杨房沟水电站拱坝安全监测设计

陈 锴，滕世敏，郑晓红

(1.国家能源局大坝安全监察中心，浙江 杭州 311122；2.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

1 工程概况

杨房沟水电站位于四川省凉山彝族自治州木里县境内的雅砻江中游河段上，是规划中该河段的第6级水电站，上距孟底沟水电站37 km，下距卡拉水电站33 km。总库容5.125亿m3，正常蓄水位2 094 m，电站总装机容量为1 500 MW，工程规模为大(1)型。

枢纽建筑物主要由挡水建筑物、泄洪消能建筑物及引水发电系统等组成。挡水建筑物采用混凝土双曲拱坝，坝顶高程2 102 m，正常蓄水位2 094 m，最大坝高155 m；泄洪消能建筑物为坝身4个表孔、3个中孔，坝后水垫塘及二道坝；引水发电系统布置在河道左岸，地下厂房采用首部开发方式，尾水洞布置在杨房沟沟口上游。

大坝混凝土于2018年10月30日开始浇筑，2020年12月17日全线浇筑到顶，2020年12月30日下闸蓄水。

2 安全监测系统设计原则

本工程拱坝安全监测设计原则[1]如下。

(1)全局性。从全局出发，既控制关键，又兼顾全局，综合考虑施工、蓄水和运行各阶段的需求，对关键和重要部位适当的重复和平行布置。

(2)针对性。根据建筑物特点、计算成果以及各阶段施工先后顺序，选择监测重点，在影响工程安全或能敏感反映工程安全运行状态的部位布置监测。

(3)统一性。从施工、蓄水和运行全过程考虑各部位不同时期监测项目的需求，监测项目相互兼顾，做到一项多用，并统一规划、分步实施。

(4)并重原则。遵循仪器监测、监测反馈分析与巡视检查并重原则。巡视检查与仪器监测互为补充，可有效弥补仪器监测覆盖面的不足，及时发现险情，系统记录现场情况。

3 安全监测系统的组成

本工程拱坝为1级建筑物，依据有关规范和结构布置等选择监测项目，主要包括变形、渗流、应力应变及温度、环境量、变形监测控制网等监测项目，具体见表1。

表1 杨房沟拱坝安全监测系统主要监测仪器

4 拱坝安全监测设计

4.1 环境量监测

环境量监测项目包括上下游水位、气温、降雨量及库水温监测。

在大坝5号、9号、13号坝段坝体上游坝面各布置1条水尺；在上坝上游左岸侧水位站测井的井身上布置1条水尺。同时，在左岸拱肩槽上游侧1 970～2 102 m高程段敷设1根水位观测管，内置渗压计，实现自动化监测。

在水垫塘左、右岸边坡各布置1条水尺，监测范围从底部1 948 m高程至顶部2 002 m高程。

在坝址附近空旷、平坦通风的草坪上设置1个气象专用百叶箱，内置自计气温计，并在大坝上游左岸侧坝前水位站的仪器房顶布置自计雨量计，实现自动化监测。

坝体混凝土温度测点(坝体温度计)可兼测大坝上游不同水深处的库水温。

4.2 变形监测

拱坝变形监测系统包括水平位移、垂直及倾斜、横缝开度、坝基接缝、谷幅弦长等。

4.2.1 水平位移

拱坝水平位移监测系统包括垂线监测系统、坝体表面水平位移及弦长监测。

垂线系统是监测水工建筑物水平位移的一种简便有效且成熟可靠的测量手段，其监测成果通常是评价坝体性态的重要依据之一[2]。根据拱坝变形特征及拱梁分载法计算成果，在拱坝共布设了5组垂线，基本按坝轴线弧长均匀布置，布置在5号、9号、13号坝段以及左右岸坝肩。坝体廊道系统共3层，分别位于2 054、2 005 m高程廊道及基础廊道，每组垂线与廊道相交处设有垂线观测房。正垂线的最高悬挂点设置于坝顶，并在每层廊道观测房内实现上、下垂线的分段观测，并实现测值的关联。

表面水平位移测点布置于坝顶及2 054、2 005 m高程坝后桥上，工作基点选用平面变形控制网中的坝后网点，采用交会法观测，与垂线监测成果相互校验。坝顶测点布置于坝顶下游侧，每坝段布置1个；在2 054、2 005 m高程坝后桥，每隔1～2个坝段布置1个。

此外，为监测拱圈弦长在两岸山体变形、水压力及温度荷载等综合因素作用下的变化情况，选择坝顶及坝后桥两岸侧的表面位移测点，观测两点之间距离作为弦长监测。

4.2.2 垂直位移

拱坝垂直位移监测系统包括静力水准系统、几何水准点、双金属管标及竖直传高系统。

静力水准系统易于实现自动化监测，系统成熟且可靠，几何水准法按一等水准测量要求施测、测量精度高，两种手段相互校验。在基础廊道每坝段布置1个水准点，在2 005 m高程廊道5号～13号坝段每坝段结合布置1个水准点和1台静力水准仪，在2 054 m高程廊道每隔1个坝段结合布置1个水准点和静力水准仪。此外，在坝顶的表面水平测点旁布置水准点。

在5号、13号坝段坝顶与2 054 m高程廊道之间坝体内各布置1套竖直传高系统，用于实现2个高程间的高程垂直传递及变形监测。

在右岸2 005、2 054、2 102 m高程灌浆排水洞内各布置1套双金属管标，位于静力水准系统端点处，并布置1个水准工作基点，为各高程上的静力水准系统及几何水准测量提供高程基准。

4.2.3 坝体横缝、坝基接触面开度

坝体横缝开度监测采用单向测缝计，其垂直安装于横缝缝面。根据拱坝结构及分缝布置、封拱灌浆要求，在每个灌区(9～12 m高)的各横缝间布置1～3支测缝计，其中在2 078 m高程以下灌区横缝上的距离坝体上游面2.5 m处、坝体下游面2 m处及坝体正中位置各布置1支测缝计，在2 078 m高程以上灌区横缝上的正中位置布置1支测缝计。

根据前期结构计算成果，在拱坝5号、7号、8号、9号、12号、14号坝段坝踵、中部及坝趾部位的的坝体与建基面之间接触面各布置1支单向测缝计，共布置18支，以监测坝基接接触面开合度变化情况，

4.2.4 坝基岩体变形监测。

为了解坝基岩体各阶段的变形情况，随坝基开挖过程中埋设基岩变位计。根据拱坝坝基断层、错动带等地质构造分布情况，选择在6号～17号坝段基础及断层f24、f2、f27、f62等结构面附近布置基岩变位计，其中在坝基中间的左岸断层f24、右岸断层f62和f2-3附近的竖直向、水平向各布置1套基岩变位计，在9号坝段坝基上游侧、下游侧各布置1套竖直向的基岩变位计，以监测不同深度、不同方向上基岩的变形情况。

4.3 渗流监测

4.3.1 坝基渗透压力监测

在拱坝坝基布设5个横向渗压监测断面，分别位于5号、7号、9号、11号、15号坝段，其中在5号、11号坝段坝基帷幕后布置1～2个测点，在7号、9号、15号坝段坝基帷幕前、后分别布置1个、2～3个，采用钻孔埋设支渗压计。

另外，在6号坝段坝基帷幕后的断层f529断层出露位置、6号坝段坝基帷幕前f27蚀变带范围布、在8号坝段坝基帷幕前f27蚀变带范围布置1～2个，采用钻孔埋设1支渗压计、孔内透水段需穿过相应部位的断层范围。

4.3.2 坝基扬压力监测

根据拱坝防渗帷幕及排水系统的设置方案，在基础廊道主排水幕线下游侧布设1个纵向渗压监测断，在断面3号～16号坝段每坝段中部附近(相邻排水孔中间)布置1测压管；测压管钻孔深入建基面以下1 m。

4.3.3 渗流量监测

坝体及坝基渗流量采用量水堰法监测。根据拱坝各高程廊道、左右岸灌浆排水廊道内的排水设计方案，在坝顶两岸侧灌排洞和2 102、2 054、2 005 m高程及基础廊道排水沟内分区布置量水堰，以分区监测不同范围的渗流量；并在基础廊道集水井前两侧排水沟内布置量水堰，以监测坝体及坝基总渗流量。

此外，在拱坝下游的左、右岸抗力体排水洞洞口排水沟内布置量水堰，以监测相应部位抗力体排水洞的渗流量。

4.3.4 绕坝渗流及地下水位监测

根据坝址水文地质条件、枢纽布置、渗控设施及绕渗区渗透特性，在左右岸2 012、2 054、2 005 m高程灌浆排水廊道内的帷幕后沿流线方向布置2～3个监测断面，测点主要分布在坝肩、帷幕灌浆端头及中间部位；在左右岸2 012 m高程帷幕灌浆平洞的帷幕前各布置1个测点；另外，在拱坝下游的左右岸抗力体排水洞内沿流线方向各布置3个测点，以监测蓄水对坝址地下水位的影响，了解是否存在明显的绕坝渗流情况，进而评价拱坝帷幕灌浆的防渗效果。

4.3.5 水质分析。

选取有代表性的排水孔、绕渗孔、测压管及洞室渗水点定期进行简易水质分析[3]。若有析出物、排水浑浊或有异味等，则需要进行全分析。通过分析，确定库区水、渗漏水及析出物的物理性质和化学组成，以掌握渗透水及析出物的来源及发展趋势[2]。

4.4 应力应变监测

(1)应变计布置。采用五向、九向应变计组并配合无应力计对坝体混凝土应力应变进行监测。根据坝体变形及应力计算成果并兼顾拱梁分载法的拱梁布置，测点主要布置在“5拱”、“3梁”部位上：选择在拱坝高程2 060、2 040、2 020、2 000、1 980 m处的5层拱圈上布设拱向监测断面，在5号、9号(拱冠梁)、13号坝段布设梁向监测断面(均为垂线坝段)；另外在坝基应力较大部位增设混凝土应力测点并单独布置。拱向监测断面在距上游面2 m处、距下游面2 m处各布置1支无应力计和1组五向应变计组；梁向监测断面2 080、2 060 m高程因相对较窄，与拱向对应布置，并在上述部位外的坝体中间位置增设无应力计和九向应变计组；除梁向监测断面外坝基均采用3组九向应变计组监测，布置于距上游面2 m处、距下游面2 m处和坝体中间处。

(2)压应力计布置。坝基压应力采用压应力计监测。根据结构计算成果，选择在坝基压应力较大部位的典型岸坡及河床坝段建基面布置压应力计，其中在河床8、9号坝段坝基顺河向的坝踵、中部和坝趾处各布置1支，在11号坝段中部、坝趾部位各布置1支，以监测相应部位坝体混凝土与建基面岩体之间接触部位的压应力(梁向、拱向)情况。压应力计与坝基接触面测缝计结合布置，两者监测成果可相互验证并进行对比分析。

4.5 温度监测

(1)温度荷载是拱坝结构设计中的一项主要荷载。温度监测是为了掌握坝体温度场和温度变化情况，施工期用于混凝土温控、确定拱坝封拱灌浆时间及防止产生温度裂缝，运行期可研究温度对坝体变形、应力及坝肩稳定的影响[3]。选择在拱坝1 954、1 970、1 985、2 000、2 015、2 030、2 045、2 060、2 075、2 090 m高程处的共10层拱圈上布置坝体温度计：在坝体2 000 m高程及以下范围各层布置4支温度计，分别埋设于坝体距上游面0.1 m处、距下游面0.1 m处、另2支均匀布置在中间位置；在坝体2 000 m高程以上范围内各层布置3支温度计，分别埋设于距上游面0.1 m、坝体正中、距下游面0.1 m。

(2)坝基岩体温度采用钻孔埋设温度计组进行监测。在拱坝5号(左岸约1/4拱弧坝段)、9号(拱冠梁坝段)、13号坝段(右岸约1/4拱弧坝段)坝基部位各钻孔埋设3支温度计(不同深度)，钻孔垂直于建基面，以监测坝基不同深度岩体温度变化情况。

4.6 强震动监测

本工程区域地震基本烈度为Ⅶ度，抗震设防类别为甲类，设计烈度采用8度，拱坝设计地震以100年为基准期，超越概率为2%确定设计概率水准，相应的地震水平加速度为302.4gal[4]。按规范要求应进行结构反应台阵的强震观测设计。

拱坝强震动采用强震仪(三向加速度计)进行监测，以拱坝结构反应台阵为主：在沿拱冠梁的4个不同高程(坝顶、2 054 m高程廊道、2 005 m高程廊道、1 955 m高程廊道)各布置1台强震仪，以求其动力放大位数；在拱坝1/4坝顶及基础廊道内布置3台强震仪，以求其地震运动相位和振型；在拱坝的左、右岸坝肩各布置1台强震仪，以求大坝的地震输入。另外，在距离坝址约2倍坝高距离的大坝下游布置1台强震仪，以观测坝址区河谷自由场的输入地震地。

5 监测自动化系统设计

由于本工程监测系统测点多、覆盖面广，施工期、运行期监测期长，只有建立比较完善的安全监测自动化系统，才可能及时进行数据采集、分析处理，快速提供反馈信息，及时掌握各建筑物的工作性态，为工程下闸蓄水及运行期的安全运行提供保障。

本工程监测自动化系统采用分布式、多级连接的网络结构形式，传输方式采用光纤环网，并基于TCP/IP协议进行数据传输等。现场监测站内采用RJ45网络连接口实现内部串联，各现场监测站之间、现场监测站与监测管理站之间直接采用光纤环网通信。整个系统具备GPS网络授时功能，确保整个自动化系统(包括强震子系统)时钟统一[5]。

拱坝监测自动化系统是枢纽区监测自动化系统的主要子系统之一，施工期独立建设，以满足下闸蓄水后拱坝性态及时监测的需要，后期接入枢纽区系统进行统一管理。在蓄水前完成拱坝2 054 m高程以下的监测仪器设备接入监测自动化系统。受限于现场条件，现场采用半自动化监测，即数据自动采集装置每天采集1次，定期由人工收集装置内的数据，人工导入服务器内。

6 监测系统主要特点

(1)拱坝变形监测系统由5组垂线、表面变形测点组成水和2条静力水准系统、2套竖直传高系统、3套双金属管标和几何水准点组成；采用单向测缝计监测坝体横缝、坝基接缝开合度；采用基本变位计监测坝基岩体变形；采用坝基渗压计、测压管监测坝基渗压和扬压力；采用采用五向、九向应变计组并配合无应力计监测坝体应力应变等。对坝体关键和重要部位适当进行冗余和平行布置，并采用多种手段联合监测。

(2)监测设计和实施过程紧密结合了坝基开挖支护、坝体混凝土浇筑的施工工艺、进度，提升了与土建施工间的协调与配合，加强了施工期仪器及其电缆的保护措施设计和要求，全过程重视仪器设备的完好率。

(3)坝体混凝土温度控制、坝体横缝开度变化等施工期安全监测结果可及时反馈给设计方和施工方，为坝体温控、确定最佳封拱灌浆时间提供了可信的依据，并能准确地评价灌浆效果，有效地指导了工程施工。

(4)在监测系统的设计及施工过程中，也及时根据工程需要及时进行了调整和优化，在对优化接缝灌浆时机和方法、温控措施等方面发挥了积极作用。

7 结 语

杨房沟拱坝安全监测系统设计方案符合现行相关规范要求，满足施工期、蓄水期及运行期工程安全监测的需求，并紧密结合施工过程中结构布置改变及施工工艺的优化改进等实际情况，对监测项目和手段进行了动态的调整，对重点监测部位(如坝基f27断层、坝基岩体压缩变形、坝体横缝开度)加强监测措施，在一定程度上也能指导施工和验证设计，在掌握拱坝运行性态、评价施工质量等工作中发挥了重要作用。