胡靈芝 張 帥 覃珊珊

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

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黃登水電站超高碾壓混凝土重力壩安全監(jiān)測設計

胡靈芝 張 帥 覃珊珊

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

為了確保黃登水電站超高碾壓混凝土重力壩的安全性，對該大壩布置了相對完善和有針對性的安全監(jiān)測體系，并闡述了大壩監(jiān)測設計的主要內(nèi)容和項目，介紹了幾種監(jiān)測新技術，提高了監(jiān)測的精度及效率。

水電站，安全監(jiān)測體系，壩基，應力

1 概述

黃登水電站位于云南省蘭坪縣境內(nèi)的瀾滄江上游河段，是一座以發(fā)電為主，兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等綜合效益的大型水利水電工程。水庫正常蓄水位為1 619.00 m，其相應庫容為15.49×108m3，校核洪水位為1 622.73 m，其相應庫容為16.70×108m3，調(diào)節(jié)庫容為8.28×108m3，水庫具有季調(diào)節(jié)性能，電站裝機容量1 900 MW(4×475 MW)。工程主要由碾壓混凝土重力壩、壩身泄洪表孔、泄洪放空底孔、左岸折線壩身進水口及地下引水發(fā)電系統(tǒng)等部分組成。

黃登水電站大壩為世界在建的最高碾壓混凝土重力壩，壩高203 m，工程地形地質(zhì)條件復雜、壩高、泄洪功率大、技術難度高，存在很多超越現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范的技術應用，其管理和運行均無經(jīng)驗可循。針對以上特點，黃登安全監(jiān)測設計工作開展了大量的研究分析和論證工作，對大壩布置了相對完善和有針對性的安全監(jiān)測體系，為全面有效的監(jiān)控大壩安全以及工程科學調(diào)度奠定了重要的基礎。

2 設計布置原則和重點、難點

2.1 設計布置原則

安全監(jiān)測體系主要目的是監(jiān)控建筑物安全、為信息化設計提供基礎參數(shù)、掌握運行規(guī)律、指導施工和運行、反饋設計[1]。大壩安全監(jiān)測布置以監(jiān)控大壩實際安全為主，同時兼顧設計、施工、科研的需要。監(jiān)測項目的選擇和監(jiān)測儀器布置，緊密結(jié)合工程特點及實際情況，突出重點，統(tǒng)籌考慮，配合布置，盡可能滿足安全監(jiān)測資料成果分析、反饋的要求。

選用的監(jiān)測儀器設備應耐久、可靠、實用、有效和先進。

2.2 設計布置的重點和難點

黃登水電站大壩是位于高山峽谷區(qū)的200 m級超高碾壓混凝土重力壩，河谷狹窄、兩岸岸坡陡峻[2]，壩基開挖復雜且側(cè)向坡比較大，故對壩體變形及其變形協(xié)調(diào)性、滲流、抗震、側(cè)向穩(wěn)定、應力以及混凝土溫控的監(jiān)測布置作為監(jiān)測設計的重點和難點。

同時，黃登水電站校核洪水標準為擋水建筑物最大下泄流量約13 854 m3/s，總泄洪功率約17 500 MW，最大單寬流量約250 m3/(m·s)，具有河谷窄、水頭高、大流量、高流速等特點。故將泄洪消能建筑物的結(jié)構(gòu)及水力學監(jiān)測作為監(jiān)測設計的重點之一。

3 安全監(jiān)測體系布置

3.1 環(huán)境量監(jiān)測

1)上下游水位。在水庫上游水流平穩(wěn)壩段和下游尾水后分別設置水尺和自記水位計，對水庫上下游水位的變化情況進行監(jiān)測。

2)水溫。在重點監(jiān)測壩段上游壩面沿水深上密下疏布置溫度計監(jiān)測水庫水溫變化。在尾水出口混凝土襯砌表面布置4支溫度計，監(jiān)測尾水出口水溫。

3)氣象監(jiān)測。在壩區(qū)左右岸各設置1座簡易氣象監(jiān)測站，采用自動化監(jiān)測壩區(qū)氣溫、降水量等氣象條件。

4)壩前淤積和壩后沖刷。壩前淤積地形測量范圍：大壩上游面至上游索道橋的上游200 m，高程1 625 m以下的區(qū)域(包含河流水下地形)，河道長度約1.0 km，地形測量面積約0.5 km2。

下游河道沖刷測量范圍：壩后水墊塘至黃登大橋下游100 m，高程測至兩岸底線公路，河道長度約1.0 km，地形測量面積約0.25 km2。

地形圖測量比例尺為1∶500。

3.2 樞紐區(qū)變形監(jiān)測網(wǎng)

1)平面位移監(jiān)測網(wǎng)。平面位移監(jiān)測網(wǎng)共由21個平面網(wǎng)點組成，包括6個基準點組和13個工作基點組，監(jiān)測網(wǎng)等級為專一等，測角中誤差為±0.5″，測距精度為±(1.0 mm+1.0 ppm×D)。

2)垂直位移監(jiān)測網(wǎng)。垂直位移監(jiān)測網(wǎng)由19個水準點組成，包含3個平硐基準點、16個水準點。等級為一等，水準測量的偶然中誤差為±0.45 mm/km，水準測量的全中誤差為±1.0 mm/km。

3.3 變形監(jiān)測

大壩變形監(jiān)控系統(tǒng)采用“7豎3橫”的布置方式：“7豎”為7個重點監(jiān)測斷面(右壩肩，6號，8號，11號，14號，17號，左壩肩)，“3橫”為1 479 m高程檢查廊道、1 532 m高程檢查廊道和壩頂。

1)水平位移。在重點監(jiān)測壩段布置正倒垂線組，左岸壩肩布置倒垂線。同時考慮14號壩段為轉(zhuǎn)折壩段，并兼顧其他監(jiān)測設施的布置，大壩壩頂從右至左共布置了2套真空激光準直系統(tǒng)，監(jiān)測壩頂水平位移和垂直位移。

在中間高程檢查廊道各布置1條引張線，監(jiān)測壩體順河向位移。

為滿足人工比測、施工期監(jiān)測和特殊條件下人工輔助監(jiān)測的要求，在每個壩段的壩頂和1 581 m高程壩后馬道各布置1個表面變形監(jiān)測點。

2)垂直位移。在每個壩段壩頂、1 532 m高程廊道及壩基帷幕灌漿廊道內(nèi)各布置1個水準點監(jiān)測壩體壩基垂直位移，根據(jù)真空激光準直系統(tǒng)、靜力水準的布置，在右岸壩肩，8號，14號，17號壩段及左岸壩肩倒垂孔旁布置雙金屬標。

在8號～14號壩段1 479 m高程檢查廊道、8號～17號壩段的1 532 m高程檢查廊道內(nèi)，分別布置1套橫河向靜力水準，監(jiān)測壩體不同壩段和不同高程的垂直位移。

3)壩基變形。壩基深部壓縮變形主要采用多點位移計和基巖變形計，根據(jù)壩基巖體分布和壩段特點，選擇典型壩段的壩踵、壩中、壩趾處分別布置1套多點位移計；以及壩踵、壩趾處分別布置1套基巖變位計，監(jiān)測基巖的深部變形。

4)壩體接縫及裂縫。在重點監(jiān)測壩段的壩踵、壩趾的混凝土與基巖接觸面布置測縫計，監(jiān)測接縫開合度變化情況。在大壩壩踵重點部位布置裂縫計，對運行期壩體混凝土可能的開裂情況進行監(jiān)測。

在側(cè)向坡比較大的壩段基礎和壩體接觸面上布置單向測縫計，監(jiān)測接縫開合度變化情況，評價壩段的側(cè)向穩(wěn)定問題。

3.4 滲流監(jiān)測

1)壩基揚壓力。沿上游基礎灌漿及排水基礎廊道每個壩段的排水幕上，分別布置1支壩基測壓管構(gòu)成揚壓力第一縱向監(jiān)測主斷面，監(jiān)測上游壩基帷幕的防滲情況；沿下游側(cè)帷幕灌漿及排水廊道在每個壩段的排水幕前，分別布置1支壩基測壓管構(gòu)成揚壓力第二縱向監(jiān)測主斷面，監(jiān)測下游壩基帷幕的防滲情況。

在監(jiān)測壩段壩基利用橫向排水廊道布置3支以上測壓管或者沿建基面順河向在帷幕前后分別布置多支滲壓計，構(gòu)成揚壓力監(jiān)測橫斷面，監(jiān)測大壩蓄水后揚壓力實際分布情況。

2)滲透壓力。選擇在重點監(jiān)測壩段1 550 m高程以下，高程上間隔30 m～50 m，在壩體上游側(cè)豎向排水管前后的碾壓混凝土澆筑層面上埋設滲壓計，監(jiān)測混凝土施工縫上的層間滲水壓力，評價混凝土的施工質(zhì)量和防滲效果。

3)滲流量。在大壩壩基壩體排水廊道、壩基集水井前和兩岸灌漿、排水洞出口處建三角形量水堰，分區(qū)測量壩體及壩基滲水流量，評價壩基和壩體防滲情況。

4)繞壩滲流。在左右壩肩邊坡各布置12個～13個水位孔、在兩岸各層灌漿洞內(nèi)共埋設12個測壓管監(jiān)測兩岸繞壩滲流狀況。

5)水質(zhì)監(jiān)測。庫區(qū)水質(zhì)監(jiān)測取樣點選擇河床壩段、左右岸泄洪放空底孔及溢流壩段、下游尾水和兩岸灌漿洞內(nèi)，以監(jiān)測壩體、壩基及岸坡的水質(zhì)變化，分析庫區(qū)水質(zhì)化學成分和壩基滲漏水水質(zhì)分析進行綜合比較判別。

3.5 應力應變及溫度監(jiān)測

1)應力應變。選擇在重點監(jiān)測壩段，沿高程方向間隔約40 m布置一個監(jiān)測截面，在監(jiān)測斷面的壩體上游、壩中、下游部位布置五向應變計組，監(jiān)測壩體混凝土的應力應變大??；在典型壩段受力條件較為明確的低高程壩踵和壩趾布置單向應變計組，監(jiān)測其應變大小。

在布置壩體應力應變的相同監(jiān)測壩段的壩踵、壩中、壩趾建基面上布置壓應力計，監(jiān)測壩踵、壩中、壩趾處的壓應力大小和變化。

2)溫度。在重點監(jiān)測壩段斷面，沿高程方向間隔約20 m～25 m布置一個監(jiān)測截面，在監(jiān)測截面上以15 m～20 m左右間距呈網(wǎng)格狀布置溫度計，監(jiān)測大壩的溫度場。在各重點觀測斷面下游壩坡布置表面溫度計觀測坡面混凝土溫度的變化。

在重點監(jiān)測壩段基巖面內(nèi)鉆豎直孔，每孔內(nèi)布置4支溫度計，監(jiān)測基巖的溫度及其蓄水前后的溫度變化。

3.6 地震反應監(jiān)測

1)強震監(jiān)測。在7號，12號，17號壩段的基礎灌漿廊道、壩體檢查廊道及壩頂分別布置強震監(jiān)測點，對地震工況下建筑物的動力放大系數(shù)、地震的振型和相位等進行監(jiān)測。在大壩下游區(qū)及左右壩肩邊坡布置強震監(jiān)測點，監(jiān)測左右岸壩肩及下游壩基的地震動多點和多維輸入情況。

2)橫縫開度動態(tài)監(jiān)測。由于轉(zhuǎn)折壩段受力、體型情況均較為復雜，在地震工況下橫縫開度變化直接影響止水的工作狀態(tài)，因此有必要對轉(zhuǎn)折壩段橫縫在地震工況下開度進行動態(tài)監(jiān)測，采用在轉(zhuǎn)折壩段橫縫布置光纖光柵測縫計作橫縫開度監(jiān)測。

3)應力動態(tài)監(jiān)測。選擇在8號，11號和14號轉(zhuǎn)折壩段的上游壩面、壩踵、上游起坡點、上下游壩頭等體型變化部位抗震鋼筋上布置光纖光柵鋼筋計，監(jiān)測地震工況下鋼筋應力。

3.7 水力學監(jiān)測

黃登大壩泄水建筑物水力學監(jiān)測主要包括遺留表孔、泄洪放空底孔、水墊塘以及下游護岸等。監(jiān)測項目設置有水流流態(tài)及水面線、泄流水舌軌跡、動水壓力、底流速、空穴監(jiān)聽、不平整度及空蝕調(diào)查、振動與下游霧化等。

4 監(jiān)測新技術的研究和應用

在滿足現(xiàn)行有關規(guī)范的前提下，為更加全面和高效地監(jiān)測大壩安全，黃登大壩安全監(jiān)測設計時進行了大量的調(diào)研工作，并對監(jiān)測新技術和手段進行了研究和應用，主要有如下幾個方面：

1)采用分段埋設雙金屬標進行高程傳遞。對于混凝土壩，目前通用的做法是在大壩壩體內(nèi)設置專門的豎井或豎向監(jiān)測孔，沿豎井或豎向監(jiān)測孔懸掛銦鋼尺進行高程傳遞。

對此，黃登大壩監(jiān)測設計時進行了創(chuàng)新，采用雙金屬標進行高程傳遞，為實現(xiàn)自動化監(jiān)測，保證數(shù)據(jù)的及時性和實時性提供了解決辦法。具體為在8號及14號從壩頂至壩基廊道分段布置雙金屬標，將壩外的水準高程傳遞至壩內(nèi)。壩基廊道內(nèi)雙金屬標點作為水準工作基點，日常觀測時不需要校核，當懷疑有位移和水準網(wǎng)需年度復測時，利用8號及14號壩段雙金屬標從壩頂進行校核。

2)采用光纖光柵監(jiān)測儀器進行地震工況下的動態(tài)監(jiān)測。由于轉(zhuǎn)折壩段受力、體型情況均較為復雜，在地震工況下橫縫開度變化和應力變化直接影響大壩的工作狀態(tài)，因此采用在轉(zhuǎn)折壩段橫縫布置光纖光柵測縫計和鋼筋計作地震工況下動態(tài)監(jiān)測。

3)采用真空激光準直系統(tǒng)監(jiān)測壩體變形。變形作為大壩工作狀態(tài)最重要和最直觀的指標之一，高精度和實時的變形監(jiān)測至關重要。由于傳統(tǒng)的表面變形監(jiān)測點不能實時監(jiān)測，且垂線布置數(shù)量有限制，為彌補上述不足，在大壩壩頂布置了真空激光準直測量系統(tǒng)，從而實現(xiàn)自動、高精度地監(jiān)測大壩變形。

5 結(jié)語

黃登水電站大壩為世界在建的最高碾壓混凝土重力壩，壩高超過200 m，存在很多超越現(xiàn)有規(guī)程規(guī)范的技術應用，其管理和運行均無經(jīng)驗可循。為全面有效的監(jiān)控大壩安全，更好地為工程建設運行服務，黃登大壩安全監(jiān)測設計開展了大量的研究分析和論證工作，布置了相對完善和有針對性的安全監(jiān)測體系；同時，針對工程特點，對部分監(jiān)測新技術和手段進行了研究和應用。目前，黃登水電站大壩安全監(jiān)測正是實施高峰階段，已取得的工程安全監(jiān)測成果為掌握大壩形態(tài)及驗證工程措施實施效果提供了較為重要的依據(jù)。

[1] 吳中如.水工建筑物安全監(jiān)控理論及其應用[M].北京:高等教育出版社,2003.

[2] 張萬奎，王文遠，黃德凡.黃登水電站大型不良地質(zhì)體勘察研究[J].云南水力發(fā)電,2015,31(5)：82-83.

On safety supervision design of ultra-high rollercompacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station

Hu Lingzhi Zhang Shuai Tan Shanshan

(Kunming Survey and Design Instittute Co., Ltd, Power Construction Corporation China, Kunming 650051, China)

In order to ensure the safety of ultra-high roller compacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station, the paper allocates the safety inspection system at the dam, illustrates the main contents and programs in the dam supervision design, and introduces some monitoring techniques, so as to improve the accuracy of the supervision.

hydropower station, safety monitoring system, dam foundation, stress

1009-6825(2016)34-0208-03

2016-09-24

胡靈芝(1980- )，女，高級工程師

TV642.3

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