积石峡水电站混凝土面板堆石坝监测设计.pdf

3 8 黄 燕妮 ， 陈树联 ， 顾永 明， 唐鹏程． 积石峡水 电站混凝土 面板堆石坝监测设计 文章编号 ： 1 0 0 6 --2 6 1 0 ( 2 0 1 4 ) 0 6 —O 0 3 8 —0 5 积石 峡水 电站混凝 土面板堆石坝监测 设计 黄燕妮， 陈树联， 顾永明， 唐鹏程 ( 中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 积石峡水电站混凝土面板堆石坝监测系统在设计中充分考虑了工程特点和地质、 地形条件， 取得了完整的 大坝竖向位移、 台阶状的复式地形基础堆石体之间相对变形等资料， 为层状岩基、 不对称基础混凝土面板堆石坝安 全监测积累了成功经验 ， 具有较广泛 的推广价值 。 关键词： 面板堆石坝； 监测； 沉降管； 弯曲式埋设法 ； 多联式位移计； 压性缝 中图分类号 ： T V 6 4 1 ． 4 3 ； T V 6 9 8 ． 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 6 — 2 6 1 0 ． 2 0 1 4 ． 0 6 ． 0 1 0 Mo n i t o r i n g De s i g n o f Co n c r e t e F a c e Ro c k fil l Da m ，J l s h i x i a Hy d r o p o we r S t a t i o n HUANG Ya n—n i ，CHEN S hu—l i a n，GU Yo n g—mi ng，TANG P e ng -c h e n g ( P O WE R C H I N A X i b e i E n g i n e e r i n g C o ． ， L t d ． ， X i " a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： I n t h e m o n i t o r i n g d e s i g n o f C F R D， J i s h i x i a H y d r o p o w e r P r o j e c t ， t h e e n ~n e e r i n g f e a t u r e s ， g e o l o g i c a l a n d t o p o g r a p h i c c o n d i t i o n s a r e c o n s i d e r e d．Th e r e f o r e，da t a s u c h a s t h e c o mp l e t e v e ~i c a l d i s p l a c e me n t o f t h e d a m，t h e r e l a t i v e d e f o r ma t i o n b e t we e n t h e f o u n d a t i o n r o c k fil l b o d i e s o n t h e c o mp o u nd t o p o g r a ph y i n s t e p a r e o b t a i n e d．Th o s e a c c u mul a t e t h e e x p e rie n c e o n t h e s a f e t y mo n i t o r i ng d e s i g n o f t h e CFRD wi t h l a y e r r o c k f o u n da t i o n a n d a s y mme t r i c f o u n d a t i o n ．I t i s w0 r t h o f wi d e l y b e i ng d e v e l o pe d． Ke y w o r d s ：C F R D； m o n i t o ri n g ； s e t tl e m e n t t u b e ； b e n d i n g i n s t al l a t i o n m e t h o d ； m u l t i p l e d i s p l a c e m e n t s e n s o r ； c o m p r e s s i v e j o i n t 1 工程概述 积石峡水电站位于青海省循化县境内积石峡 出 口处。是黄河上游继龙羊峡、 拉西瓦、 李家峡、 公伯峡 等大型水 电站之后的第 5座大型水电站。电站总装 机容量 1 0 2 0 M W， 保证 出力 3 3 2 ． 3 MW， 多年平均发 电量 3 3 ． 6 3亿 k Wh 。水库正常蓄水位 1 8 5 6 m。 主要建筑物 由混凝土面板堆石坝、 左岸坝后式 引水发电厂房 、 溢洪道、 中孔泄洪洞 、 底孔排沙洞等 组成。工程规模为 Ⅱ等大 ( 2 ) 型 ， 其 中混凝 土面板 堆石坝为 1 级建筑物。 混凝土面板堆 石坝布 置在 主河 床。最大 坝高 1 0 3 ． 0 i n ， 坝顶长度 3 2 1 ． 9 in， 坝顶高程 1 8 6 1 ． 0 0 in， 顶 宽 9 ． 8 in。上游坝坡 1： 1 ． 5 ， 大坝下游综合坝坡为 1： 1 ． 7 2 。左岸上游 电站进水 口、 引水发 电系统左侧 收稿 日期 ： 2 0 1 4 — 0 7 — 0 4 作者简介 ： 黄燕妮 ( 1 9 6 3 一) ， 女 ， 安徽省濉溪 县人 ， 高级 工程师 主要从事水利水电工程安全监测设计和资料分析等工作． 溢洪道右边墙设置周边缝与大坝面板连接 ， 引水发电 钢管上平段及其外包混凝土位于堆石体下部。 引水钢管水平段外包混凝土顶高程 1 8 3 5 in， 其 上为大坝填筑堆石料 ， 右侧河床高程在 1 7 6 5 m左 右 ， 与引水钢管水平段外包混凝土顶部高程相差约 7 0 1 T I ， 形成台阶状的复式地形。钢管基础与大坝基 础之问的边坡近于直立坡 ， 在大坝回填前 ， 采用素混 凝土 回填成不陡于 1： 0 ． 5的边坡 。 面板堆石坝坝体材料从上游至下游依 次为 ： 面 板上游面下部粉质壤土斜铺盖及其盖重 区、 混凝土 面板 、 垫层区、 特殊垫层区、 过渡 区、 反滤排水 区、 主 堆石区、 下游次堆石区及下游护坡。 工程于 2 0 1 0年 1 0月 1 4日下闸蓄水至今 ， 各建 筑物运行 良好。 2 混凝土面板堆石 坝监测设计 混凝 土 面板堆 石坝 2 0 0 8年 1 0月 开始 填筑 ， 2 0 1 0年 1 0月 1 4日下闸蓄水 ， 期间《 土石 坝安 全监 测技术规范》 新版本 尚未出版 ， 因此监测设计 主要 西北水电 2 0 1 4年 第6期 3 9 依据 S L 6 0— 9 4 《 土石坝安全 监测技术规 范》 和 D I MT 5 1 7 8 — 2 0 0 3 4 混凝土坝监测技术规范》 。 观测项 目主要包括 ： ( 1 )巡视检查 ， 包括 日常巡视检查 、 年度巡视检 查和特别巡视检查 。 ( 2 )变形监测 ， 主要包括坝体表部变形 、 坝体内 部变形 、 裂缝与接缝 、 混凝土面板变形 ； ( 3 )渗流监测 ， 主要包括坝体与坝基渗流压力 、 绕坝渗流 、 渗流量监测； ( 4 )压力 ( 应 力 ) 监测 ， 主要包 括坝体 土压力 ( 应力 ) 、 接触土压力 、 混凝土面板应力应变。 2 ． 1 变 形监测 ( 1 )坝体表面变形 混凝土面板堆石坝表面变形永久监测共布置 8 横 5纵监测断面。虽然坝长超过 3 0 0 m( 坝顶长度 3 2 1 ． 9 m) ， 考虑其 台阶状的复式地形 ， 因此横断面 问距设 置比规范要求略密， 为 3 0～ 4 0 m， 其中坝右 0 + 0 8 6 ． 3 6 m断面 、 坝右 0 + 1 6 8 ． 3 6 m断面 ( 最大坝高 断面) 和坝右 0 + 2 4 8 ． 3 6 0 m 断面为变形监测 主断 面 ； 纵断面在坝顶上游侧正常蓄水位高程 以上设置 1条 ， 坝顶下 游侧及 ( 最 大 坝高断 面 ) 下游 坝坡 约 1 ／ 3 、 1 ／ 2 、 2 ／ 3高程各设置 1条 ， 在每纵 、 横剖面交叉 点处设置 1 个表部变形监测水平 、 竖 向位移综合测 点。为监测台阶状 的复式地形不均匀沉降对大坝表 部的影响 ， 在 台阶右侧坝顶上 、 下游测线各增加 了 1 个垂直位移测点。 表面水平位移原设计横 向水平位移采用视准线 法观测 ， 纵向水平位移监测采用全站仪测距 ， 个别测 点纵 、 横 向水平位移利用前方交会法进行。施工过 程中根据现场情况 ， 坝下游右岸设置视准线工作基 点难度较大 ， 改为坝顶上游侧测线为横 向水平位移 采用视准线法观测、 纵向水平位移采用全站仪测距， 其视准线工作基点在其两端延长线上 ； 坝顶下游侧 及下游坝坡水平位移均采用前方交会法进行 ， 其工 作基点 4点 ， 位于坝下游两岸稳定基岩处。水平位 移工作基点利用坝址区平面监测控制 网校核。 大坝表部竖 向位移监测采用精密水准法， 工作 基点共设置 2点 ， 分别位于左岸下游上坝公路处和 右岸坝肩下游交通洞 内。工作基点均为基岩标 ， 利 用坝址区水准监测控制 网对其进行校核。 ( 2 )堆石体内部变形 坝体内部变形 监测一般包括分层竖向位移 、 分 层水平位移 、 界面位移监测等。 1 )坝体分层竖向位移 积石峡水电站采用水管式沉 降仪和电磁式沉降 仪相结合的方法进行坝体分层竖向位移监测。 在坝体变形 3个主监测断面设置水管式沉 降 仪 ， 每个断面沿高程分 3层设置 ， 设置高程均分别为 1 8 4 0 、 1 8 2 0和 1 8 0 0 m。各层测线在坝轴线处设置 1 测点 ， 并 以此点为 中间测点 ， 向上 、 下游延伸 约每 3 0～ 3 5 m增加 1 个测点 ， 按高程从上至下分别设置 了3 、 5 、 7个测点。其 中最大坝高断 面设置了 3 、 5 、 7 个测点的水管式沉降仪各 1 套， 其余 2监测断面分 别设置了 3 、 5个测点的水管式沉降仪各 1 套 。 为 了更全面的监测到坝体的竖 向位移量 ， 在最 大坝高断面另外布置电磁沉降仪监测。共布置 4根 沉降管 ， 其中坝轴线处 1根 ， 坝轴线上游 2根 、 下游 1 根 ， 为与水管式沉降仪测点对应， 各沉降管管间距 约 3 0～ 3 5 m。沉降管底部均深人 坝基 以下基岩 1 0 m， 在约最大坝高 1 ／ 2高程以下沿高程每 4 r n 设 置 1 个沉降盘 ， 以上沿高程每 8 m设置 1 个沉降盘。基 准环位于管底 以上 2 m处 。 坝轴线上游沉降管埋至垫层区后 向下游弯 曲， 以便于面板完成后能够继续进行沉降观测 。 2 )坝体分层水平位移 坝体分层水平位移监测利用水平位移计和滑动 测斜仪进行 。布置了 3个钢丝水平位移计监测横断 面。监测断面的位置 、 测线高程和测点布置方式均 与水管式沉降仪相同。最大坝高断面设置了3 、 5 、 7 个测点 的水平位移计各 1套 ， 其余 2断面各设 置了 3 、 5个测点的水平位移计各 1套。 钢丝水平位移计及水管式沉降仪均引入下游坝 面处各相应观测房中。每个观测房顶设 1个综合位 移观测墩 ， 引入位移绝对值。 与沉降管结合 ， 将坝轴线 0 + 0 0 0 ． 0 0 m与坝下 0 + 0 3 4 ． 5 0 m 2根沉降管布置为测斜 、 沉降管 ， 利用活 动测斜仪进行分层水平位移监测。 3 )界面位移和深层应变 在左 、 右岸坝体易受拉部位分高程布置多联式 位移计组 ( 各位移计 沿直线 串联 ) 。其 中引水 钢管 水平段外包混凝土基础与右侧河床连接部位堆石体 为重点监测部位 ， 从上游至下游共设置 了 3个监测 断面， 分别位于坝轴线上游 2 5 m、 坝轴线及坝轴线 下游 2 0 m处。其中坝上游 2 5 m处监测断面分高程 4 0 黄 燕妮 ， 陈树联 ， 顾永 明， 唐 鹏程 ． 积石峡水 电站混凝土面板堆石坝监测设计 埋设了 3组五联式位移计 ， 坝轴线监测断面分高程 埋设了 4组五联式位移计 ， 坝轴线下游 2 0 IT I 处监测 断面分高程埋设 了 2组五联式位移计 ； 堆石体与右 岸边坡连接部位沿坝轴线在坝顶高程 以下 6 、 1 1 m 处各埋设了 1 组五联式位移计 ； 堆石体左岸与溢洪 道右侧边墙连接部位坝轴线处 、 坝顶高程以下约 5 m处埋设了 1 组二联位移计。 单支位移计测量范围为 3 m。 ( 3 )裂缝和接缝监测 周边缝监测为面板接缝监测重点。根据周边缝 位移计算结果 ， 在周边缝沉降位移 、 剪切位移 、 张拉 位移较大处和址板凸出部位均布置三向测缝计 ， 共 布置三向测缝计 1 5组。 在面板板间缝处布置单 向、 二向测计进行面板 相对张拉和沉降监测。其 中二向测缝计主要布置在 堆石体与左岸埋管连接部位面板板间缝处和右岸近 岸坡部位板 间缝处 ； 在变形 3个 主监测断面处布置 二向测缝计进行面板与防浪墙接缝位移监测。 在最大断面压性缝单 向测缝旁布置了水平向钢 筋计 。 ( 4 )混凝土面板挠度及脱空变形 面板挠度采用固定测斜仪监测。共布置 1 条测 线 ， 位于坝体最大变形监测 断面。因为工程位 于寒 冷地 区， 测斜管埋设在面板混凝土中； 同时因为混凝 土面板计算挠度在竣工期 、 运行期 和地震情况下最 大值均发生在 1 ／ 2坝高左右 ， 因此固定测斜仪布置 时 1 ／ 2坝高高程 附近相对较密 ， 向上、 下部相对较 疏 ， 其布置最小间距 3 m， 最大间距 9 m。固定测斜 仪 电缆经保护后引至下游坝面观测站处。 为配合固定测斜仪监测 ， 在固定测斜仪上 、 下部 混凝土 中顺坡 向埋设钢筋计。 面板和垫层问脱 空情况采用面板脱空仪 ( 由 2 支大量程位移计组装) 进行监测。根据 面板变形和 坝体变形计算结果 ， 同时考虑方便 电缆牵引 ， 监测断 面位置与内部变形分层位移监测断面结合。按 3个 监测断面 、 3个监测高程共布置 了7组面板脱空仪。 另外在最大坝高断面增加了 1 组面板脱空仪。 2 ． 2 渗流 监测 布置 积石峡水电站水库不存在永久性渗漏问题 。混 凝土面板堆石坝基础帷幕防渗系统设计深度标准按 q ≤3 L u控制。混凝土面板堆石坝设置 的渗流监测 项 目有 ： 坝体和坝基渗流压力监测 、 绕坝渗流监测 、 渗流量监测。 ( 1 )坝体与坝基渗流压力 共布置 5个 主监测断面 ， 其 中 3个断面位 置同 坝内变形监测 3个主断面 ， 另外 2个监测断面分别 位于引水发电系统 2号钢管上平段管轴线及沿坝轴 线断面基岩面最低处 。每个监测断面在帷幕线后布 置有 2～5个坝基渗压测点 ， 除此之外沿趾板处帷幕 线后还增加了部分坝基渗压测点。坝体渗压测点主 要布置趾板后垫层小 区和混凝土面板下游垫层 区， 坝体和坝基渗流压力利用振弦式渗压计进行监测。 1 6 、 1 7号趾板接头处及其下游 出露有 F ， ． 断层 带 ， 对其处理措施为深挖并浇筑混凝土断层塞 ， 及在 其下游增加混凝土拖板。为了监测 F 断层带 的渗 流状态 ， 沿 F 断层走向布置 了 3支渗压计 ， 分别位 于趾板后混凝土板下部基础 、 上部 垫层小 区后以及 混凝土拖板下游端。 ( 2 )绕坝渗流 绕坝渗流监测通过地下水位长期观测孔进行。 左 、 右岸均在坝肩帷幕前布置 1 个测点 ， 帷幕线岸 内 端头布置 1 个测点。左岸在溢洪道左侧帷幕线后从 上游至下游共布置了 3个测点 ； 堆石坝下游边坡左 侧布置了 1 个测点 。右岸坝肩帷幕沿右岸交通洞 向 上游延伸约 9 0 13 3 ． ， 其帷幕线后 布置 2测点 ； 帷幕线 下游在堆石坝外边线附近从上游至下游共 布置 了 4 个测点。 地下水位长期观测孔钻孔深度深入已知最低原 始地下水位 2 m， 施工期利用平尺水位计监测。 ( 3 )渗流量 在坝下游厂房中控楼右侧设置混凝土截水墙及 1座量水堰 ， 进行坝体渗流量监测 ； 同时在墙前设 置 约 2 0 m的钢筋混凝土输水廊道 ( 外设反滤层 ) ， 其 后设置排水廊道 ， 排水廊道 出口位于厂房尾水右边 墙处 。 量水堰为梯形薄壁堰 ， 不锈钢板制作 ， 其最大测 流量 为 1 7 8 L ／ s 。 2 ． 3压力 ( 应 力 ) 监测布 置 主要设置 了堆石体土压力 、 接触土压力和混凝 土面板应力应变监测。 ( 1 )堆石体土压力 选择坝体最大变形监测断面为堆石体土压力监 测断面。结合坝内变形监测在坝轴线上游 3 0 m处 、 坝轴线处和坝轴线下游 3 5 1 3 1 处布置 3条垂直测线 ， 4 2 黄燕妮 ， 陈树联 ， 顾永明 ， 唐鹏程． 积石峡 水电站混凝 土面板 堆石 坝监 测设计 图 3压 性 缝 处 水 平 向钢 筋计 布置 图 ( 1 )坝体 内部垂直位移 堆石体内部最大沉降量发生在坝体最大的断面 ( 坝轴线 1 ／ 2坝高 以上 约 2 m处 ) ， 最 大沉降量 为 4 9 ． 8 c m( 电磁沉降管监测 ) ， 较之 三维非线性有 限 元静力计算竣 工期垂直位移最大值 7 8 e m小约 2 8 e m， 水库下闸蓄水后各测点沉降量仅有微量增大或 不增大 ， 分析认为是 由于 2 0 0 9年 9月初至 2 0 0 9年 1 1 月下旬对堆石体进行浸水， 使得堆石体有了较大 预沉降量而致 。 ( 2 )堆石体界面位移 堆石体界面位移监测各多联位移计组测点主要 表现为受拉 ， 堆石体变形基本表现为越靠近岸坡拉 伸量越大。其 中坝轴线监测断面、 左岸埋管外包 混 凝土高程以上 1 m处五联位移计组总拉伸量最大 ， 为 9 3 ． 4 7 mm； 其次为坝下 2 0 IT I 监测断面、 左岸埋管 外包混凝土高程以下 1 m处五联位移计组总拉伸量 为 7 8 ． 1 9 m m； 从下 闸蓄水前 2 0 1 0年 l 0月 1 3日至 2 0 1 1 年 2月 1 2日， 单支仪器最大拉伸约为2 ． 5 m m， 发生在左岸埋管坝段右侧距岸坡 3～ 6 m区问。 ( 3 )周边缝与垂直缝变形 面板周边缝相对下闸蓄水前最大张开变形值为 3 ． 9 8 m m， 最 大下沉为 6 ． 1 6 m m， 发生 在右岸缓坡 段 ， 发生时间为下闸蓄水后的 3～1 2 d内； 最大错动 为 3 ． 3 9 mm， 发生在左岸缓坡段。另有个别测点周 边缝最大值张开值为2 0 ． 4 2 m m， 下沉为 1 6 ． 3 5 m m， 错动为 3 ． 8 7 mm， 位置在右岸缓坡段 ， 经调查分析发 现其主要变形量发生在下闸蓄水前仪器埋设部位上 部铺盖施工阶段 。 面板垂直缝最大张拉变形 主要发生在左 、 右岸 拉性缝处 ， 左岸位于电站进水 口右侧面板垂直缝处 ， 张拉变形值在 1 ． 6 1 ～ 2 ． 9 8 m m之间； 右岸垂直缝处 最大张开值为 2 ． 4 m m。面板垂直缝最大压缩变形 发生面板压性缝处 ， 其最大量值为 0 ． 7 m m。面板受 拉区与受压 区范围与设计基本相符。 下闸蓄水初期压性缝配套钢筋计压应力有较明 显增大的现象 ， 与其对应位置测缝计监测结果吻合。 面板周边缝和板问垂直缝运行正常。 ( 4 )面板挠度和脱空 面板 向上游最大挠度发生在蓄水前温升期 ， 最 大值小于 7 e m； 面板 向下游最大挠度发生在蓄水后 温降期， 最大值小于9 C lT I 。面板挠度除了受上游水 位影响外 ， 受气温变化影响也 比较显著 。 根据脱空监测资料看， 面板与其下部坝体填料 之间无脱空现象 。 5 结语 ( 1 )积石峡水电站混凝土面板堆石坝监测系统 设计全面完整 ， 保障了施工期 、 下闸蓄水期及后期运 行等各阶段安全监测的需要 。 ( 2 )电磁式沉降仪、 弯曲式沉降管埋设法监测 堆石体 内部竖向位移是全面取得堆石坝竖 向位移监 测资料较好 的监测方法 和手段 ， 在类似工程 中具有 较广泛的推广价值。 ( 3 )利用多联式位移监测台阶状的复式地形基 础堆石体之 间相对变形 ， 监测效果直接。 ( 4 )压性缝配合单向测缝计布置水平向钢筋计 能更准确全面了解面板压性缝的工作状态 。 参考文献： [ 1 ] 张启岳． 土石坝观测 技术 [ M] ． 北 京： 水利 电力 出版社 ， 1 9 9 3 ， 3 [ 2 ] 王玉洁． 混凝 土面板堆 石坝 监测设 计综 述 [ J ] ． 大 坝与 安全 ， 2 0 0 6， ( 1 ) ： 1 — 4 ． [ 3 ] 蔡新合， 王康柱， 王君利． 积石峡水电站混凝土面板堆石坝设 计 [ J ] ． 水力发 电， 2 0 1 l ， ( 1 1 ) ： 2 9 - 3 2 ． [ 4 ] 陈树联 ， 顾永明． 混凝 土面板堆石坝 面板压性缝监测设 计探 讨 [ J ] ． 西北水 电 ， 2 O l 1 ， ( s 1 )： 1 — 4 ． [ 5] 王建英 ， 黄德武．马鹿塘水 电站二期工程大坝位移监测设计及 成果分析 [ J ] ． 红水 河 ， 2 o 1 3 ， ( 0 2 ) ： 1 7 — 2 2 ． [ 6 ] 黄河积石峡水 电站 工程蓄 水安全 鉴定设 计 自检报告 [ Rj ． 西 安 ： 中国水 电顾 问集团西北勘测设计研究 院， 2 0 1 0 ． [ 7] 积石峡水 电站首次蓄水安全监测资料分析报告 ( 截 止 2 0 1 1 年 2月 ) [ R] ． 西安 ： 中国水 电顾 问集 团西 北 勘测 设计 研 究 院， 2 0 】 】