面板堆石坝坝体沉降监测方法技术总结.pdf

文章编号:10062610(2011)01006704面板堆石坝坝体沉降监测方法技术总结顾永明，陈树联，王伟(中国水电顾问集团西北勘测设计研究院，西安710065)摘要:文章总结了目前常用的水管式沉降仪和电磁式沉降管 2 种监测方法的优缺点，对两者进行比较分析，并对电磁式沉降管进行了改造;针对这 2 种监测方法在监测过程中存在的问题，提出了解决的方案和需要注意的事项。关键词:面板堆石坝;安全监测;沉降;水管式沉降仪;电磁式沉降管中图分类号:TV698 1文献标识码:ATechnical summary of monitoring method for CFRD body settlementGU Yong ming，CHEN Shu lian，WANG Wei(Hydrochina Xibei Engineering Corporation，CHECC，Lanzhou730050，China)Abstract:This paper summarizes the advantages and disadvantages of the commonly used two monitoring methods，i e the water tube settlement gauge and the electromagnetic settlement tube By comparison of the two methods and upgrading of the electromagneticsettlement tube，it proposes solutions and precautions against the problems occurred in the monitoring process by the 2 methodsKey words:CFRD;safety monitoring;settlement;water tube settlement gauge;electromagnetic settlement tube收稿日期:2010-10-20作者简介:顾永明(1980 )，男，山东省青州市人，工程师(硕士)，主要从事大坝安全监测工作0前言中国的面板堆石坝内部沉降监测多采用水管式沉降仪。公伯峡水电站面板堆石坝首次引进了水管式沉降仪和电磁式沉降管相结合的方法监测坝体内部沉降变形1。目前，越来越多的面板堆石坝工程采用了该监测方法。本文主要对这 2 种监测方法的经验进行对比、总结，为今后面板堆石坝坝体沉降监测设计提供借鉴。1水管式沉降仪和电磁式沉降管简介水管式沉降仪一般水平布置在监测断面内不同高程处，同一高程测线间隔布置多个测点，测线末端布置观测房作为工作基点和集中观测的场所。水管式沉降仪常和钢丝水平位移计配套埋设，从而可获得测点位置沉降量和沿测线方向的水平位移。该方法测量原理简单、监测方便、可实现自动化观测。电磁式沉降仪主要包括沉降管、磁性锚块和测量装置。沉降管和磁性锚块随着坝体填筑逐步埋设于坝体内，测量时，通过内有电缆导线刻度卷尺的牵引，探头下降到沉降管中可以检测出管外的磁性锚块位置，并可由卷尺的刻度值确定锚块沿沉降管轴向的变形。电磁式沉降管测点沿垂线方向布置，可以监测到水管式沉降仪以下的坝体沉降及覆盖层沉降等。该方法测量方法简单，受环境影响较小，可以进行水下测量。2电磁式沉降管的改进在前期的一些面板堆石坝工程中，电磁式沉降管进行沉降观测时，坝轴线上游、面板下部的电磁式沉降管只作为施工期观测;面板施工时，电磁式沉降管停止观测。为解决面板堆石坝坝轴线上游、面板下部电磁式沉降管的永久监测问题，在后期面板堆石坝沉降监测设计中，我们对电磁式沉降管进行了修改。其布置图见图 1。76大坝监测西北水电2011 年第 1 期图 1电磁式沉降管布置图从图 1 中可以看出，位于坝轴线上游、面板下部的电磁式沉降管在靠近顶部时弯曲，然后随坝体填筑，将沉降管管口引致坝顶或坝后坡部位。弯管段的设计半径主要根据探头、吊锤等尺寸决定的，保证探头等自由活动不受限制。从取得的监测资料来看，该解决方案实施效果较好。图 2，3 为坝轴线上游、面板下部的 2 根电磁式沉降管的测点沉降过程线。图 2ES4 电磁式沉降管测点沉降过程线图图 3ES5 电磁式沉降管测点沉降过程线图3水管式沉降仪和电磁式沉降管对比总结多个面板堆石坝沉降监测设计及成果，对2 种监测方法进行对比:(1)监测范围1)空间范围水管式沉降仪一般布置在大坝的不同高程，在水平测线上测点较多;电磁式沉降管测点沿垂线方向布置，在垂线测线上测点较多。水管式沉降仪一般在坝体填筑到一定高程后，才开始埋设该仪器，对埋设高程以下的范围无法监测，尤其对深厚覆盖层面板堆石坝而言。电磁式沉降管可以监测到水管式沉降仪以下的坝体沉降及覆盖层沉降等。2)时间范围受测点上部坝体填筑的影响，测点沉降在仪器安装初期沉降速率一般较大。从多个面板堆石坝实测资料来看，受坝后观测房施工的影响，沉降初次观测时间一般要比测点安装晚 1 2 个月左右。这样，观测房施工期间水管式沉降仪测点沉降无法观测，导致测点沉降明显偏小2。电磁式沉降管随坝体填筑施工，一般不会损失沉降量。在水管式沉降仪安装过程中，利用水准仪准确测量测点的安装高程，从而得到了测点出水口高程，即观测房水管内液面初始高程。观测房建成及房顶观测点施工完成并投入观测后，通过测量得到当时各测点水管液面高程，可以得到该段时期内测点的沉降量，但该段时期内的沉降过程还是无法得到的。(2)观测误差电磁式沉降管一般的标称误差为 3 mm，水管式沉降仪大概在 1 mm 左右。水管式沉降仪监测坝体沉降要利用坝后观测房基准点，基准点观测一般采用水准法，其观测误差一般在 2 mm 左右。因此，水管式沉降仪监测坝体沉降的误差大概也在 3 mm 左右。电磁式沉降管一般要求深入基岩，以沉降管底部作为不动点。总结多个工程的实测资料，从电磁式沉降管和水管式沉降仪监测资料的稳定性和观测精度来看，两者的观测误差相当。对于有些深厚覆盖层面板堆石坝，由于施工条件的限制，电磁式沉降管无法达到基岩以下;或基岩以下部位沉降管损坏。在这种情况下，测量方法为:先测量沉降管管口高程，以管口高程为基准测量坝体沉降。该方法观测误差为电磁式沉降管自身误差与管口高程测量误差之和，观测误差要大于水管式沉降仪。(3)施工干扰电磁式沉降管在施工时一般要用直径1 m 的保86顾永明，陈树联，王伟 面板堆石坝坝体沉降监测方法技术总结护桶对沉降管进行保护，施工影响范围大概在沉降管周边直径 3 m 左右。电磁式沉降管是竖直布置的，因此，在整个坝体填筑过程中都会带来一定的施工干扰。水管式沉降仪施工需要大量的开挖和回填等，影响范围较大，但水管式沉降仪的施工是阶段性的，对施工的干扰只在一段时期内存在。综合比较来说，两者对施工干扰方面相差不大。(4)自动化监测水管式沉降仪能够实现永久观测和自动化观测。电磁式沉降管目前尚未能实现自动化测量，但电磁式沉降管测量相对简单。4工程应用实例(1)积石峡水电站面板堆石坝积石峡水电站面板堆石坝为建在基岩上的面板堆石坝，最大坝高 103 m。截止 2009 年 12 月底，大坝已填筑到防浪墙底高程 1 857 m。坝体沉降监测采用水管式沉降仪和电磁式沉降管相结合的方式。1)监测成果根据电磁式沉降管和水管式沉降仪实测资料，绘制坝体最大断面等值线图(见图 4)，该断面竣工期有限元初步计算成果见图 5。图 4最大断面沉降等值线图单位:cm图 5最大断面竣工期有限元初步计算成果图 单位:m对比来看，实测坝体变形规律与有限元初步计算成果基本一致，最大沉降发生位置基本吻合，有限元初步计算沉降值要大于实测值。2)水管式沉降仪和电磁式沉降管对比积石峡水电站坝体最大断面高程 1 820 m 左右，电磁式沉降管与水管式沉降仪相近测点沉降对比过程线见图6。图 6积石峡水电站电磁式沉降管与水管式沉降仪相近测点沉降对比过程线图从电磁式沉降管与水管式沉降仪相近测点沉降对比过程线来看:2 组测点沉降值相差不大。电磁式沉降管测点沉降以深入基岩 10 m 的孔底测点为基准进行监测;从测值稳定性来看，2 种监测手段相差不大。水管式沉降仪斜线段是通过本文第 3 节中的方法找回的观测房建设期的沉降量。(2)察汗乌苏水电站面板堆石坝察汗乌苏水电站面板堆石坝为深厚覆盖层面板堆石坝，坝高 110 m，覆盖层深 46 m。坝体和覆盖层沉降监测采用水管式沉降仪和电磁式沉降管相结合的方式。1)监测成果察汗乌苏水电站坝体最大断面 DTC3 沉降管测得的坝体沉降沿高程分布见图 7。蓄水后截止2009 年6 月，库水位高程1 645 m，测点最大沉降值为 53 8 cm，发生在高程 1 588 48 m 的DTC3 8 测点;其中，覆盖层顶面沉降量为376 cm。采用三维有限元静力计算的正常蓄水位情况下(库水位)，坝体沉降最大值为 62 cm 左右，发生的高程为1 570 m 左右;其中，覆盖层沉降为 50 cm 左右。实测的坝体沉降和覆盖层沉降比有限元计算结果都96西北水电2011 年第 1 期小;最大沉降实际发生位置比有限元计算结果高。2)水管式沉降仪和电磁式沉降管对比图 7坝体 DTC3 沉降管各测点沉降沿高程分布图图8察汗乌苏水电站电磁式沉降管与水管式沉降仪相近测点沉降对比图由于施工破坏，建基面以下覆盖层的分层沉降测点无法恢复。测点沉降监测是以管口高程为基准。电磁式沉降管与水管式沉降仪相近测点沉降对比见图 8。从图 8 的沉降管与水管式沉降仪测点沉降过程对比图中可以看出:水管式沉降仪测点测值明显小于电磁式沉降管测点测值，这主要与水管式沉降仪始测日期较晚，损失了部分沉降量有关。从图 8 的沉降管与水管式沉降仪测点同时期沉降过程对比图来看，两者沉降测值相近。从测值稳定性来看，水管式沉降仪测点测值稳定性要好于电磁式沉降管;这主要与电磁式沉降管监测方法有关。DTC3 沉降管由于施工破坏，建基面以下测点无法恢复，因此测点沉降以管口高程为基准进行监测;该测量方法的误差要大于水管式沉降仪。5结论通过对面板堆石坝坝体沉降监测技术的总结，得到以下主要结论:(1)水管式沉降仪与电磁式沉降管相结合的方式，能对面板堆石坝坝体沉降形成网格化监测，可得到较完整、全面的监测资料;而且，2 种监测手段可互相校验。(2)通过对 2 种监测方法的对比可知，电磁式沉降管监测范围相对较大，受影响较小;电磁式沉降管以孔底作为基准点观测时，观测误差与水管式沉降仪相当，以管口为基准点观测时，误差较水管式沉降仪大。(3)在坝后观测房施工滞后的情况下，应准确测量水管式沉降仪测点安装高程(出水口高程);观测房基准点应尽早投入观测。(4)通过对电磁式沉降管改进，能解决坝轴线上游、面板下部电磁式沉降管的永久监测问题。(5)无论哪种监测方法，安装和观测时均需严格按照规程规范、设计要求和仪器使用说明书的规定进行。参考文献:1陈念水，陈树联，王卫国 电磁式沉降管在公伯峡面板堆石坝变形观测中的应用 J 西北水电，2007，(4):82 86 2陈树联，张雷，张群，顾永明 公伯峡面板堆石坝坝体沉降变形规律分析J 水电自动化与大坝监测，2009，(5):56 6007顾永明，陈树联，王伟 面板堆石坝坝体沉降监测方法技术总结