吳立興 張猛

新疆某水利樞紐工程主要由攔河壩、泄水建筑物、放水兼發(fā)電引水建筑物、壩后式電站廠房和過魚建筑物等組成，為Ⅱ等大（2）型。攔河壩為碾壓混凝土重力壩，最大壩高75.5 m，壩頂總長372.0 m，共分為21個壩段。電站裝機27.6 MW。水庫總庫容2.94億m3，通過庫容調(diào)節(jié)，徹底解決河道斷流及其帶來的一系列生態(tài)問題。

工程地處嚴寒區(qū)，多年平均氣溫3.6℃，極端最高氣溫40.9℃，極端最低氣溫-42.0℃。工程周邊地區(qū)地震活動強烈，具有頻度與強度均較高的特點，距下壩址約600 m烏倫古河斷裂（F11）為活動斷層，壩址區(qū)地震動峰值加速度為0.20g。

1 安全監(jiān)測設(shè)計目的及原則

安全監(jiān)測設(shè)計以監(jiān)控各建筑物在施工期、蓄水期和運行期的安全為主要目的，同時兼顧反饋設(shè)計、優(yōu)化施工等需要。監(jiān)測設(shè)計遵循以下原則：

（1）監(jiān)測布置突出重點，兼顧全面。根據(jù)工程地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點，選擇重點部位進行重點監(jiān)測，并兼顧一般部位，形成全面完善的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

（2）監(jiān)測系統(tǒng)力求性能可靠，操作簡便。此外，還應(yīng)具有先進性、經(jīng)濟性和長期穩(wěn)定性，能反映出當前大壩安全監(jiān)測的技術(shù)和水平。

（3）施工期與運行期全過程監(jiān)測。監(jiān)測儀器盡可能在施工期開始監(jiān)測，滿足工程施工期與運行期各階段的監(jiān)測要求。

（4）重點監(jiān)測項目多種手段互相校驗。對重點部位的重點監(jiān)測項目采用多種監(jiān)測手段互相校驗，以便在資料分析時互相印證。

（5）自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測相結(jié)合。施工期以人工觀測為主，在運行期以自動化監(jiān)測為主。

（6）儀器監(jiān)測與人工巡視檢查相結(jié)合。

2 監(jiān)測內(nèi)容

按照相關(guān)規(guī)范[1]，本工程主要對攔河壩、消力池、壓力管道及岔管、壩后式電站廠房和建筑物邊坡等進行監(jiān)測?？紤]工程地處嚴寒、強震地區(qū)，壩體混凝土應(yīng)力狀況復(fù)雜、施工期溫控要求高，因此重點對壩體的變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度以及地震反應(yīng)進行監(jiān)測，同時兼顧一般監(jiān)測部位和項目，并對影響效應(yīng)量變化的環(huán)境量進行監(jiān)測。

3 監(jiān)測布置

3.1 環(huán)境量監(jiān)測

環(huán)境量監(jiān)測主要是對大壩作用量的監(jiān)測，根據(jù)工程建筑物級別及工程結(jié)構(gòu)特點，主要設(shè)置水位、水溫、氣溫、降雨量監(jiān)測項目。

3.1.1 上、下游水位監(jiān)測

在攔河壩上、下游靜水區(qū)域便于觀測的位置分別布置水尺監(jiān)測水位，同時布置1支水位計實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

3.1.2 水溫

在上游壩面保溫層外的溫度計進行監(jiān)測。

3.1.3 氣溫監(jiān)測在攔河壩壩頂設(shè)置1個氣溫監(jiān)測點，采用自記溫度計進行監(jiān)測，溫度計布置在專用百葉箱內(nèi)。

3.1.4 降雨量監(jiān)測

在壩頂開闊區(qū)域布置1套雨量計，監(jiān)測庫區(qū)降雨量。

3.1.5 壩前淤積監(jiān)測

在水庫蓄水前進行原始地形測量，水庫蓄水后每年的汛前和汛后進行水下地形測量監(jiān)測壩前淤積。

3.2 變形監(jiān)測控制網(wǎng)

變形監(jiān)測控制網(wǎng)包括平面位移監(jiān)測控制網(wǎng)和垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)，分兩層次進行布置，第一層次為基準點網(wǎng)，第二層次為工作基點網(wǎng)。

3.2.1 水平位移監(jiān)測控制網(wǎng)

水平位移監(jiān)測網(wǎng)坐標系與電站施工坐標系一致，根據(jù)壩址區(qū)地形地質(zhì)和樞紐各建筑物布置情況，初步建立覆蓋樞紐建筑物、邊坡等部位的工作基點2個，基準點2～4個。水平位移監(jiān)測網(wǎng)采用GNSS完成初始值觀測和校測工作，布設(shè)如圖1所示。

圖1 變形監(jiān)測網(wǎng)布置簡圖

3.2.2 垂直位移監(jiān)測控制網(wǎng)

垂直位移基準點由3個基巖標組成，布置在大壩下游1 km以外區(qū)域穩(wěn)定新鮮的巖基上，作為攔河壩、廠房等建筑物垂直位移測量的基準。工作基點布置在攔河壩、廠房等建筑物附近地質(zhì)構(gòu)造較好、新鮮穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，其中攔河壩附近和廠房附近各設(shè)2個工作基點。

3.3 攔河壩

根據(jù)工程地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)型式，在攔河壩最大壩高處的10#和14#壩段布置2個重點監(jiān)測斷面，在左、右岸坡6#和18#壩段布置2個一般監(jiān)測斷面，重點監(jiān)測斷面包括變形、滲流、應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測，一般監(jiān)測斷面以變形和滲流監(jiān)測為主。此外在壩體表面、壩體與岸坡及基礎(chǔ)交界部位、壩體基礎(chǔ)內(nèi)布置監(jiān)測儀器進行全面監(jiān)測。典型重點監(jiān)測斷面布置如圖2所示。

圖2 攔河壩重點監(jiān)測斷面布置圖

3.3.1 變形監(jiān)測

3.3.1.1 水平位移

水平位移采用引張線結(jié)合正、倒垂垂線組的方法進行監(jiān)測。在壩頂和壩基廊道內(nèi)各布置1條引張線，兩壩肩1#和21#壩段分別布置正、倒垂線組，作為壩頂引張線的基準點，在11#和15#壩段分別布置1條正、倒垂線組，壩體每級廊道分別設(shè)測點，作為壩基引張線的基準點，引張線歷經(jīng)壩段各設(shè)1個測點。壩頂引張線采用浮托式引張線，壩基廊道內(nèi)引張線采用無浮托式引張線。正、倒垂線組作為引張線基準點的同時，監(jiān)測所在壩段的壩體和壩基水平位移。

在布置垂線組的壩段和部分典型壩段頂部各設(shè)置1個表面水平位移監(jiān)測點，用交會法監(jiān)測各壩段水平位移，與垂線與引張線測值進行比對和校驗。

3.3.1.2 垂直位移

壩體和壩基的垂直位移采用精密水準法監(jiān)測。壩頂和壩基每個壩段結(jié)合水平位移測點分別布置1個垂直位移測點，在壩頂兩岸穩(wěn)定基巖上各布置1個巖石標工作基點，另外在基礎(chǔ)廊道布置1套雙金屬管標工作基點?；鶞庶c布置在壩下1 km以外穩(wěn)定新鮮的巖基上。

3.3.1.3 壩基傾斜

在每個重點監(jiān)測斷面和一般監(jiān)測斷面的基礎(chǔ)橫向廊道內(nèi)沿上、下游方向在壩踵、壩中和壩趾位置各布置1個垂直位移測點，用精密水準法監(jiān)測壩基傾斜變形。

3.3.1.4 基巖變形

基巖變形采用基巖變形計進行監(jiān)測。在每個重點監(jiān)測斷面和一般監(jiān)測斷面壩踵及壩趾分別布置1套基巖變形計，監(jiān)測基礎(chǔ)巖體變形。

3.3.1.5 接縫開合度

接縫開合度采用測縫計監(jiān)測，主要對壩體橫縫、壩體與基巖及壩肩巖體接縫的開合度。

在重點監(jiān)測斷面各選擇2個橫縫，一般監(jiān)測斷面各選擇1個橫縫，每個橫縫分別在壩基、壩中和壩頂高程附近各布置1支測縫計監(jiān)測誘導(dǎo)縫變化。

在壩體與兩岸坡連接位置各布置3支測縫計，分別布置在壩基、壩頂高程附近和建基面高程突變位置，監(jiān)測接縫開合度變化。

在每個重點監(jiān)測斷面和一般監(jiān)測斷面的壩踵及壩趾與基巖接縫位置各布置1支豎向測縫計，在壩體與上游巖體接縫位置各布置1支測縫計，監(jiān)測壩體與壩基及上游巖體的接縫開合度變化。

在導(dǎo)流底孔與封堵混凝土接縫之間沿上、下游方向布置2個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置4支測縫計監(jiān)測封堵混凝土與壩體之間的開合度變化情況，同時在施工期用于指導(dǎo)灌漿施工。

3.3.2 滲流監(jiān)測

3.3.2.1 壩基揚壓力

壩基揚壓力采用滲壓計和測壓管結(jié)合進行監(jiān)測。在攔河壩布置4個橫向滲流監(jiān)測斷面和1條縱向滲流監(jiān)測斷面。每個橫向在灌漿帷幕前布置1支滲壓計、在灌漿帷幕后沿水流方向在壩基布置3～4支測壓管。縱向監(jiān)測斷面布置在灌漿帷幕后第一道排水幕線上，在每個壩段各布置1根測壓管，測壓管內(nèi)安裝滲壓計，以實現(xiàn)自動化監(jiān)測。

3.3.2.2 壩體滲透壓力

壩體滲透壓力主要監(jiān)測碾壓混凝土的層間滲透壓力，采用滲壓計監(jiān)測。在攔河壩重點監(jiān)測斷面正常蓄水位以下966.0、986.0 m高程附近的混凝土澆筑縫，分別在上游壩面與壩體排水管之間布置5支滲壓計，監(jiān)測混凝土的層間滲透壓力，評價混凝土的施工質(zhì)量和防滲效果。

在導(dǎo)流底孔與封堵混凝土接縫之間沿上下游方向布置2個監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面布置4支滲壓計監(jiān)測封堵混凝土與壩體之間的滲透壓力。

3.3.2.3 繞壩滲流

繞壩滲流采用測壓管監(jiān)測。沿流線方向，在攔河壩右岸布置2個監(jiān)測斷面。由于攔河壩左岸存在單薄山體，在攔河壩左岸布置6個監(jiān)測斷面，斷面布置在灌漿帷幕折線位置和斷層位置附近。每個監(jiān)測斷面分別布置2～3個測點，其中帷幕前各設(shè)1個測點。

3.3.2.4 滲流量

滲流量監(jiān)測采用量水堰監(jiān)測。在基礎(chǔ)廊道上、下游側(cè)排水溝與滲漏集水井交匯位置前端布置4套量水堰，在壩體994.0 m高程排水廊道的各個出水口位置各布置1套量水堰，監(jiān)測壩基和壩體滲流量。

3.3.2.5 水質(zhì)分析

在量水堰堰口、滲流出口等部位取得水樣與庫水樣做相同項目分析。水質(zhì)分析主要進行簡分析，分析項目包括水溫、色度、混濁度、氣味、pH值等。

3.3.3 應(yīng)力應(yīng)變及溫度監(jiān)測

3.3.3.1 應(yīng)力應(yīng)變

為監(jiān)測壩體應(yīng)力的分布情況，在攔河壩每個重點監(jiān)測斷面壩基附近966.0 m高程和上游壩面轉(zhuǎn)折部位986.0 m高程附近各選擇2個水平監(jiān)測截面，每個監(jiān)測截面在上、下游壩面附近及壩體內(nèi)布置3～4組五向應(yīng)變計組，每組應(yīng)變計組附近同時布置1支無應(yīng)力計，監(jiān)測壩體混凝土應(yīng)變。

在底孔、表孔和導(dǎo)流底孔等部位分別布置一定數(shù)量的鋼筋計和應(yīng)變計，監(jiān)測局部結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變。

3.3.3.2 溫度

通過壩體的溫度監(jiān)測可以了解壩體溫度場的分布和溫度對壩體表面及壩體內(nèi)部應(yīng)力變化的影響，并檢驗施工期溫控措施和運行期保溫措施的效果。

在壩體每個重點監(jiān)測斷面按照10 m左右間距網(wǎng)格布置溫度計，溫度計結(jié)合壩體應(yīng)變計組布置，有應(yīng)變計組的位置不再布置溫度計。上游壩面位置的溫度計在水位變動區(qū)域測點適當加密，此外在上游保溫層以外與壩面保溫層內(nèi)對應(yīng)布置一排溫度計，以檢驗保溫層的保溫效果，并在水庫蓄水后監(jiān)測庫水溫。

每個監(jiān)測斷面基礎(chǔ)壩踵和壩趾位置分別鉆孔安裝4支溫度計，布置在基巖面以下8 m范圍內(nèi)，監(jiān)測壩基溫度。

3.4 消力池

消力池主要進行垂直位移、揚壓力和錨桿應(yīng)力監(jiān)測。

3.4.1 垂直位移監(jiān)測

垂直位移采用精密水準法測量，在消力池兩側(cè)邊墻各布置4個垂直位移測點，工作基點與電站廠房共用。

3.4.2 揚壓力監(jiān)測

消力池揚壓力采用滲壓計監(jiān)測。在消力池底板下設(shè)1個縱向揚壓力監(jiān)測斷面和2個橫向監(jiān)測斷面?？v向監(jiān)測斷面布置在中心線上，沿水流方向在底板下布置4支滲壓計。橫向監(jiān)測斷面布置在消力池中間部位和末端部位附近，每個監(jiān)測斷面在左、中、右底板位置共布置3支滲壓計。

3.4.3 錨桿應(yīng)力監(jiān)測

在水墊塘設(shè)2個縱向監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在底板選擇5支錨桿布置錨桿應(yīng)力計，監(jiān)測錨桿應(yīng)力。

3.5 壓力鋼管及岔管

壓力鋼管及岔管主要進行開合度、管道外水壓力和應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。

3.5.1 開合度監(jiān)測

開合度監(jiān)測主要監(jiān)測鋼管與周圍混凝土縫隙變化，采用測縫計監(jiān)測。在壓力鋼管和鋼岔管部位各選擇1個監(jiān)測斷面，每個斷面各布置4個測點進行監(jiān)測。

3.5.2 外水壓力監(jiān)測

在壓力鋼管選擇兩個監(jiān)測斷面，每個斷面各布置4支滲壓計，監(jiān)測壓力鋼管周圍外水壓力。

3.5.3 應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測

在開合度監(jiān)測斷面位置同時監(jiān)測鋼板應(yīng)力，每個斷面在壓力鋼管四周分別布置1組兩向鋼板計，并在鋼岔管外焊縫附近布置8～9組兩向鋼板計，監(jiān)測鋼板應(yīng)力。

3.6 電站廠房

電站廠房主要進行垂直位移、接縫開合度和揚壓力監(jiān)測。

3.6.1 垂直位移監(jiān)測

垂直位移采用精密水準法測量，在廠房下游側(cè)尾水平臺和廠房結(jié)構(gòu)縫等位置設(shè)6～10個垂直位移標點，在廠房附近穩(wěn)定基巖位置布置2個工作基點，水準基點與壩體共用。

3.6.2 開合度監(jiān)測

在廠房結(jié)構(gòu)縫之間及廠房與基巖接觸面共布置16～18支測縫計，監(jiān)測接縫開合度變化。

3.6.3 揚壓力監(jiān)測

在廠房2#機組和安裝間中心線位置建基面分別布置1個揚壓力監(jiān)測斷面，每個監(jiān)測斷面在底板下沿水流方向各布置4支滲壓計，監(jiān)測廠房基礎(chǔ)揚壓力。

3.7 邊坡變形監(jiān)測

邊坡變形監(jiān)測包括表面變形和內(nèi)部變形監(jiān)測[2]。表面變形采用交會法觀測，根據(jù)邊坡開挖情況，在壩體和魚道等建筑物邊坡布置一定數(shù)量的表面變形測點，工作基點納入外部變形監(jiān)測網(wǎng)。內(nèi)部變形采用多點位移計監(jiān)測，測點結(jié)合表面變形測點布置。

另在壩址下游F11活斷層附近的上盤和下盤位置分別布置3個表面變形監(jiān)測點，監(jiān)測活斷層可能發(fā)生的相對變形，采用GNSS進行監(jiān)測。

3.8 水力學(xué)監(jiān)測

在表孔和底孔各布置1個監(jiān)測斷面，分別布置8支脈動壓力傳感器進行監(jiān)測。

3.9 地震反應(yīng)監(jiān)測

工程處于地震活動強烈地區(qū)，為監(jiān)測強震對工程造成的影響，設(shè)置結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣。采用強震儀監(jiān)測，每臺強震儀含3分向拾振器。在溢流壩段和右岸非溢流壩段各布置1個監(jiān)測斷面，每個斷面的基礎(chǔ)廊道和壩頂分別布置1個測點，另在距離壩址下游350 m左右自由場布置1個測點，進行壩體及場地地震反應(yīng)監(jiān)測。

3.10 巡視檢查

從施工期到運行期，攔河壩及其附屬建筑物，均應(yīng)定期進行巡視檢查。具體巡視檢查項目及要求按照《混凝土壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》SL 601—2013及相關(guān)設(shè)計要求進行。

4 監(jiān)測自動化

安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)采用分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由監(jiān)測站及中心監(jiān)測站組成，各現(xiàn)場監(jiān)測站之間及現(xiàn)場監(jiān)測站與中心監(jiān)測站之間采用雙絞線進行通信，基本框架如圖3所示。

圖3 監(jiān)測自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

各現(xiàn)場監(jiān)測站內(nèi)設(shè)置數(shù)據(jù)采集測控單元（MCU），具有自動采集、信號轉(zhuǎn)換和輸出功能，同時結(jié)合工程特點滿足防雷、防寒等功能要求。中心監(jiān)測站內(nèi)設(shè)置工控機、服務(wù)器及輔助設(shè)備，具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、管理與分析、檢索查詢、異常報警等功能，并能將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行遠程上傳。

5 針對性設(shè)計

為適應(yīng)嚴寒、強震等工程條件，設(shè)計過程中采取了以下針對性措施，監(jiān)測大壩工作性態(tài)和保證監(jiān)測系統(tǒng)正常運行。

（1）在上游保溫層內(nèi)、外沿不同高度對應(yīng)布置溫度計，檢驗保溫層的保溫效果。

（2）壩頂引張線安裝在預(yù)留溝槽內(nèi)，加蓋防風蓋板，測點采用變壓器油作為浮液解決低溫結(jié)冰問題，并在測點裝置設(shè)置保溫棉進行保溫。

（3）工程設(shè)置結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺陣，監(jiān)測強震對工程造成的影響，并在壩址下游活斷層上、下盤對應(yīng)布置3組變形監(jiān)測點，監(jiān)測活斷層可能發(fā)生的相對變形。

6 結(jié) 語

安全監(jiān)測設(shè)計是一個動態(tài)過程，隨著工程的進展將進行全過程跟蹤設(shè)計優(yōu)化，結(jié)合工程基礎(chǔ)揭露的地質(zhì)條件逐步完善滲流和變形監(jiān)測布置，以達到實用和可靠的目的，滿足工程安全運行的需要。

本水利樞紐工程地處嚴寒、強震地區(qū)，攔河壩為碾壓混凝土重力壩，結(jié)合環(huán)境條件與碾壓混凝土施工特性，強化儀器埋設(shè)與保護技術(shù)措施，對監(jiān)測系統(tǒng)的功能與正常運行極為關(guān)鍵。