水布垭工程项目内部变形监测方案

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摘 要 水布垭工程项目为目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，对这么高的坝，其内部变形监测（垂直位移和水平位移）是一大难题，为此，设计、监理、业主以及施工单位经过四方研究，决定采用新型N2000型遥测遥控水平垂直位移计，对水布垭大坝水平和垂直位移进行监测。

关键词 水布垭工程；混凝土面板；堆石坝；变形监测

中图分类号：TV513 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2014）14-0110-02

1 工程概述

水布垭水利枢纽位于清江中游河段巴东县境内，它以发电、防洪为主，并兼顾其他效益。枢纽建成后，水库最高洪水位为404.0 m，总库容45.8亿m3；正常蓄水位400 m，相应库容45.12亿m3，具有多年调节功能。水电装机总容量为1600 MW。水布垭水利枢纽主要由挡水建筑物、泄水建筑物和水电站建筑物组成。挡水建筑物为混凝土面板堆石坝，坝高233 m，为目前世界上最高的混凝土面板堆石坝。

通过坝体内部变形监测，主要是为了监测面板堆石坝施工过程中以及今后蓄水运行时期变形、渗流和相应的应力应变等状况，掌握相应时期坝基、坝体、混凝土面板的变形及渗流规律，以利于现场施工质量控制，并为判断大坝结构安全提供依据。

2 仪器选择

因水布垭拦河大坝是目前世界上最高的混凝土面板堆石坝，高达233 m。对这么高的坝，其内部变形监测（垂直位移和水平位移）是一大难题。

采用惯用的水管式沉降仪来监测坝内垂直位移，用引张线式钢丝位移计来监测坝内水平位移，在水布垭大坝0+220 m断面底部两条测线长度分别达到430 m和500 m。测线达到上述长度后，不仅增加了仪器埋设施工的难度，而且这类仪器的原有结构可能满足不了相应的监测技术要求。为此，南京水利科学研究院结合“高面板的新型监测设备及资料反馈分析专题”中“遥测水平垂直位移计的研制子题”研制了N2000型遥测遥控水平垂直位移计。这是一种专门针对水布垭大坝水平和垂直位移监测的超长管线研制的，具有遥测功能。在仪器设备结构、材料等方面作了相应的改进，但费用很高。根据南京水利科学研究院的报价，针对水布垭大坝监测工程，每一对水平和沉降测点约需20万元。

考虑仪器设备性能、质量、实际工程应用和价格等因素，根据水布垭大坝内部水平位移和垂直位移观测的特点，决定采用以下方案选择仪器设备。

在0+212 m断面、0+365 m断面和0+132 m断面300 m高程及以上共9条测线加上临时测线选用南京水利科学研究院生产的DCJ-1型电测水管式沉降仪和DSP-1型电测引张线式水平位移计来观测相应部位的水平位移和垂直位移。因为在上述监测断面300 m高程及以上的测线长度最长不超过320 m，而在这种管线长度范围内，国内采用DCJ-1型电测水管式沉降仪和DSP-1型电测引张线式水平位移计监测土石坝坝内水平和垂直位移的工程经验表明，是可行并且是成功的，由此基础，相信该类仪器用于水布垭的大坝内部变形的监测工程也将会成功。

在0+220 m断面265.0 m高程及以下的2条超过410 m长的测线选用南京科学研究院结合水布垭监测特点研制的N2000型遥测遥控水平垂直位移计来观测，以解决超长测线水平和垂直位移的监测问题。这类仪器虽然目前尚无工程应用实例，仅有科研报告、鉴定证书、实用新型专利证书，但位于265.0 m高程的一条测线长约430 m，这在国内的天生桥和洪家渡工程采用DCJ-1型电测水管式沉降仪和DSP-1型电测引张线式水平位移计都获得成功，采用改进的新型N2000型遥测遥控水平垂直位移计更是可行的。N2000型遥测遥控水平垂直位移计在技术鉴定时，测线长度用到520 m，因此用于对0+220 m断面最底部一条500 m长的测线监测也是可行的。

对水布垭大坝内部变形监测选用上述监测仪器，可以较理想地实现大坝水平和垂直位移监测的目的，并且费用相对较少。

3 监测仪器埋设及安装

3.1 水平位移计的埋设

采用堆料埋设，在坝体填筑高程低于仪器埋设高程

0.l m～0.2 m时，测量放样标识仪器埋设轴线，人工铺设压实厚度10 cm～20 cm的筛分砂或细石料以调整钢丝管路高程，整个管路略成拱形，坝轴线处最大拱高约为50 cm。沿管线和观测点的位置，配置铟钢丝、钢护管、锚固板、伸缩接头（内含分线盘、挡泥圈、压紧螺帽等）等。

铟钢丝涂上防锈油脂后，用专用引线器和3 cm宽的扁钢将铟钢丝依次穿入锚板（包括钢丝锚紧安装）伸缩接头钢护管…伸缩接头锚板（包括钢丝锚紧安装）伸缩接头钢护管…观测房或临时保护箱（引入观测房前的护管端部应安装分线板）。检查各个环节，正常后，在锚固板处（即测点处）立模浇筑混凝土，其尺寸厚60 cm、长60 cm、高50 cm。

根据上一步的要求，逐个浇注其余测点，调整好管线，然后用细砾料对管线进行回填保护，并采用轻型碾压机压实，管路部分回填厚度超过0.8 m以上方可进行正常坝体填筑施工，测头保护砼浇筑24小时后再进行测点周围的回填，回填厚度超过测头顶部0.8 m以上再用施工机械静碾，回填厚度达到

1.6 m以上再进行正常施工。

3.2 垂直位移计的安装

在坝体填筑高程超出测头埋设高程1 m时，测量并确定埋设管线和测头位置，沿埋设线开挖梯形沟槽，顺水流方向开挖坡度控制在0.25%～1.5%，人工修整槽底，并铺设压实厚度

10 cm～20 cm的筛分砂以调整槽底高程。槽底面宽度为

1.5 m～2.0 m，侧边坡比约为1：0.5。

管路形成后，进行测头位置放样；同时沿管路铺设测头保护钢管伸缩接头保护钢管伸缩接头…观测房（或临时保护箱）。在测头埋设位置浇筑浆砌石墩子，顶部高程为测头埋设高程，并且顶面基本保证水平。

将进水管、排气管一一对应地穿入保护管内，调整好保护管和伸缩接头；随后，将测头放在浆砌石墩上将进水管、通气管、排水管的与相应的接口连接，再在测头周围立长50 cm×宽50 cm×高80 cm的模板浇注混凝土，混凝土浇筑时应注意各部位均充填密实，混凝土超出测头顶面10 cm时，平放一钢筋网，同时测量记录测点顶面高程，继续浇筑至模板上口，并将顶面抹平。

用细砾料或砂子对已铺设安装好的管路进行回填保护，并采用轻型碾压实，管路部分回填厚度超过0.8 m以上才能进行正常坝体填筑施工，测头保护砼浇筑后24小时才可对其周围进行回填，回填厚度超过测头顶部0.8 m以上才用施工机械静碾，回填厚度达到1.6 m以上进行正常施工。

4 监测与监测数据处理

4.1 监测方法

坝体内部水平位移观测采用了引张线式水平位移计即钢丝位移计的观测方法。引张线式水平位移计的观测是利用游标卡尺或解码器对测点上固定的铟钢丝位移长度的测量。

坝体内部垂直位移的观测采用水管式沉降仪的观测方法。水管式沉降仪的观测是利用精密刻度尺或步进电机对与沉降测头相连通的水管内水位的测量。

4.2 监测数据分析应用

依照上述原则建立基准值后，将监测数据及时录入计算机数据库统一管理，按照规范、设计要求和设备厂家提供的数学模型及相关参数进行编辑、计算、整理，求得最终结果或相关物理量，然后及时将计算结果以月报、周报和快报的形式上报业主、监理，反馈给设计，从而为优化设计方案、为工程建设服务，对工程建设起到了积极作用。

坝体最大沉降量约为2490 mm，出现在河床中间部位1/2坝高高程及坝轴线下40 m处，坝体沉降所反映的是岸坡处小河床中间大，海拔低处小高处大，坝轴线以前和以后处小坝轴线附近大；蓄水前，坝体水平位移所反映出坝轴线附近和以前所有点向上游，坝轴线下游坝坡处所有点向下游位移，蓄水后，所有点均向下游位移。变形监测成果所反映的坝基和坝体沉降符合一般规律，坝体最大沉降量与根据坝体填筑实际施工过程进行的三维有限元计算成果接近，沉降变形随着坝体填筑高度的增加而增大，且前期变化较大，后期趋于稳定；这为客观评价坝体填筑碾压质量，确定混凝土面板施工时间以及分析一期面板裂缝成因提供了依据。

5 经验与教训

葛洲坝集团试验检测有限公司和武汉大学有幸参与了水布垭超高面板堆石坝监测系统绝大部分的现场实施工作，在实施过程中形成了紧密联合体，充分发挥了现场施工协调与监测资料分析的优势，做到了设计与施工相结合、资料分析与现场实施相结合，形成了施工信息反馈到设计思想不断更新再到仪器设备性能不断完善最终为工程服务的综合体系，从而积累了如下施工经验。

1）充分掌握了在场面狭小、环境复杂、高强度填筑施工的超高面板堆石坝中埋设超长水平垂直位移计通过多次牵引才能进站的施工方法。

2）解决了超长铟钢丝和水管因多次牵引而或缠绕或打折的施工难题，从而取得了水布垭大坝内25000余米铟钢丝和水管无接头的优异成绩。

3）充分理解了设计在超高面板堆石坝内水平垂直位移计采用了变坡降、预拱埋设以减小测点间沉降差额的新理念，从而避免了对监测设备量程要求太大而带来的制作加工和埋设安装的难题。

参考文献

[1]闫生存，胡颖，孙役，曾祥虎.水布垭高面板堆石坝监测新技术探讨[J].湖北水力发电，2004，57（4）：34-36.

[2]高伟.简析大坝安全监测对水库安全运营的重要性[J].河南水利与南水北调，2013（22）：31-33.

作者简介

苏强（1982-），男，宁夏固原人，项目经理，学士，研究方向：水利水电工程。