某严寒地区碾压混凝土重力坝安全监测设计

吴立兴 张猛

新疆某水利枢纽工程主要由拦河坝、泄水建筑物、放水兼发电引水建筑物、坝后式电站厂房和过鱼建筑物等组成，为Ⅱ等大（2）型。拦河坝为碾压混凝土重力坝，最大坝高75.5 m，坝顶总长372.0 m，共分为21个坝段。电站装机27.6 MW。水库总库容2.94亿m3，通过库容调节，彻底解决河道断流及其带来的一系列生态问题。

工程地处严寒区，多年平均气温3.6℃，极端最高气温40.9℃，极端最低气温-42.0℃。工程周边地区地震活动强烈，具有频度与强度均较高的特点，距下坝址约600 m乌伦古河断裂（F11）为活动断层，坝址区地震动峰值加速度为0.20g。

1 安全监测设计目的及原则

安全监测设计以监控各建筑物在施工期、蓄水期和运行期的安全为主要目的，同时兼顾反馈设计、优化施工等需要。监测设计遵循以下原则：

（1）监测布置突出重点，兼顾全面。根据工程地质条件、结构特点，选择重点部位进行重点监测，并兼顾一般部位，形成全面完善的监测网络。

（2）监测系统力求性能可靠，操作简便。此外，还应具有先进性、经济性和长期稳定性，能反映出当前大坝安全监测的技术和水平。

（3）施工期与运行期全过程监测。监测仪器尽可能在施工期开始监测，满足工程施工期与运行期各阶段的监测要求。

（4）重点监测项目多种手段互相校验。对重点部位的重点监测项目采用多种监测手段互相校验，以便在资料分析时互相印证。

（5）自动化监测与人工监测相结合。施工期以人工观测为主，在运行期以自动化监测为主。

（6）仪器监测与人工巡视检查相结合。

2 监测内容

按照相关规范[1]，本工程主要对拦河坝、消力池、压力管道及岔管、坝后式电站厂房和建筑物边坡等进行监测。考虑工程地处严寒、强震地区，坝体混凝土应力状况复杂、施工期温控要求高，因此重点对坝体的变形、渗流、应力应变及温度以及地震反应进行监测，同时兼顾一般监测部位和项目，并对影响效应量变化的环境量进行监测。

3 监测布置

3.1 环境量监测

环境量监测主要是对大坝作用量的监测，根据工程建筑物级别及工程结构特点，主要设置水位、水温、气温、降雨量监测项目。

3.1.1 上、下游水位监测

在拦河坝上、下游静水区域便于观测的位置分别布置水尺监测水位，同时布置1支水位计实现自动化监测。

3.1.2 水温

在上游坝面保温层外的温度计进行监测。

3.1.3 气温监测在拦河坝坝顶设置1个气温监测点，采用自记温度计进行监测，温度计布置在专用百叶箱内。

3.1.4 降雨量监测

在坝顶开阔区域布置1套雨量计，监测库区降雨量。

3.1.5 坝前淤积监测

在水库蓄水前进行原始地形测量，水库蓄水后每年的汛前和汛后进行水下地形测量监测坝前淤积。

3.2 变形监测控制网

变形监测控制网包括平面位移监测控制网和垂直位移监测控制网，分两层次进行布置，第一层次为基准点网，第二层次为工作基点网。

3.2.1 水平位移监测控制网

水平位移监测网坐标系与电站施工坐标系一致，根据坝址区地形地质和枢纽各建筑物布置情况，初步建立覆盖枢纽建筑物、边坡等部位的工作基点2个，基准点2～4个。水平位移监测网采用GNSS完成初始值观测和校测工作，布设如图1所示。

图1 变形监测网布置简图

3.2.2 垂直位移监测控制网

垂直位移基准点由3个基岩标组成，布置在大坝下游1 km以外区域稳定新鲜的岩基上，作为拦河坝、厂房等建筑物垂直位移测量的基准。工作基点布置在拦河坝、厂房等建筑物附近地质构造较好、新鲜稳定的基础上，其中拦河坝附近和厂房附近各设2个工作基点。

3.3 拦河坝

根据工程地质条件和结构型式，在拦河坝最大坝高处的10#和14#坝段布置2个重点监测断面，在左、右岸坡6#和18#坝段布置2个一般监测断面，重点监测断面包括变形、渗流、应力应变及温度监测，一般监测断面以变形和渗流监测为主。此外在坝体表面、坝体与岸坡及基础交界部位、坝体基础内布置监测仪器进行全面监测。典型重点监测断面布置如图2所示。

图2 拦河坝重点监测断面布置图

3.3.1 变形监测

3.3.1.1 水平位移

水平位移采用引张线结合正、倒垂垂线组的方法进行监测。在坝顶和坝基廊道内各布置1条引张线，两坝肩1#和21#坝段分别布置正、倒垂线组，作为坝顶引张线的基准点，在11#和15#坝段分别布置1条正、倒垂线组，坝体每级廊道分别设测点，作为坝基引张线的基准点，引张线历经坝段各设1个测点。坝顶引张线采用浮托式引张线，坝基廊道内引张线采用无浮托式引张线。正、倒垂线组作为引张线基准点的同时，监测所在坝段的坝体和坝基水平位移。

在布置垂线组的坝段和部分典型坝段顶部各设置1个表面水平位移监测点，用交会法监测各坝段水平位移，与垂线与引张线测值进行比对和校验。

3.3.1.2 垂直位移

坝体和坝基的垂直位移采用精密水准法监测。坝顶和坝基每个坝段结合水平位移测点分别布置1个垂直位移测点，在坝顶两岸稳定基岩上各布置1个岩石标工作基点，另外在基础廊道布置1套双金属管标工作基点。基准点布置在坝下1 km以外稳定新鲜的岩基上。

3.3.1.3 坝基倾斜

在每个重点监测断面和一般监测断面的基础横向廊道内沿上、下游方向在坝踵、坝中和坝趾位置各布置1个垂直位移测点，用精密水准法监测坝基倾斜变形。

3.3.1.4 基岩变形

基岩变形采用基岩变形计进行监测。在每个重点监测断面和一般监测断面坝踵及坝趾分别布置1套基岩变形计，监测基础岩体变形。

3.3.1.5 接缝开合度

接缝开合度采用测缝计监测，主要对坝体横缝、坝体与基岩及坝肩岩体接缝的开合度。

在重点监测断面各选择2个横缝，一般监测断面各选择1个横缝，每个横缝分别在坝基、坝中和坝顶高程附近各布置1支测缝计监测诱导缝变化。

在坝体与两岸坡连接位置各布置3支测缝计，分别布置在坝基、坝顶高程附近和建基面高程突变位置，监测接缝开合度变化。

在每个重点监测断面和一般监测断面的坝踵及坝趾与基岩接缝位置各布置1支竖向测缝计，在坝体与上游岩体接缝位置各布置1支测缝计，监测坝体与坝基及上游岩体的接缝开合度变化。

在导流底孔与封堵混凝土接缝之间沿上、下游方向布置2个监测断面，每个监测断面布置4支测缝计监测封堵混凝土与坝体之间的开合度变化情况，同时在施工期用于指导灌浆施工。

3.3.2 渗流监测

3.3.2.1 坝基扬压力

坝基扬压力采用渗压计和测压管结合进行监测。在拦河坝布置4个横向渗流监测断面和1条纵向渗流监测断面。每个横向在灌浆帷幕前布置1支渗压计、在灌浆帷幕后沿水流方向在坝基布置3～4支测压管。纵向监测断面布置在灌浆帷幕后第一道排水幕线上，在每个坝段各布置1根测压管，测压管内安装渗压计，以实现自动化监测。

3.3.2.2 坝体渗透压力

坝体渗透压力主要监测碾压混凝土的层间渗透压力，采用渗压计监测。在拦河坝重点监测断面正常蓄水位以下966.0、986.0 m高程附近的混凝土浇筑缝，分别在上游坝面与坝体排水管之间布置5支渗压计，监测混凝土的层间渗透压力，评价混凝土的施工质量和防渗效果。

在导流底孔与封堵混凝土接缝之间沿上下游方向布置2个监测断面，每个监测断面布置4支渗压计监测封堵混凝土与坝体之间的渗透压力。

3.3.2.3 绕坝渗流

绕坝渗流采用测压管监测。沿流线方向，在拦河坝右岸布置2个监测断面。由于拦河坝左岸存在单薄山体，在拦河坝左岸布置6个监测断面，断面布置在灌浆帷幕折线位置和断层位置附近。每个监测断面分别布置2～3个测点，其中帷幕前各设1个测点。

3.3.2.4 渗流量

渗流量监测采用量水堰监测。在基础廊道上、下游侧排水沟与渗漏集水井交汇位置前端布置4套量水堰，在坝体994.0 m高程排水廊道的各个出水口位置各布置1套量水堰，监测坝基和坝体渗流量。

3.3.2.5 水质分析

在量水堰堰口、渗流出口等部位取得水样与库水样做相同项目分析。水质分析主要进行简分析，分析项目包括水温、色度、混浊度、气味、pH值等。

3.3.3 应力应变及温度监测

3.3.3.1 应力应变

为监测坝体应力的分布情况，在拦河坝每个重点监测断面坝基附近966.0 m高程和上游坝面转折部位986.0 m高程附近各选择2个水平监测截面，每个监测截面在上、下游坝面附近及坝体内布置3～4组五向应变计组，每组应变计组附近同时布置1支无应力计，监测坝体混凝土应变。

在底孔、表孔和导流底孔等部位分别布置一定数量的钢筋计和应变计，监测局部结构应力应变。

3.3.3.2 温度

通过坝体的温度监测可以了解坝体温度场的分布和温度对坝体表面及坝体内部应力变化的影响，并检验施工期温控措施和运行期保温措施的效果。

在坝体每个重点监测断面按照10 m左右间距网格布置温度计，温度计结合坝体应变计组布置，有应变计组的位置不再布置温度计。上游坝面位置的温度计在水位变动区域测点适当加密，此外在上游保温层以外与坝面保温层内对应布置一排温度计，以检验保温层的保温效果，并在水库蓄水后监测库水温。

每个监测断面基础坝踵和坝趾位置分别钻孔安装4支温度计，布置在基岩面以下8 m范围内，监测坝基温度。

3.4 消力池

消力池主要进行垂直位移、扬压力和锚杆应力监测。

3.4.1 垂直位移监测

垂直位移采用精密水准法测量，在消力池两侧边墙各布置4个垂直位移测点，工作基点与电站厂房共用。

3.4.2 扬压力监测

消力池扬压力采用渗压计监测。在消力池底板下设1个纵向扬压力监测断面和2个横向监测断面。纵向监测断面布置在中心线上，沿水流方向在底板下布置4支渗压计。横向监测断面布置在消力池中间部位和末端部位附近，每个监测断面在左、中、右底板位置共布置3支渗压计。

3.4.3 锚杆应力监测

在水垫塘设2个纵向监测断面，每个监测断面在底板选择5支锚杆布置锚杆应力计，监测锚杆应力。

3.5 压力钢管及岔管

压力钢管及岔管主要进行开合度、管道外水压力和应力应变监测。

3.5.1 开合度监测

开合度监测主要监测钢管与周围混凝土缝隙变化，采用测缝计监测。在压力钢管和钢岔管部位各选择1个监测断面，每个断面各布置4个测点进行监测。

3.5.2 外水压力监测

在压力钢管选择两个监测断面，每个断面各布置4支渗压计，监测压力钢管周围外水压力。

3.5.3 应力应变监测

在开合度监测断面位置同时监测钢板应力，每个断面在压力钢管四周分别布置1组两向钢板计，并在钢岔管外焊缝附近布置8～9组两向钢板计，监测钢板应力。

3.6 电站厂房

电站厂房主要进行垂直位移、接缝开合度和扬压力监测。

3.6.1 垂直位移监测

垂直位移采用精密水准法测量，在厂房下游侧尾水平台和厂房结构缝等位置设6～10个垂直位移标点，在厂房附近稳定基岩位置布置2个工作基点，水准基点与坝体共用。

3.6.2 开合度监测

在厂房结构缝之间及厂房与基岩接触面共布置16～18支测缝计，监测接缝开合度变化。

3.6.3 扬压力监测

在厂房2#机组和安装间中心线位置建基面分别布置1个扬压力监测断面，每个监测断面在底板下沿水流方向各布置4支渗压计，监测厂房基础扬压力。

3.7 边坡变形监测

边坡变形监测包括表面变形和内部变形监测[2]。表面变形采用交会法观测，根据边坡开挖情况，在坝体和鱼道等建筑物边坡布置一定数量的表面变形测点，工作基点纳入外部变形监测网。内部变形采用多点位移计监测，测点结合表面变形测点布置。

另在坝址下游F11活断层附近的上盘和下盘位置分别布置3个表面变形监测点，监测活断层可能发生的相对变形，采用GNSS进行监测。

3.8 水力学监测

在表孔和底孔各布置1个监测断面，分别布置8支脉动压力传感器进行监测。

3.9 地震反应监测

工程处于地震活动强烈地区，为监测强震对工程造成的影响，设置结构反应台阵。采用强震仪监测，每台强震仪含3分向拾振器。在溢流坝段和右岸非溢流坝段各布置1个监测断面，每个断面的基础廊道和坝顶分别布置1个测点，另在距离坝址下游350 m左右自由场布置1个测点，进行坝体及场地地震反应监测。

3.10 巡视检查

从施工期到运行期，拦河坝及其附属建筑物，均应定期进行巡视检查。具体巡视检查项目及要求按照《混凝土坝安全监测技术规范》SL 601—2013及相关设计要求进行。

4 监测自动化

安全监测自动化系统采用分布式网络结构，由监测站及中心监测站组成，各现场监测站之间及现场监测站与中心监测站之间采用双绞线进行通信，基本框架如图3所示。

图3 监测自动化系统结构框图

各现场监测站内设置数据采集测控单元（MCU），具有自动采集、信号转换和输出功能，同时结合工程特点满足防雷、防寒等功能要求。中心监测站内设置工控机、服务器及辅助设备，具有数据采集、数据存储、管理与分析、检索查询、异常报警等功能，并能将监测数据进行远程上传。

5 针对性设计

为适应严寒、强震等工程条件，设计过程中采取了以下针对性措施，监测大坝工作性态和保证监测系统正常运行。

（1）在上游保温层内、外沿不同高度对应布置温度计，检验保温层的保温效果。

（2）坝顶引张线安装在预留沟槽内，加盖防风盖板，测点采用变压器油作为浮液解决低温结冰问题，并在测点装置设置保温棉进行保温。

（3）工程设置结构反应台阵，监测强震对工程造成的影响，并在坝址下游活断层上、下盘对应布置3组变形监测点，监测活断层可能发生的相对变形。

6 结 语

安全监测设计是一个动态过程，随着工程的进展将进行全过程跟踪设计优化，结合工程基础揭露的地质条件逐步完善渗流和变形监测布置，以达到实用和可靠的目的，满足工程安全运行的需要。

本水利枢纽工程地处严寒、强震地区，拦河坝为碾压混凝土重力坝，结合环境条件与碾压混凝土施工特性，强化仪器埋设与保护技术措施，对监测系统的功能与正常运行极为关键。