三个高程，沿纵向、水平各布设1套柔性测斜仪。柔性测斜仪端点布设在左右岸盖板与心墙结合部位。共布置柔性测斜仪6套，每套长度为50 m。

技施阶段，参建各方明确先在大坝心墙左、右岸混凝土盖板2 641.00 m高程部位，沿心墙坝轴线各布置1套柔性测斜仪，长度40 m，测点间距1 m，开展监测仪器性能测试和埋设试验，为后续柔性测斜仪安装埋设保护积累经验，具体布置见图3。

4.2 安装埋设技术要点

4.2.1 混凝土盖板预埋钢管

为方便柔性测斜仪电缆牵引保护和仪器安装，需提前在混凝土盖板处预埋钢管（作为仪器固定点）以便与仪器安装连接。预埋保护管采用镀锌钢管，镀锌钢管外径50 mm，壁厚5 mm。在钢管端头的混凝土盖板表面预留30 cm×30 cm×10 cm的孔，用于后期仪器固定端与钢管端头连接，钢管在混凝土盖板表面外露长度不小于10 cm。预埋管两端用土工布包裹封闭，防止损坏和堵塞。

（1）待心墙填筑至2 642 m高程时，在两岸盖板预埋管保护位置沿心墙坝轴线开挖长×宽×高=40 m×1.3 m×1.2 m的沟槽。整平沟槽基床，沟槽内回填20 cm厚接触粘土，人工夯实均匀。

图3 两河口水电站柔性测斜仪布置图Fig.3 Layout of shape accel array in Lianghekou hydropower station

（2）将柔性测斜仪穿50 mm PE保护管，PE管长不小于42 m且整管无接头，PE管内外壁涂抹黄油（或润滑油），PE管材料采用柔性PE100级SDR11管。

图4 混凝土盖板预埋钢管（作为仪器固定点）Fig.4 Embedded pipe in concrete cover as the fixed point for instrument

（3）将已穿好PE管的柔性测斜仪平整放入沟槽内。在柔性测斜仪端头安装活动铰接头（加工定制），铰接头另一端与镀锌钢管固定端焊接，见图5。

（4）在仪器端头与钢管连接部位采用专用保护装置，见图6。专用保护装置如下：在固定端与仪器连接段加装高压风管进行加强保护，高压风管长度不小于2 m，外径65 mm、壁厚7.0 mm；然后在高压风管外侧仪器连接部位安装ϕ110钢筒保护，避免监测仪器被剪切损坏；钢筒下方开槽，以便柔性测斜仪能自适应心墙土体沉降变形。

图5 柔性测斜仪与钢管固定端采用活动铰接头连接Fig.5 Connection of shape accel array with the fixed end of steel tube by movable hinge head

（5）仪器电缆穿入预埋钢管牵引至2 640.00 m灌浆平洞内进行集中保护观测。

（6）在2 640.00 m灌浆平洞内进行仪器性能检查，检查正常后对PE管底进行加盖密封，采用锚固剂等对镀锌钢管固定端管口进行封闭，采用水泥砂浆对混凝土盖板预留孔进行全管灌浆封堵。

（7）沟槽回填。仪器周边20 cm内回填接触粘土，人工夯实均匀，再回填剔除5 cm以上粒径的原坝料，用小型碾压设备静碾，在填筑面高于仪器埋设高程1 m后恢复大坝正常填筑。

图6 仪器固定端安装专用保护装置Fig.6 Special protection device installed at the fixed end of the instrument

4.3 监测成果

左、右岸柔性测斜仪分别于2017年11月12日和2017年11月8日安装完成，笔者引用截至2018年5月29日的监测数据，其监测成果详见图7～12。图7、图8、图10、图11横坐标表示各测点离混凝土盖板的距离，图9、图12中5 m、10 m、20 m、30 m、40 m测点表示离混凝土盖板距离分别为5 m、10 m、20 m、30 m、40 m的测点。

左岸2 641 m高程柔性测斜仪IN-R1实测大坝心墙累计沉降量在330.16 mm以内，沉降量最大点距左岸盖板40 m。从图7可以看出，离盖板0～4 m接触粘土区域出现较大的错动位移（127.93 mm），该部位曲线斜率较大，表明该区域错动位移较大，接触粘土起到了很好的协调砾石土心墙变形效果。

4～8 m砾石土区域相比接触粘土出现少量抬升，主要与两者接触部位骑缝碾压施工相关。8～40 m区域各测点沉降量逐渐增大，说明从盖板沿坝轴线方向，在空间分布上，心墙累积沉降变形沿程呈逐渐增大趋势，这符合心墙坝变形一般规律。从图9可以看出，在时间分布上，随大坝填筑高程增大，柔性测斜仪各测点沉降量呈逐渐增长趋势，且越靠近心墙中部，沉降量增幅相对更大，累积沉降量也更大，心墙沉降量与大坝心墙填筑呈明显正相关性。

右岸2 641 m高程柔性测斜仪IN-R2实测大坝心墙沉降累计在337.21 mm以内，沉降量最大点距右岸盖板38 m。离盖板0～4 m接触粘土区域出现错动位移122.45 mm，左、右岸测得沉降量量级基本一致，心墙沉降量分布及变化规律基本一致。

总体来看，从混凝土盖板沿坝轴线埋设的2套柔性测斜仪监测成果很好地反映出砾石土心墙沿坝轴线沉降空间分布规律和累计沉降量时间变化规律，同时很好地印证了高砾石土心墙坝采用接触粘土或者高塑性粘土来协调大坝心墙变形的作用，填补了国内高土石坝心墙沿坝轴线沉降分布及变化规律的盲区。

图7 心墙左岸2 641 m高程柔性测斜仪各测点沉降过程线Fig.7 Graphs of settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall

图8 心墙左岸2 641 m高程柔性测斜仪各测点累积沉降柱状图（2018年5月29日）Fig.8 Column diagram of accumulated settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall(29thMay,2018)

图9 心墙左岸2 641 m高程柔性测斜仪10 m、20 m、30 m、40 m测点沉降时间过程线Fig.9 Graphs of settlement by the measuring points whose distance from concrete cover are 10 m,20 m,30 m and 40 m of shape accel array on elevation 2 641 m on the left bank of core wall

图10 心墙右岸2 641 m高程柔性测斜仪IN-R2各测点沉降过程线Fig.10 Graphs of settlement by each measuring point of shape accel array IN-R2 on elevation 2 641 m on the left right of core wall

图11 心墙右岸2 641 m高程柔性测斜仪各测点累积沉降柱状图（2018年5月30日）Fig.11 Column diagram of accumulated settlement by each measuring point of shape accel array on elevation 2 641 m on the right bank of core wall(30thMay,2018)

图12 心墙右岸2 641m高程柔性测斜10 m、20 m、30 m、40 m测点沉降时间过程线Fig.12 Graphs of settlement by the measuring points whose distance from concrete cover are 10 m,20 m,30 m and 40 m of shape accel array on elevation 2 641 m on the right bank of core wall