高土石坝内部变形观测

何福江, 甘莉芬

(1.中国水利水电第七工程局有限公司一分局,四川彭山 620860;2.中国水利水电第七工程局有限公司科研设计院,四川郫县 611730)

1 概 述

土石坝内部变形观测包括分层竖向位移、分层水平位移、界面位移观测等。笔者结合硗碛水电站大坝工程,对高土石坝内部变形观测工作进行了总结。

硗碛水电站为宝兴河梯级开发的龙头水库,总库容约 2.0亿m3,调节库容 1.87亿 m3,具有年调节能力,电站装机容量 240MW。

硗碛水电站砾质土直心墙堆石坝最大坝高125.5m,属 100m级高土石坝,坝轴线长 452.70 m,坝顶宽 10.00m,最大底宽 450.00m,上游坝坡为 1∶2,下游坝坡为 1∶1.8。坝体基础为深厚覆盖层,覆盖层一般厚 57～65m,最大厚度达 72.40 m,心墙基础设计了一道厚 1.2m、最大深度 68m的混凝土垂直防渗墙。

2 内部变形观测断面的布置

2.1 分层竖向位移观测断面的布置

在垂直于坝轴线的中部纵 0+215断面,分别于坝 0+000、坝 0+060、坝 0+102各布置了一套活动式测斜仪,安装沉降环监测分层竖向位移。

在纵 0+215断面,分别于 2061m高程(大约 1/3坝高处)、2085m高程(大约 1/2坝高处)、2110m高程(大约 2/3坝高处)各布置了一套水管式沉降仪。

在距离左坝肩约 115m的纵 0+115断面、2110m高程布置了一套水管式沉降仪。

在距离右坝肩约 125m的纵 0+315断面,分别于 2085m高程、2110m高程各布置了一套水管式沉降仪。

2.2 分层水平位移观测断面的布置

在坝轴线(坝 0+000断面)分别于纵 0+115坝体防渗心墙、纵 0+215坝基防渗墙、坝体防渗心墙各布置了一套固定式测斜仪。

在纵 0+215断面,分别于坝 0+000、坝 0+060、坝 0+102各布置了一套活动式测斜仪。

与水管式沉降仪结合,布置了 6套引张线式水平位移计。

2.3 界面位移观测断面的布置

在坝 0+000断面,左右岸坝体与岸坡交界面不同高程布置了 10支错位计。

3 内部变形观测仪器的工作原理及安装要点

3.1 分层竖向位移观测仪器

3.1.1 电磁式沉降环的工作原理及安装要点

(1)电磁式沉降环的工作原理:将带有永久磁铁的沉降环固定在测斜管上,带有读数开关的电磁式沉降仪探头通过钢尺连接放入测斜管中,在钢尺的两侧带有两根导线。当探头通过沉降环时,将会使探头读数开关闭合,而使地表的钢尺绞盘蜂鸣器发声。当蜂鸣器鸣叫时,通过读取钢尺上的读数获得沉降环的深度。

(2)电磁式沉降环的安装要点。

①基准磁铁的安装:在距离测斜管底盖约 1 m的上方,用 3颗螺丝固定基准磁铁。

②沉降环的安装:沉降环应安装在设计高程的一根测斜管底部以上至少 0.75m的位置,在沉降环以下 0.75m之间涂少量黄油,便于沉降环滑动。

3.1.2 电测式水管式沉降仪的工作原理及安装要点

(1)电测式水管式沉降仪工作原理:将埋设在坝体内的水管式沉降仪测头与观测站内的电测系统用管路连接,使其形成连通管。坝内沉降仪测头的溢流面高程与坝体外部观测站内管道水位相同,当坝内沉降仪测头发生沉降时,坝体外部观测站内的管道水位也相应下降。观测站内管道水位变化值加上观测房自身的沉降即为坝体内沉降仪测头的沉降量。在观测站的测量管内安装传感器,当管内水位发生变化时,传感器及时显示管内水位变化值(即坝体沉降)。

(2)电测式水管式沉降仪的安装埋设。

①埋设工序:测量放线→修建永久观测房→坝体填筑至超过仪器安装高程 1.8m→以倾向观测房 1%的坡度开挖 1.8m深、至少 3m宽的沟槽→局部修坡、找平→填筑反滤料 30cm厚并压实合格→用浆砌石砌筑约 50cm高的底座(底座向观测房一侧做成 1∶2的顺坡)→排列水管→安装沉降测头、测量机柜→试水→用水平尺校准测头水平(不平整度应小于 ±2mm)→浇筑测头保护墩→分层填筑反滤料至原开挖沟槽表面。

②安装要点。测量机柜定位于设计位置,从观测房的预留孔向上游排列 PE保护管,预留排气管比保护管长 1.5m,机柜高度视测量水管位置而定。加水调试,严格检查各测点管路不得有漏水现象,经多次测试待数据稳定后方可回填并进行正常观测。沉降测头必须用钢筋混凝土包裹,浇筑混凝土时应防止混凝土砂浆进入沉降测头与保护管之间的缝隙。混凝土拆模后,仔细回填管线四周,既要压实到与四周坝体相同的密度,又要防止其冲击保护管,回填到超过仪器顶面1.8m后方可进行正常填筑。

3.2 分层水平位移观测仪器

3.2.1 固定式测斜仪工作原理及安装要点

(1)固定式测斜仪工作原理:传感器通过连接杆和固定轮连接,安装于带标准导槽的测斜管中,其连续性使仪器能准确测量结构内局部的倾斜度。

(2)固定式测斜仪的安装。

①钻孔内固定式测斜仪的安装。将带导槽的测斜管用锚固螺钉逐根连接,放入钻孔内,周围灌浆固定测斜管,并保证管的整体倾斜度不超过5°,且应保证导槽严格对正,不得偏扭。

将保险钢丝绳连接到底部滑轮带螺丝孔的部件上。用配套的螺丝、螺母逐段连接连接管、传感器、固定轮、万向节并用螺纹锁固剂锁紧,边连接边下放至已经稳固的测斜管内,直到设计位置。

安装顶部托架和顶盖,引出电缆,测读数据,以稳定 2h后的读数为初始读数。

②坝体内固定式测斜仪的安装。采用锚固螺钉连接上下各节测斜管,每安装一根测斜管,用测量仪器进行测量,以保证测斜管整体倾斜度不超过 5°,并且保证导槽一边平行于坝轴线方向,另一边垂直于坝轴线方向,不得偏扭。测斜管安装至设计高程,按“钻孔内固定式测斜仪的安装”方法安装连接杆、传感器、固定轮及万向节等。

3.2.2 活动式测斜仪工作原理及安装要点

(1)活动式测斜仪工作原理:测斜仪探头本身包括一个受重力作用的摆锤,使用一个力平衡伺服加速度计,其位置传感器可以探测摆锤的位置,并且提供足够的伺力使摆回到竖直零位置。从竖直零位置倾斜越大,恢复力越大,因而摆块不能自由运动。伺复力的大小转变成信号输出在读数装置上显示为倾斜量。由于伺复力和倾斜角的正弦成正比,因而输出值也与测孔水平位移成正比。

(2)活动式测斜仪的安装。

活动式测斜仪的安装与“坝体内固定式测斜仪的安装”中测斜仪的安装方法相同。

将通过电缆连接在读数仪上的测量探头放至测斜仪底部开始读数,依次向上提升,每提升一米测量一次,直到测斜仪顶部。用同样方法测旋转180°后的另一组读数。

3.2.3 电测式水平位移计工作原理及安装方法

(1)电测式水平位移计工作原理:引张线(不锈铟钢丝)从大坝内引入大坝外部观测房后,将铟钢丝绕在测量系统的导向轮上,在钢丝末端挂上重锤,当坝内测点发生位移时,铟钢丝相应移动,从而带动导向轮转动,钢丝移动量与导向轮的转角呈正比,通过测量导向轮的转动角度,可以得出钢丝的位移量,即大坝内部测点处的位移量。

(2)电测式水平位移计的安装方法。

①埋设工序:测量放线→修建永久观测房→坝体填筑至超过仪器安装高程 1.8m→以倾向观测房 1%的坡度开挖 1.8m深、至少 3m宽的沟槽→局部修坡、找平→填筑反滤料 30cm厚并压实合格→排列保护管→穿铟钢丝、安装伸缩接头、锚固板、测量机柜→调试→浇筑锚固板保护墩→分层填筑反滤料至原开挖沟槽表面。

②安装要点。测量机柜定位于设计位置,使测量机柜外滑轮方向对准埋设管路的预留孔约15cm。从观测房的预留孔开始向上游排列保护管,并使保护钢管伸进观测房内墙壁距离约 10 cm,机柜距钢管端 70cm/100cm,钢管距机柜正面墙 180cm/200cm,钢管距观测房地面 60cm。

排列保护钢管时,钢管之间在伸缩接头中应相隔 30cm(为钢管伸缩量),在伸缩接头中安装架盘及相应的配套零件,并在设计测点位置安装锚固板及对应编号的分线盘和钢丝夹头,保证槽标记向上。以此法安装至最后一个测点。

排放铟钢丝时预留2～3m,并仔细检查钢丝不得有伤痕、折弯、扭转、缩径及其它缺陷,按测点设计长度排列并编号,用专用的引线器牵引钢丝。

管线定位后调整其水平度和直线度在 5mm范围内,紧固所有螺钉,安装加重砝码、铟钢丝、控制仪等。锚固板必须用钢筋混凝土包裹,浇筑混凝土时,防止混凝土砂浆进入伸缩接头与保护钢管之间的缝隙。混凝土拆模后,仔细回填管线四周,既要压实到与四周坝体相同的密度,又要防止其冲击保护管,回填到超过仪器顶面 1.8m后方可进行正常填筑。

3.3 界面位移观测仪器

错位计工作原理及安装要点:

(1)错位计工作原理:测缝计一端焊接于混凝土中的锚筋上,另一端焊接于高塑性粘土中的锚固板上,当坝体或高塑性粘土区发生位移,测缝计即可显示出来。

(2)错位计的安装方法。在设计安装位置的混凝土板中打一根 φ20、深 1.0m的锚筋,将 25 cm×50cm×0.8cm的锚固钢板置于高塑性粘土中,测缝计一端连接锚筋,另一端连接锚固板,引出电缆即可。

4 内部变形观测资料分析

4.1 分层竖向位移观测

(1)电磁式沉降仪观测。仅有纵 0+215、坝0+102一套活动式测斜仪安装完毕,每 8m安装一个电磁式沉降环,用电磁式沉降仪观测。因数据太短,暂时不便于分析。

(2)电测式水管式沉降仪观测。在 2061m高程、2085m高程处安装了水管式沉降仪。各断面沉降量均在增大且与坝体填筑有关。随着坝体的增高,测点处所承受的荷载越大,沉降量随之增大。纵 0+215断面、2061m高程沉降量最大值已接近 700mm,该部位填土厚度大约 43.5m,沉降量已达 1.6%(与安装仪器时反滤料回填不够密实也有一定关系),需要特别关注。目前 2085 m高程以上的填筑厚度仅为 15m,最大沉降量只有 25mm,仅沉降了 0.04%,说明沉降量较小。其代表沉降量过程线见图 1。

4.2 分层水平位移观测

(1)固定式测斜仪观测。因只有防渗墙固定式测斜仪完成安装,侧向挠度过程线见图 2。

对侧向挠度过程线进行分析:防渗墙侧向挠度累计变化量于 2006年 12月 8日出现最大值(2.78cm),为蓄水后的第三天,之后渐渐减小,降至 0.34cm,基本稳定。

(2)活动式测斜仪观测。由于仅纵 0+215、坝 0+102活动式测斜仪安装完毕,因数据太少,暂时不便于分析。

(3)电测式水平位移计观测。由于仅安装了2061m高程、2085m高程的水平位移计,且纵 0+215断面、2061m高程水平位移变化不规律,坝 0+046以上三个测点在 2007年 1月 15日前基本都向上游位移,估计与大坝填筑施工有关。因为在安装该断面仪器时,下游填筑面比上游填筑面低将近 10m,安装完仪器后,下游填筑迅速上升,导致下游面急剧加荷。2007年 1月 15日后,该断面 7个测点均有缓慢向下游位移的趋势,可能与库区蓄水至大约 2061m高程有关,导致整个坝体有向下游位移的趋势,但目前最大位移量仅为 26.3mm,基本稳定。纵 0+315断面、2085m高程水平位移在 2007年 1月 19日前总体向上游位移,分析其原因:仪器安装完后因雨、雪影响心墙部位,填筑很慢,两个月时间基本都比下游过渡料区和堆石区低,下游填筑时向上游挤压,而心墙不能起到抵载作用。纵 0+215断面、2085m高程,坝 0+20位置水平位移持续增大,2007年 1月 28日增长速率加快,最大位移量达到 9.2mm,该测点位于下游反滤料区的下游与过渡料区的交界面上,由于其它测点水平位移变化不大,该反滤料区的上游边界测点位移仅 0.3mm,所以,C14的位移量偏大原因难以解释,需要继续关注。其位移量过程线见图 3。

图 1 纵 0+215断面、2061m高程沉降观测过程线示意图

图 2 防渗墙固定式测斜仪侧向挠度变化量过程线示意图

图 3 纵0+215断面、2061m高程水平位移过程线示意图

图 4 岸坡界面位移过程线示意图

4.3 界面位移观测

岸坡错位计的观测。岸坡错位计仅安装了 6支,且 J3、J8安装时间短,数据尚少,其界面位移过程线见图 4。

对界面位移过程线进行分析:错位计总体位移有缓慢增大趋势。分析其原因可能是错位计位于左、右岸贴坡混凝土板与高塑性粘土的接触界面。由于混凝土板几乎是钢性结构,而高塑性粘土是柔性结构,受坝体填筑影响,在施工期沉降相对较大,局部沉降引起该界面产生切向位移。

5 结 语

硗碛水电站土石坝为 100m级高土石坝,为宝兴河梯级开发最上游的龙头水库,坝体的安全程度直接影响下游的宝兴县、雅安市以及宝兴、小关子、铜头、雨城水电站的安全,所以,其大坝安全监测尤其重要。而内部变形观测可以及时了解坝体安全状况,预报坝体的稳定状态。因此,本工程有必要进一步加强内部变形观测工作,及时整理分析相关资料,以便及时掌握大坝的工作状况,保证工程安全,防患于未然,同时还起到指导施工、保证工程质量的作用,为类似工程积累经验。