張力鵬

(山西省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

某在建水庫(kù)位于山西省境內(nèi)，水庫(kù)正常蓄水位為304.50m，死水位為298.00m，壩頂高程為306.50m，正常庫(kù)容為982萬(wàn)m3，水庫(kù)總庫(kù)容為1080萬(wàn)m3，死庫(kù)容為345萬(wàn)m3，屬Ⅲ等中型水庫(kù)工程。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高為31.2m，最大壩寬為34.8m，壩頂軸線長(zhǎng)度為180.9m，共分為12個(gè)壩段。壩址區(qū)地層主要為第四系和侏羅系中下統(tǒng)自流井組(泥巖、砂巖、粉砂巖以及頁(yè)巖)，未見(jiàn)斷層發(fā)育，在侏羅系中下統(tǒng)自流井組砂巖中發(fā)育有三組裂隙，整個(gè)壩址區(qū)巖體以弱透水性為主，地表水和地下水對(duì)混凝土均無(wú)腐蝕作用。壩址區(qū)多年平均氣溫為12.3℃，多年平均年降雨量為876.0mm。

2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)備選型

為實(shí)現(xiàn)大壩運(yùn)行狀態(tài)全過(guò)程監(jiān)控，利用計(jì)算機(jī)、傳感器和信息采集處理技術(shù)構(gòu)建大壩運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)測(cè)儀器系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和安全監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)組成[1- 3]，可實(shí)現(xiàn)環(huán)境量監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)，如圖1所示。

根據(jù)實(shí)用性、可靠性、先進(jìn)性、標(biāo)準(zhǔn)化、經(jīng)濟(jì)性和可擴(kuò)展性的原則，采用TS11全站儀、Sprinter 250M水準(zhǔn)儀，LCF- 1強(qiáng)制對(duì)中基座以及B- 2水準(zhǔn)標(biāo)志對(duì)大壩變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用VWD- 50J振弦式二向測(cè)縫計(jì)對(duì)大壩接縫變形進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用BGK- 4500SR滲壓計(jì)對(duì)繞壩滲透壓力和大壩揚(yáng)壓力進(jìn)行監(jiān)測(cè)，采用BGK- 4675LV量水堰計(jì)對(duì)滲流量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，同時(shí)采用NCT3000測(cè)量控制單元對(duì)所有監(jiān)測(cè)儀器進(jìn)行控制，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和匯總。

圖1 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)安裝

大壩水平位移監(jiān)測(cè)主要采用強(qiáng)制對(duì)中基座和全站儀，監(jiān)測(cè)儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括工作基點(diǎn)2個(gè)、校核基點(diǎn)2個(gè)、測(cè)點(diǎn)12個(gè)(每個(gè)壩段布設(shè)1個(gè))；大壩垂直位移監(jiān)測(cè)主要采用水準(zhǔn)標(biāo)志和水準(zhǔn)儀，監(jiān)測(cè)儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括起測(cè)基點(diǎn)2個(gè)、水準(zhǔn)基點(diǎn)3個(gè)、測(cè)點(diǎn)12個(gè)(每個(gè)壩段布設(shè)1個(gè))；接縫變形監(jiān)測(cè)主要采用兩向測(cè)縫計(jì)，安裝在大壩廊道處，共安裝7組(分別在②和③、③和④、④和⑤、⑤和⑥、⑥和⑦、⑦和⑧、⑧和⑨壩段分縫處)共計(jì)14支；揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)和繞壩滲流監(jiān)測(cè)均采用滲壓計(jì)，揚(yáng)壓力共布設(shè)18個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(12個(gè)壩段各布置1個(gè)，并在壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700各布設(shè)2個(gè)橫向觀測(cè)點(diǎn))，均在壩基，而繞壩滲流共布設(shè)4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(左、右岸各2個(gè))，均在壩肩；滲流量監(jiān)測(cè)采用量水堰計(jì)，兩組均布設(shè)在廊道中(左、右岸各布設(shè)1組)[4- 5]。

2.3 監(jiān)測(cè)頻率

大壩水平和垂直位移監(jiān)測(cè)頻率為1次/月，大壩外部接縫、裂縫變形監(jiān)測(cè)頻率為1次/月，大壩內(nèi)部接縫、裂縫監(jiān)測(cè)頻率為1次/月～1次/季，繞壩滲流監(jiān)測(cè)頻率為1次/月，滲流量和揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)頻率為1次/旬～2次/月[6- 8]。

3 監(jiān)測(cè)成果分析

3.1 表面變形

監(jiān)測(cè)得到的大壩水平和垂直位移基準(zhǔn)值情況如圖2所示。從圖2中可知：靠河兩側(cè)的壩段水平位移為正，而中間壩段的水平位移為負(fù)，表明中間壩段偏離視準(zhǔn)線下游方向，兩側(cè)壩段偏離視準(zhǔn)線上游方向；由于各壩段接縫的存在，各壩段之間存在一定的高程差；由于工程還未正式蓄水，因此目前表面變形監(jiān)測(cè)值可作為今后大壩變形的基準(zhǔn)值。

圖2 大壩表面變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.2 接縫變形

不同壩段接縫處的接縫變形量統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖3所示。從圖3中可知：接縫最大變形量出現(xiàn)在4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(③和④分縫的4號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，為0.56mm；接縫最小變形量出現(xiàn)在13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(⑧和⑨壩段分縫的13號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn))，為-0.58mm；平均最大變形量為0.32mm，平均最小變形量為-0.51mm，最大變幅為0.78mm，最小變幅為0.22mm。大壩各測(cè)縫計(jì)測(cè)值無(wú)突變現(xiàn)象，變形量較小且均勻，總體上向閉合方向發(fā)展；大壩分縫開(kāi)合度受溫度的影響較大，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)氣溫較高時(shí)，縫面呈閉合狀態(tài)，當(dāng)溫度降低后，縫面呈張開(kāi)狀態(tài)，因此各測(cè)點(diǎn)的接縫變形量最小值均出現(xiàn)在12月—次年2月這段時(shí)間。

圖3 接縫變形監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.3 繞壩滲透壓力

監(jiān)測(cè)得到的繞壩滲流滲壓結(jié)果如圖4所示。從圖4中可知：在4個(gè)繞壩滲流監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，右岸(3和4)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的滲流水位略大于左岸，平均滲流水位分別為291.07、293.91、294.11和294.88m；由于水庫(kù)目前尚未正式蓄水，河道內(nèi)水位在290m左右，大壩兩側(cè)繞壩滲流主要受地下水位的影響，與河道當(dāng)前水位基本不相關(guān)，待水庫(kù)正式蓄水后，繞壩滲流會(huì)發(fā)生相應(yīng)變化。

圖4 繞壩滲流監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.4 大壩揚(yáng)壓力

18個(gè)揚(yáng)壓力滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看到：兩側(cè)壩段(1～3監(jiān)測(cè)點(diǎn)、10～12監(jiān)測(cè)點(diǎn))的揚(yáng)壓力要明顯大于中間壩段(4～9監(jiān)測(cè)點(diǎn))的揚(yáng)壓力；在橫向觀測(cè)斷面中，壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700的最大揚(yáng)壓力(13～18監(jiān)測(cè)點(diǎn))基本相等，但最小揚(yáng)壓力和平均揚(yáng)壓力則呈逐漸減小的變化特征，揚(yáng)壓力的變化幅度逐漸增大；河床段揚(yáng)壓力主要受河道水位的影響，而岸坡段的揚(yáng)壓力受河道水位的影響較小，由于目前水庫(kù)尚未正式蓄水，因而滲壓計(jì)呈現(xiàn)滲透壓力逐漸消散的情況，壩基滲流情況需在正式蓄水后作進(jìn)一步分析。

圖5 揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)結(jié)果

3.5 滲流量

量水堰實(shí)測(cè)結(jié)果如圖6所示。從圖6中可知：水庫(kù)大壩左岸的滲流量大于右岸的滲流量，且變幅也較大；左岸最大滲流量為0.602L/s，平均滲流量為0.15L/s，右岸最大滲流量?jī)H為0.055L/s，平均滲流量為0.041L/s，左岸平均滲流量約為右岸的3.65倍；由于水庫(kù)建成時(shí)間不長(zhǎng)，還未正式蓄水，觀測(cè)時(shí)間較短，滲流量并沒(méi)有明顯規(guī)律，但總體來(lái)講，滲流量較小，可以認(rèn)為壩基滲流正常。

圖6 滲流量監(jiān)測(cè)結(jié)果

4 討論

本工程采用的是滲流滲壓一體化自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)對(duì)水庫(kù)變形和滲流的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，由于水庫(kù)并未正式蓄水，因而地下水位對(duì)水庫(kù)大壩的滲流滲壓的影響較大，這也適用于本地區(qū)其他重力壩蓄水初期的變形和滲流滲壓監(jiān)測(cè)，同時(shí)可以推測(cè)后期影響滲流滲壓的主要因素將是庫(kù)區(qū)水位和地下水位，同時(shí)在系統(tǒng)監(jiān)測(cè)過(guò)程中不可忽視的一個(gè)重要影響因素是降雨，降雨量和降雨頻率的升高，必然會(huì)導(dǎo)致地區(qū)地下水位的上升，在這種情況下地下水位對(duì)大壩滲流滲壓的影響可能會(huì)大于庫(kù)區(qū)水位對(duì)滲流滲壓的影響，從而對(duì)大壩整體抗滑穩(wěn)定性造成危害，因此，在監(jiān)測(cè)過(guò)程中必須重視降雨時(shí)段數(shù)據(jù)的異常情況，設(shè)置合理的預(yù)警值和報(bào)警值，從而避免大壩發(fā)生潰壩的風(fēng)險(xiǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

利用計(jì)算機(jī)、傳感器和信息采集處理技術(shù)，構(gòu)建重力壩自動(dòng)化安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，得出如下結(jié)論：

(1)河床段重力壩的滲流滲壓主要受庫(kù)區(qū)水位升降的影響，而岸坡段滲流滲壓主要受地下水位的影響較大。

(2)大壩分縫開(kāi)合度受溫度的影響較大，且呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)氣溫較高時(shí)，縫面呈閉合狀態(tài)，當(dāng)溫度降低后，縫面呈張開(kāi)狀態(tài)。

(3)左岸的滲流量略大于右岸，前者平均滲流量約為后者的3.65倍，但整體上滲流量均較小，表明壩基巖體較為完整。

(4)由于屬于新建水庫(kù)，還未正式蓄水，監(jiān)測(cè)資料還比較少，部分?jǐn)?shù)據(jù)沒(méi)有表現(xiàn)出明顯規(guī)律，這將隨著進(jìn)一步的觀測(cè)而逐漸完善；同時(shí)建議后期觀測(cè)過(guò)程中重點(diǎn)關(guān)注降雨時(shí)段滲流滲壓的變化情況。