沥青混凝土心墙堆石坝阵列式位移计安装探讨

唐 茂 刚， 董 阳， 王 麒 璘

(1.华电金沙江上游水电开发有限公司苏洼龙分公司，四川 成都 610041；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650033)

1 概 述

国内堆石坝采用水平固定式测斜仪预埋安装进行坝体沉降变形已有多起工程实例[1]，因常规监测手段的局限性，只能监测沥青混凝土心墙与周边细过渡料在竖直向的变形，而其水平向位移却无法观测。考虑到苏洼龙坝址河谷较为开阔，覆盖层深厚，坝基置于覆盖层上，坝高超过100 m，且库区容积较大[2]，相应对沥青混凝土心墙产生的压力就大，因此，对沥青混凝土心墙进行水平向监测是一项主要的监测项目[3]。

利用阵列式位移计监测沥青混凝土心墙变形的实例应用不多，安装埋设无成熟的经验，需作进一步的实践探索，以便更好地发挥仪器的正常功能。

在综合考虑监测要求后，选定采用安装阵列式位移计进行多维度变形监测系统方案，作为心墙在水平向的监测手段。具体在主监测断面(坝0+268.00 m)和辅助监测断面(坝0+368.00 m)的心墙下游侧30 cm处均设置1套阵列式位移计，底端位于廊道顶部混凝土内，埋设位移计观测初始值。共设置2套阵列式位移计，总长208 m。由一系列角度传感器首尾相连组成串行阵列，安放于测斜管中，每套208个传感器间隔0.5 m。

2 阵列式位移计安装的影响因素

在阵列式位移计安装过程中，仪器厂家的选择和仪器的保护是成功的关键[4]，针对问题必须制定相应的应对措施。

2.1 阵列式位移计选择

采用SAA阵列式位移计，SAA是ShapeAccelArray的缩写，它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，由三段连续轴、微电子机械系统(MEMS)加速度计[5]组成。SAA部件、术语对照见图1。每段轴有一个已知的长度，一般为30 cm、50 cm。

图1 SAA部件、术语对照示意图

SAA阵列式位移计使用一组密实的微电子机械系统加速度计阵列和经过验证的计算程序测量2D、3D变形。无优先轴，可自由弯曲，安装方式多样，可以竖直安装、水平安装或环形安装。所选择阵列位移计有以下优势：

(1)温区补偿，数据稳定：SAA阵列位移计采用MEMS微机电系统，通过高度集成完美地消除了轴系间的误差，采用温区补偿模型消除温飘，保证数据采集的稳定。

(2)方向准确，精度可靠：位移分辨率每节(500 mm)最高可达0.005 mm。

(3)扭转算法，偏量校正：SAA阵列位移计，采用专业的扭转校正模型，对扭转引起的变形量进行修正。抗扭转校正功能，是在深部发生变形时，一般不会是一个方向受力，可能是多个方向受力的结果。在变形的过程中，有可能导致测斜管[或阵列式位移计(柔性测斜仪)等监测传感器都是安装在测斜管内]发生上半部分、下半部分或者整体的扭转、旋转。如果发生这种情况，设备放在测斜管里面会随着测斜管的扭转而发生扭转，这样，角度就会发生变化，因传感器是根据角度来测算变形量，会使计算具有非常大的误差，结果极不准确。SAA阵列位移计独特的抗扭转校正功能，可以把真实的变形量和扭旋引起的变形量剥离开来，分开计算，有效保障了深部位移测量的准确性。

(4)在线传输，实时分析：现场安装完成接通电源，即可实现云平台数据回传与分析。

(5)二次开发，平台兼容。①测量原理(图2)。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(30 cm或50 cm)，每段SAA的变形Δχ便可以完全确定出来, 即Δx=θ·L，再对各段算术求和∑Δx，可得到距固定端点任意长度的变形量x。②数据采集方式。通过SAAUSB直接连接电脑(图3)，采集数据，导入数据处理计算软件，可直接取得成果，后期可直接接入自动化监测系统。

图2 测量原理示意图

图3 SAAUSB直接连接电脑

2.2 仪器保护

阵列式位移计安装埋设于沥青混凝土心墙下游侧30 cm处，而大坝心墙填筑施工工艺为：先对心墙上下游两侧细过渡料进行铺填40 cm，然后使用摊铺机在心墙上进行沥青混凝土铺填35 cm，随后利用3 t振动碾进行8次碾压。因阵列式位移计为整套组装连接，此过程涉及到碾压时对阵列式位移计的干扰。为保证阵列式位移计传感器完好，采取了以下措施：

(1)采取立式支架立于过渡料层旁约2 m处，给3t振动碾留出富裕行进空间，随着心墙及过渡料填筑逐层上升，在每填筑二层(60 cm)将传感器(50 cm)接续一节，支架抬升后未碾压区域使用打夯机进行压实，确保阵列式位移计周边填筑料密实度达到设计值。

(2)立式支架立于过渡料层水平段2 m槽坑，采用高强度φ150 mmPPR管进行保护，防止阵列式位移计传感器在摊铺机铺料和振动碾压过程中被损坏。

3 阵列式位移计安装技术方案

3.1 埋设准备

埋设前在空旷区域将阵列式位移计展开，采用直径略大于传感器的PVC管每节50 cm与节点对应，穿入传感器上，然后重新绕盘，运至安装部位。此项工作可为后期仪器埋设节省大量时间，也是监测数据可靠性和有效性的保障。

3.2 基准施工

3.2.1 垂直钻孔

在监测剖面坝基廊道顶部混凝土基座垂直钻孔，具体位置根据施工图纸确定，钻孔位于心墙下游侧30 cm处，孔径为Φ76 mm，有效孔深不小于2.0 m。钻孔完成后，采用钢盖板封闭孔口，待沥青混凝土心墙底座填筑完成后进行现场温度试验，根据试验结果确定是否采用隔热降温措施以保证在沥青摊铺时阵列式位移计埋设位置温度不超过75 ℃。

3.2.2 埋设阵列式位移计

试验完成后随土建施工安装埋设阵列式位移计，打开钻孔孔口钢盖板，在孔内注满水泥砂浆，宜采用微膨胀水泥砂浆(可加速凝剂)，然后将阵列式位移计下入孔内2 m，固定在混凝土基座内，将此段作为观测基准。

3.3 安装埋设

(1)待水泥砂浆凝固后，保持阵列式位移计在竖直方向上平行于沥青混凝土心墙，使阵列式位移计始终距离心墙下游面约30 cm处，并特别注意对其进行保护。

(2)下一层沥青混凝土心墙摊铺前，在阵列式位移计所在断面过渡料垂直于心墙方向开挖沟槽，沟槽深25 cm、宽25 cm，长度超出摊铺机下游侧下料斗摊铺范围1 m以上，确保阵列式位移计不受损伤。

(3)当沥青混凝土心墙摊铺碾压60 cm后，刨出阵列式位移计传感器，使其在竖直方向上平行于沥青混凝土心墙上升1节(阵列式位移计每节长度50 cm)，每节传感器位置必须穿套略微粗于传感器直径的PVC管(或其他管材)，并在管内回填细沙，使传感器能紧贴管壁，确保监测数据的可靠性和有效性。然后重复步骤(2)～(3)，随沥青混凝土心墙施工及坝体填筑逐层完成其安装埋设。

(4)阵列式位移计在施工过程中需加强保护，并派专人看守，防止施工过程中损坏仪器。

3.4 初步成果

安装完成后于2020年4月15日取得基准值：以底部混凝土基座内部位作为0值，监测成果表明，在填筑施工期间沥青混凝土心墙水平顺河向变形不大，大坝填筑完成(2020年5月)最大变形仅在2.3 mm，一、二期蓄水(分别为2021年1月、2021年5月)以后变形有所增加，达到15.68 mm，随后库区水头基本稳定变形趋势减缓。截至目前，最大变形为18.23 mm，位于三分之二坝高处，当前变形趋势已明显趋小。心墙阵列式位移计(坝0+268 m)监测成果见图4。

图4 心墙阵列式位移计(坝0+268m)监测成果图

4 结 语

由于堆石坝变形是否超出设计标准是大坝安全运行的重要判断分析指标，因常规监测手段有较大局限性，监测沥青混凝土心墙与周边细过渡料常规手段大多是检测竖直向的变形，其水平向位移确无法观测，而沥青混凝土心墙阵列式位移计较好地解决了水平向位移的检测难题。目前，在国内应用不多，主要原因是阵列式位移计在堆石坝填筑过程中受土建施工干扰极大，且必须与心墙周边填筑料一同牵引，经过苏洼龙水电站的实践证明，上述阵列式位移计埋设方法不仅保证与大坝填筑进度相结合，且极大减少了土建施工对现场长置仪器的破坏，确保阵列式位移计成功安装，并取得填筑期与蓄水期较为丰富的观测成果。