特高土石坝超长距离变形监测技术研究

汤洪洁，李 俊

(1.水利部 水利水电规划设计总院，北京 100120； 2.中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西 西安 710000)

0 引 言

20世纪80年代，引张线式水平位移计和水管式沉降仪首次应用于中国第一座面板堆石坝[1]，通过模型试验和现场原位试验，成功开展了面板堆石坝的内部变形观测，并逐步全面推广应用于中国100 m级面板堆石坝内部变形监测。

天生桥一级水电站混凝土面板堆石坝[2-3]采用“八五攻关”科技成果的ZP型引张线式水平位移计、SC型水管式沉降仪来监测坝体内部变形，最长测线350 m；洪家渡水电站混凝土面板堆石坝[4]在前者基础上改进了仪器埋设方法，采用开挖沟槽法，将基床带1%的坡比改为“坝轴线上游1%、坝轴线下游2%”，实现了坝体内部402 m长测线变形监测。南京水利科学研究院为满足水布垭大坝坝体内部500 m级变形测线要求，通过模型试验验证了引张线式水平位移计和水管式沉降计用于200 m级面板堆石坝内部变形观测的适用性及合理的仪器测点结构形式、保护结构、管路结构和自动化系统等[5-7]，成功将坝体内部变形测线延长至520 m。

目前，土石坝安全监测技术在200 m高度级别上发展已相对成熟，但在250～300 m级土石坝体内部超长距离的变形监测应用中仍存在不足，不能完全满足耐久可靠、实用经济、相互验证、全生命期内全面反映工程建设和运行性态的安全监测要求。为此，结合新的传感与通讯技术，开展了适应特高土石坝超长距离变形监测需求的技术研究。

1 存在问题

传统实践在获得200 m级面板堆石坝内部变形原位观测资料的同时，也暴露出常规的引张线式水平位移计和水管式沉降仪在内部变形观测中存在的问题[8-11]。

(1) 坝体内部变形呈中间大两侧小的规律，长距离监测仪器管路弯折后易堵塞，导致观测数据不准确、水管式仪器无法回水、沿程阻力过大、引张线配重增大使钢丝拉断等问题。

(2) 随着坝高增加，坝体变形增大，且大坝底宽相应增加，安全监测仪器承受外压大、埋设距离长，并存在实施难度大、施工时间长、影响主体工程进度、实施效果欠佳或局部失效等问题。

(3) 在200 m级高土石坝运行中，部分监测仪器存在成活率低、适应变形能力差导致后期损坏多、测量误差大、维护困难、监测数据不准确或不符合规律、监测数据异常等问题，一定程度造成大坝运行性状安全评价监测数据无法采信。

随着新的传感和通讯技术的发展，研究适应250 m级高土石坝内部超长距离的新变形监测技术手段刻不容缓。

2 研究方向

(1) 超长水管式沉降仪。改进常规的坝体内部变形水平垂直位移计，研究适用于特高土石坝内部超长距离变形监测的超长水管式沉降仪。

(2) 多联杆式水平位移计。普通杆式位移计可监测坝体内部小范围内的水平位移，因此，可尝试连接多支杆式位移计以监测坝体内部某一测线的水平位移。需要对杆式位移计的连接方式、测线布置形式和误差分析方法等进行研究。

(3) 管道机器人。在堆石体内部埋设管道，通过管道机器人来监测坝体内部变形。需对坝体内部水平及垂直位移监测方法、监测管道和变形监测标点设计、系统测量误差分析和误差分析方法等进行研究。

(4) 柔性测斜仪。柔性测斜仪采用“刚柔相济”的思路，可为超长距离连续变形监测提供高精度、高可靠性的自动化监测方案。需主要对测线布置形式进行研究。

2.1 超长水管式沉降仪

可通过针对常规水管式沉降仪的缺陷进行改进，或在常规的水管式沉降仪上增加传感器探头，改进测读装置，在实现自动化测读的基础上，提高测量精度、扩大适用范围，以实现特高土石坝内部沉降变形超长距离监测。

2.1.1 常规水管式沉降仪改进

水管式沉降仪的常用改进方法如下[12]。

(1) 双排水系统。在传统的三管式结构基础上，增加一个排水电磁阀，电磁阀控制器设置在观测房内，通过水管保护管与测头处的电磁阀连接，具体结构如图1所示。当沉降测头无法排水时，通过控制器打开电磁阀排水，大大提高水管式沉降仪测头的使用寿命，但仪器成本有所增加。

(2) 可互换结构的沉降测头。如图1所示，在通气管、连通水管的前端各补充安装1个水杯，2个水杯的高度差固定为h。在使用过程中，如果出现无法回水或其他原因导致无法观测的情况，可以将观测房内的连通管和通气管互换使用，但更改后需要将测值减去2个水杯的高度差h作为真实测值。

图1 具备双排水系统且可互换结构的沉降测头Fig.1 Settlement probe with dual drainage system and interchangeable structure

(3) 增大管径、减小黏滞阻力。目前水管式沉降仪所采用水管直径在10 mm左右，因此可将管径增加至15 mm或20 mm，以提高管内液体的流动性。改用其他黏滞性较小的液体，如四氯化碳、苯、乙醚等。

(4) 施工细节改进。在每一测头处修建浆砌石墩台，墩台朝向观测房一侧为接近45°的斜坡，测头固定在该墩台上，管路沿墩台斜坡固定，各测点墩台顶部高程基本处于同一平面上，坡度与基床坡度一致，既可以保证测头稳固，同时可避免测头处沉降偏大而无法继续观测[8]。由于管路过长，在经过一段时间的沉降后，可能出现管路被拉弯、拉断等现象，一般采用在沉降测头部分预留一定管路沉降富裕度的方式处理；也可加工能容纳一定冗余管线的伸缩盒，沿整个条带每隔30～60 m布设一个伸缩盒，避免管路被拉断。

2.1.2 水管式电测沉降仪改进

2.1.2.1 水管式电测沉降仪基本原理

水管式电测沉降仪通过测量有压测头内液体压力变化，来反映测头处的沉降变化。水管式电测沉降仪测头与观测房内的储液罐通过2根水管连接，测头内设置有压力传感器，当测头处发生沉降时，通过压力传感器可测量测头相对于储液罐的高度，进而计算测头处的实际沉降量[13]。水管式电测沉降仪测量系统组成如图2所示。

图2 水管式电测沉降仪测量系统组成示意Fig.2 Schematic diagram of the measuring system of the water tube electric settlement meter

2.1.2.2 1 000 m级超长距离水管式电测沉降仪

1 000 m级超长距离水管式电测沉降仪主要技术指标如表1所示，并具备如下技术特点。

表1 1 000 m级超长距离水管式电测沉降仪主要技术指标

(1) 超长距离监测。管路长度达到1 000 m，比常规使用的百米数量级土石坝内部变形监测手段的监测长度提高至少1倍以上。

(2) 智能传感器实现电测功能。沉降测点的液体压力由智能压力传感器实现自动化测量，智能压力传感器具有高精度、高可靠性、数字量输出、小体积等特点。其中，小体积的结构特点对观测房的空间要求大大降低，无需砌建传统意义的观测房。智能数字量输出方式可确保管路安装完毕即可实现自动化测量功能，与一体化自动化数据采集仪配套使用后还可以进一步实现远程测控功能。

(3) 自测温与温度修正。为修正热胀冷缩效应引起的测量误差，1 000 m级长距离水管式沉降仪感知单元设计了温度传感器，可实时监测管路内液体温度和管路外部环境温度，在此基础上实现温度修正功能，确保测值的准确性。

(4) 管路封闭，无需后期补液。1 000 m级超长距离水管式电测沉降仪的管路设计成封闭形式，管内液体不会泄漏或挥发，在安装施工结束之后，无需进行补液操作。

2.2 多联杆式水平位移计

2.2.1 杆式水平位移计

杆式水平位移计如图3所示，其原理为：在堆石体中，若锚固点在水平方向上发生位移，则通过一端固定在锚固板上的玻璃纤维测杆传递给位移传感器，从而得到测点处的水平位移。

图3 杆式水平位移计测量原理示意Fig.3 Schematic diagram of measuring principle of rod type horizontal displacement meter

2.2.2 杆式水平位移计连接方式

为了实现特高土石坝内部超长距离监测，将杆式水平位移计以串联、并联与混联3种方式连接，构建坝体内部变形超长测线。

2.2.2.1 串 联

串联杆式水平位移计是指仅用一根连接杆线连接多锚固装置。以5点串联杆式水平位移计为例，其布置形式如图4所示。每2个锚固板之间用1根传递杆连接，将电位器式位移传感器布置在靠近锚固板的传递杆上。电位器式位移传感器所测的位移为该测点与前一测点间的土体相对位移，若要获得该测点的绝对水平位移，需要将该测点之前的所有测点位移值与观测房该方向上的水平位移值叠加。

图4 串联杆式水平位移计布置示意Fig.4 Layout diagram of horizontal displacement meter with series rod

2.2.2.2 并 联

并联杆式水平位移计指每个锚固装置有单独的连接杆线，位移传感器均位于观测房内，每个测点所测的位移均为该测点与观测房的相对位移。若锚固点在水平方向上发生位移，则通过一端固定在锚固板上的玻璃纤维测杆传递给位移传感器，从而得到所测位置的水平位移。

每个锚固装置有单独的连接杆线，连接杆线通过不锈钢杆连接至观测台。观测台置于观测房内，每根杆式位移计配有单独的观测台，其上安装1 m长游标尺，不锈钢杆与游标连接即可读数。以5点并联杆式水平位移计为例，其布置形式如图5所示。

图5 并联杆式水平位移计布置示意Fig.5 Layout diagram of parallel rod type horizontal displacement meter

2.2.2.3 混 联

混联杆式水平位移计即将串联杆式水平位移计与并联杆式水平位移计结合使用，综合两者的优点。对于特高土石坝内部超长距离变形监测，测线较长，可能需要布置十多个测点。若采用串联杆式水平位移计，可能会出现累计误差较大、传感器损坏无法修复等问题；若采用并联杆式水平位移计，则会出现连接杆用量较多、所需要的铺设场地较大等问题。因此，可采用混联杆式水平位移计的连接方式，将2～4个测点串联成一组串联杆式位移计，再将多组串联杆式位移计并联使用。各测点所测的位移量值与其所处的测点位置相关，需要单独参照串联或者并联杆式位移计的计算方法。以5点混联杆式水平位移计为例，其布置形式如图6所示。

图6 混联杆式水平位移计布置示意Fig.6 Layout diagram of horizontal displacement meter with mixed rod type

2.2.3 不均匀沉降影响

由于杆式位移计的传递杆为刚性传递，测点与观测房之间的不均匀沉降变形会使传递杆倾斜，进而影响水平位移的测量精度[14-15]。以下通过理论计算，就实际应用中，不均匀沉降对水平位移测量的影响程度进行分析，如图7所示。

图7 不均匀沉降对杆式水平位移计影响的计算示意Fig.7 Calculation diagram of influence of uneven settlement on bar horizontal displacement meter

以单点式杆式位移计为例，设初始状态1时，传递杆水平布置，杆长为L；经过一段时间后变化为状态2，杆长为L′；测点处水平、垂直位移分别为x1，y1，传感器处水平、垂直位移分别为x2，y2，则传感器测量测点处绝对水平位移为

(1)

测点处实际水平位移为

x1=L+x2-L′cosθ

(2)

式中：θ为传递杆状态1与状态2间的夹角，并由几何关系得：

(3)

则理论测量误差：

(4)

特高土石坝同一条水平位移测线上，沉降量最大差值与测线长度有关。一般在250 m长的测线上，最大沉降差值不超过10 cm，取y1-y2=10 cm，L′=250 m，则理论测量误差Δ仅为0.002 mm，因此不均匀沉降对杆式水平位移计的影响，理论上可以忽略不计。

2.3 管道机器人

管道机器人监测系统首先需要在坝体内部预埋专用管道，并保证管道变形与坝体内部变形保持一致。测量时，令具有变形测量功能的机器人在管道内行走，当管道机器人到达指定测点时，自动测量该测点的水平与垂直位移。管道机器人监测系统受坝高影响较小，与传统监测手段相比，具有可维修性。只要保证坝体内部的专用管道完好，机器人可以随时维修更换，而且管道成本远低于水平垂直位移计的相应成本[16]。

2.3.1 发展优势

管道机器人在国内外取得了丰富的研究成果，目前具有代表性的管道机器人研究单位有南京水利科学研究院(以下简称“南科院”)和武汉大学(以下简称“武大”)。

“南科院”机器人模型试验管路呈直线型，由35套可调节沉降和水平位移的支架和34根12 m长管路系统组成，模型全长408 m(假定坝体内部变形沿坝轴线对称分布，原型试验模型按300 m级面板堆石坝最大管线一半长度设计)。试验结果表明：机器人的沉降结果曲线与管道实际调节曲线基本相符，可以满足250 m级混凝土面板堆石坝坝体内部沉降监测工作需要；水平位移测量结果显示机器人测量结果与管道实际调节结果比较吻合，单点和系统测量整体误差均不大，单点误差最大为0.3 mm，整体误差小于2 mm，表明机器人水平位移测量技术基本可行。

“武大”管道机器人线路为“U”型，利用惯性导航与里程计融合，通过误差估计和最优化算法，得到最优的管道三维曲线，利用不同时期的管道三维轨迹计算大坝的垂直、水平和挠度变形。先通过卡尔曼滤波和RTS平滑算法对多里程计和惯导数据进行组合处理，所得结果作为迭代优化初值代入全局优化方法。具体而言，构造多种约束条件，通过最小化约束条件残差，求解最优导航状态轨迹。

内部变形观测机器人系统为准分布式监测系统，理论上可以0.5～12.0 m的测点间隔距离对堆石坝坝体内部变形(沉降与水平位移)进行测量，且该技术实现了水平位移和沉降位移的逐点单系统同时测量。内部变形观测机器人系统解决了传统水管式沉降计和引张线水平位移计无法完全准确开展特高坝长距离内部变形监测的技术难题，大比尺模型试验表明：这种系统监测精度满足工程需要，是可靠的特高混凝土面板堆石坝内部变形监测技术。与传统水管式沉降计和引张线水平位移计相比，该技术具有明显经济优势，且测点数量越多，经济优势更显著。

2.3.2 工程应用

大石峡混凝土面板砂砾石坝内部变形监测共布置4个横向监测断面，即坝右0+125.00 m(1-1断面，最大面板条块断面)、坝右0+275.00 m(2-2断面，最大砂砾石坝高断面)、坝右0+375.00 m断面(3-3断面)、坝右0+455.00 m(4-4断面，古河床断面)。在4个主监测断面选择1 670.00，1 630.00，1 600.00，1 550.00 m和1 497.00 m等5个高程，利用水平垂直位移计进行坝体内部分层水平与垂直位移监测。

大石峡面板砂砾石坝坝体最大沉降发生在坝右0+277.00 m附近，在坝右0+275.00 m监测断面上布置管道机器人，与水平垂直位移计对比分析。按照坝右0+275.00 m断面的地形特点和沉降位置，1 510.00 m高程附近因上、下游基础上翘，在1 555.00 m水平分层以下不便于管道布置，因此在1 548.30，1 598.30，1 628.30 m高程分别布置3套“U”型管道机器人线路，长度分别为565，373，269 m，布置形式如图8所示。

图8 大石峡面板砂砾石坝管道机器人线路布置Fig.8 Pipeline robot layout of Dashixia slab gravel dam

2.4 柔性测斜仪

2.4.1 结构形式及测量原理

柔性测斜仪以节点作为基本组成单元，节点之间采用中空柔性连接件连接，具有较大幅度的任意角度柔性旋转能力(可以在±60°范围内任意弯折)，能充分匹配型面变化要求。节点的仪器电缆穿过中空柔性连接件逐级传递，从头至尾始终保持单根电缆出线形式[17]，如图9所示。

图9 柔性测斜仪结构形式示意Fig.9 Schematic diagram of structure of flexible inclinometer

柔性测斜仪是以静止方式在管道中进行测量，可以直接用惯性导航系统中加速度计来进行角度测量。得到角度后，已知柔性智能位移计的每一节长度L，就可以计算每节的位移量，最后通过积分求解整个位移计的累计位移量。计算参考示意如图10所示。

图10 柔性测斜仪测量原理计算参考示意Fig.10 Flexible inclinometer measurement principle calculation reference diagram

2.4.2 技术特点

柔性测斜仪测量系统是基于连续测斜原理设计的高精度一体化测量装置，由数个长度0.5 m的刚性传感器节点首尾连接组成，传感器节点之间采用轴向±60°范围内可自由弯曲的关节连接，以适应监测界面有较大变形时导致的传感器失效状况。每个传感器节点之间采用柔性连接，外表面敷以高强度不锈钢编织网，具有极高的抗拉强度。仪器采用整体防水密封结构，能在各种恶劣环境下工作。

柔性测斜仪测量系统的传感器节点连续分布且相邻节点之间的间距较小，因此可以连续、准确地测量整个装置覆盖区域的位移变形情况。埋设安装时具有简便性，无需控制方向或使用带有导槽的测斜管。无论是铅直、水平还是倾斜方向，只需将传感器整体插入预先埋设的套管中或者直接埋入预留的回填沟槽中即可。

2.4.3 工程应用

两河口大坝心墙沿坝轴线2 641 m高程左岸安装1套40 m长加拿大进口SAA柔性测斜仪，右岸安装1套40 m长的韩国3DGBMS柔性测斜仪。心墙沉降监测成果较好地反映出了砾石土心墙沿坝轴线的沉降分布规律[18-19]。

3 结 论

超高土石坝超长距离变形监测的方法应用创新与仪器设备改进研发主要成果总结如下。

(1) 针对常规水管式沉降仪难以适应长距离监测、施工难度大及要求高的问题，对水管式沉降仪进行了改良、改进，包括测点电测代替观测房人工测读，增大水管管路管径、加硬材质，增大管内液体密度、减小黏滞力等，加强了仪器设备对长距离、大变形条件的适应性，进一步提高了仪器设备的可靠性与稳定性。

(2) 针对钢丝水平位移计长距离监测中钢丝受力过大、容易出现折断的问题，采用杆式位移计进行监测。为提高位移计对长距离、大变形条件的适应性，在分段上根据计算成果采取缩短距离、不等间距布设等措施，采用柔性纤维杆代替传统不锈钢杆，同时分析了不均匀沉降对水平位移测量的影响，实现了杆式位移计长距离、可靠的水平位移计监测。

(3) 研究了管道机器人、柔性测斜仪的技术原理及发展情况，分析了两种技术分别在大石峡、两河口堆石坝中的监测应用情况及其良好的变形监测效果。

综上所述，本文所研究的变形监测技术可以实现特高土石坝超长距离变形监测，为拟建及在建的250 m级至300 m级特高混凝土面板堆石坝的安全监测与改进方向提供技术参考。