新疆某平原水库放水涵洞安全监测系统分析研究

阿布都沙拉木·托尔逊，曹 锐

（新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

1 工程概况

某水库是尾部调节平原水库，位于阜康与米泉市交接处，距阜康市城西北10.0 km，水库工程主要由大坝、放水（兼放空）涵洞、入库建筑物组成，水库总库容2.81亿m3，属大（2）型水库，工程等别为二等。

放水兼放空洞布置在中坝段上，为坝下埋管。进水口为开敞式进水口，洞身段为城门洞型双孔，纵坡为1/200，单孔设计流量为25 m3/s，为无压涵洞。由进口引渠段、闸井段、洞身段、明槽、陡坡段、消力池段、供退水闸、退水渠等组成。涵洞坐落在低液限粉土地基上，为改善地基承载力，减少结构物沉降，设计采用了砾质土换填方案。闸井段换土深度10 m，洞身段换土深度11 m，砾质土换填厚度沿坝轴线方向用缓坡过度，解决了在坝轴线方向的不均匀沉降。涵洞洞身段桩号为洞0+023.5～洞0+093.5,全长为70 m，洞底板设计高程为480.00 m～479.65 m，底板纵坡为1/200。采用180°顶拱，直墙高3.3 m的城门洞形断面。洞0+023.5～洞0+030.5段，孔口尺寸3 m×5.3 m～3 m×4.8 m； 洞 0+030.5～洞 0+093.5段，孔口尺寸3 m×4.8 m。 洞身段每7 m设一道结构缝，缝宽3 cm，内设一道紫铜止水和一道橡胶止水，相邻洞身结构分缝处下设基础垫梁（图1）。

图1 放水（兼放空）涵洞纵剖面图

2 放水涵洞监测仪器布置

考虑到涵洞的特殊性并结合工程实际，本工程设置了涵洞与坝体接触部位变形观测、结构缝变形监测、渗透压力观测、土压力观测等观测项目（图2）。

图2 放水涵洞监测仪器布置图

2.1 涵洞渗流观测

涵洞渗流观测，是监测沿涵洞轴线方向的渗流情况，在沿涵洞轴线重点的结构缝周围布设了6个观测断面，每个观测断面上有6支孔隙水压力计，共计36支GKD型振弦式孔隙水压力计。（在涵洞断面上、下、左、右和左右上角各一支）。目前实现自动化监测，每日进行两侧监测。

孔隙水压力计的工作原理：GKD型振弦式孔隙水压力表由透水板、承压膜、钢丝绳、支架、线圈、壳体和传输电缆组成。振弦式孔隙水压力计将振弦与敏感的压力膜片相连。当孔隙水压力通过可渗透板传递到仪器的内腔并作用在压力膜片上时，压力膜片和振弦会一起变形。振弦固有频率的变化可以将液压转换成等效频率信号并进行测量。

式中：U—孔隙水压力，KPa；

K－传感器系数，其数值与承压膜和振弦的尺寸及材料性质有关，由室内标定给出，KPa/Hz2；

f0—零大气压力下振弦的振动频率，Hz；

fi—某一个时刻的渗透水压力U作用下的振弦的振动频率，Hz。

2.2 涵洞与坝体接触部位变形

放水兼放空涵洞是钢筋混凝土结构，用来输水和放空水库，因为刚性建筑物穿过坝体，放水涵洞与坝体接触的部位容易产生差异变形，所以在涵洞轴线方向布设位移计观测坝体和涵洞相对变形是很重要的一项观测项目。根据涵洞结构，分别在洞0+037、洞0+058和洞0+079，设了3个观测断面，在每个观测断面设置4组双向位移计，共计24支位移计，此外在涵洞0+079断面增设一组两支位移计，其编号为 TS1-1、TS1-2～TS12-1、TS12-2， TS13-1 和TS13-2。

涵洞与坝体接触部位的变形采用TS型位移计观测。TS型位移计既可单支埋设，亦可组合埋设，可用于测量坝体内任何方向的位移。涵洞与坝体接触部分即采用两支位移计成组埋设的方法来观测涵洞与周围土体之间的水平位移和剪切位移。TS型位移计读数测量可借助于TS型位移计读数仪进行。其位移量的计算公式如下：

式中：di—i时刻实测位移量，mm。

k—仪器系数，mm/mV；

V0—埋设时电压，mV；

Vi—i时刻的实测电压，mV。

2.3 涵洞结构缝变形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，因地基变形而出现涵洞变形主要反映在涵洞结构缝变形上，因此涵洞结构缝变形观测很有必要。沿涵洞轴线布设3个观测断面，每个断面设有2个测点，测缝计布置在结构缝下面，共6支仪器，编号为J1～J6。断面桩号分别为洞0+037.5、洞0+058.5和洞0+079.5

测缝计实际上就是单支埋设的TS型位移计，埋设时将其两端分别锚固于结构缝两侧的钢筋混凝土内，使其横跨结构缝，从而观测结构缝的张开与闭合情况。其位移量的计算公式同前述TS型位移计。

2.4 土压力监测

土压力监测是指放水涵洞和周边土体的接触情况的监测，为了监测涵洞和周围土体的接触情况，沿涵洞轴线洞0+037、洞0+058和洞0+079这3个断面布置了界面式土压力计，观测断面桩号和位移计相同，即每个断面埋设6支土压力计，共计18支。

土压力计的埋设方法是：在涵洞混凝土浇筑前预埋土压力计模盒，模盒直径略大于土压力计直径，埋设仪器前将模具取下，然后将土压力计安装就位，将承压面朝向填土面，埋设时还应注意保证土压力计的承压面与混凝土面齐平。

土压力计的传感器为振弦式仪器，计算方法可参考上述振弦式孔隙水压力计的计算方法：

土压力监测原理

式中：σs—土压力计实测的应力，MPa；

fs—土压力计的最小读数（灵敏度）；

ΔZ—以变形前所观测的电阻比Z0为起点计算的变形引起的电阻比增量，ΔZ=Z-Z0；

ΔT—以变形前所观测的温度测值T0为起点计算的变形后的温度增量，ΔT=T-T0；

bs—差动仪器的温度修正系数（温度补偿系数）。

按下式计算温度

式中：T—差动仪器埋设点的温度；

RT—差动仪器的电阻值，通常称为温度电阻，Ω；

α'—差动仪器0 ℃以上的温度常数；

α"—差动仪器0 ℃以下的温度常数；

R0'—差动仪器0 ℃时的计算电阻。

3 监测资料分析研究

3.1 渗流观测成果

（1）根据渗流监测资料，所有坝体上游侧的渗压计监测得出，坝体各断面渗流基本稳定，随着库水位的变化而变化，与库水位成正相关，变化有一定的滞后时间，基本符合坝体内部渗流水头逐渐减小的趋势，坝体排水通畅。

图3 渗流观测（2016-4-1～2021-5-1）

（2）经渗流计算，坝体下游坝坡坡脚排水体最大破坏比降为0.07，小于允许的破坏比降0.1；坝基最大破坏比降为0.11，小于允许的破坏比降0.45；出逸点渗透比降均小于根据试验成果给出的允许渗透比降，即大坝坝体不会发生渗透破坏。坝基渗透比降也均小于坝基允许比降，即坝基不会发生渗透破坏。可以初步判断坝体渗透破坏的可能性相对较小。

（3）大坝年渗漏量在20.9万～34.5万m3之间。经渗流计算，大坝年渗流总量为52.22万m3，占总库容的0.19%，水库渗漏量较小，大坝渗流稳定、正常；放水涵洞没有渗水现象。

3.2 涵洞与坝体接触部位位移计监测数据成果分析

多年来，施工期及蓄水初期涵洞与坝体接触部位位移计监测数据增长较大，运行后期测值稳定，具体成果分析如下：

（1）施工期，各位移计的测值都随涵洞周围填土的上升而增大，位移计测值过程线与填筑过程线相关性良好。无论是剪切位移还是水平位移，在相同断面和相同高度的涵洞两侧的两个位移计所测量的位移都比较接近。一方面，表明涵洞两侧的土壤位移的对称性，另一方面，也表明测量值的可靠性。

（2）大坝施工完成后，每个测量点的位移过程线趋于稳定，但水库开始蓄水后的前3年，大部分位移计的测值出了不同程度的增长量，这表明水库蓄水对涵洞与周围土体之间的变形影响比较明显。3年后，位移计变化很小，说明涵洞与周围土体之间的变形受库水位的影响变小，基本保持稳定。

图4 移位监测（2014-4-1～2021-5-1）

（3）剪切位移的增长速率和量值都比水平位移大，说明涵洞和周围土体间的位移以剪切为主。

3.3 涵洞结构缝变形

由于涵洞坐落在低液限粉土地基上，地基变形的影响主要反映在涵洞结构缝上，所以结构缝观测很有必要的。根据多年的结构缝变形观测数据来看，水库蓄水后测缝计监测数据比较小，蓄水对结构缝变形影响很小，各测缝计测值变化甚微。J4与J6测缝计工作正常，全年变化不超过0.03 mm。涵洞各测点位移过程线在大坝填筑施工完后趋于稳定。

3.4 土压力计监测成果分析

施工期，土压力测值随上部填土厚度增大而增大，其测值和仪器上部填土厚度相关性明显，表明土压力测值和其上部填土荷载有关。从稳定后的结果来看，3个断面的土压力值，均是埋设于底部监测侧向压力的测点数值最小，顶部监测上覆土体自重应力的测点次之，而以中部倾斜埋设的测点数值最大，这说明土压力测值受填土厚度和观测方向综合影响，结果符合一般规律。

图5 涵洞测缝计（2016-4-1～2021-5-1）

图6 洞0+037土压力计监测（2014-4-1～2021-5-1）

4 结语

本文介绍了某坐落在低液限粉土地基上放水涵洞的工程特点并根据工程特点采取的渗流观测、涵洞与坝体接触部位变形、涵洞结构缝变形、土压力计监测等安全监测手段。并根据多年的监测数据结合水库调度运行和巡视检查等运行管理数据进行了分析研究，初步判断水库大坝和放水涵洞运行状态。

根据监测结果来看水库渗漏量较小，大坝渗流稳定、正常；放水涵洞没有渗水现象；位移计变化很小，涵洞与周围土体之间的变形受库水位的影响变小，基本保持稳定；涵洞段结构缝测缝计工作正常，全年变化不超过0.03 mm。

综合以上分析，大坝监测设备齐全，坝体的监测资料齐全，监测资料变化规律正常，测值在规定的允许值内，运行过程中无异常情况，大坝安全性态正常。