英布鲁水电站安全监测设计

蒋志勇 李秀明 谢广宇

英布鲁水电站为大 (Ⅰ)型工程,拦河枢纽为闸坝式,主要建筑物沿坝轴线从左至右依次为:左岸土坝、泄水闸、河床式电站厂房和右岸土坝,按1级建筑物设计。

左岸土坝位于原主河床,为土质防渗体分区坝,最大坝高32.5 m,坝顶高程311.50 m,左岸土坝长283 m；泄水闸包括2个底孔和1个表孔,闸顶高程311.50 m,最大高度35 m,闸室段长37 m；河床电站坝段全长128.4 m,其中机组段为4个坝段,总长90.9 m；右岸土坝长132.6 m,枢纽坝顶总长度581 m。

拦河建筑物建基面座落在弱钙质胶结的白垩系(K2)软弱砂岩上,岩体力学强度低,呈中等—强透水性,透水性较强,易产生渗透变形。工程区域地震烈度小于6度,坝址区属无地震或轻微地震破坏区。

1 监测设计

1.1 监测设计布置原则

本工程主要建筑物包括:土坝、河床电站、泄水闸。根据本工程的地质条件和主要建筑物的结构特点,为了解枢纽挡水建筑物的运用情况,掌握其变化规律,监测设计以监测建筑物的安全运行状态为主,监测对象以坝体、坝肩、坝基为主,其它水工建筑物为辅。

监测设计布置原则为:

(1)以自动化监测为主,自动监测与人工监测相结合。

(2)在满足监测精度的前提下,力求监测方便、直观,各监测值相互对比、校核。

(3)在较全面反映建筑物实际工况的基础上,监测项目力求少而精,有针对性,突出重点,各监测项目相互协调,便于监测资料的整理分析和相互验证。

(4)在监测断面选择及测点布置上,既要注意地质和结构复杂的部位,又要考虑分布的均匀性。

(5)仪器性能结构简单、精密可靠、长期稳定性好,并易于埋设,维护简便。

(6)施工期与运行期能连续进行监测,及时了解并掌握建筑物在施工期、第1次蓄水及运行期的工作状况。

1.2 监测项目

根据SL60—94《土坝安全监测技术规范》、DL/T5178—2003《混凝土坝安全监测技术规范》的规定,监测系统以坝体变形及与其相关的扬压力、渗流监测为重点,结合应力、应变及温度监测,本工程选择的监测项目有:

(1)坝面变形监测,包括水平位移和垂直位移。

(2)渗流监测,包括坝体渗透压力、坝基渗流压力、绕坝渗流。

(3)坝基扬压力监测。

(4)应力、应变及温度监测。

(5)环境量监测,包括上、下游水位及气温等。

2 监测系统布置及方法

2.1 坝顶水平位移监测系统选择

本工程坝顶长度581 m,且分为左岸土坝、混凝土坝 (河床电站和泄水闸)和右岸土坝共3段,各段变形量差别较大。坝顶水平位移监测分别比较了视准线法、引张线法和激光准直法。

(1)视准线法。视准线法为人工观测方法,观测和计算较简便,当视线不长时 (一般不宜超过300 m),精度比较高。本工程坝顶长度585 m,如采用视准线法测量,需在坝上至少选定1个工作基点,先测定工作基点位移量后,再分段进行其它各测点的位移监测,不仅测量难度高,测量工作量大,且有误差累积,测量精度低。

(2)激光准直法。考虑到坝顶长度及当地太阳辐射强、雨水多等因素,只能采用真空激光准直系统,该系统不仅造价高,维护复杂,稳定性相对较差,且对变形适应量较小,工程所在地物质匮乏,运行人员维护能力较低,且土坝坝顶变形量较大,不适合采用激光准直系统。

(3)引张线法。引张线法具有投资小、观测精度高、受外界影响小、对观测条件要求低、操作简便、便于维护等优点,形成自动化系统后,测量速度快,重复性较好。通过合理的布置测点间距,1条引张线即可满足全坝长的水平位移监测,但引张线法的量程也相对较小。

结合工程的具体情况,通过综合比选,选择引张线并实施自动化,作为本工程坝顶水平位移监测方法。针对工程土坝坝高较小,填筑完成后初期变形量大,后期自身及基础变形都很小的特点,先设置临时水平位移观测墩,采用视准线法测量施工期及运行初期坝体变形,至工程移交验收前,再安装引张线并接入自动化系统,较好地解决了工程各坝段间变形量差别大,引张线量程适应性不够的问题。引张线仪采用可扩展至40 mm量程的单向引张线仪。

2.2 土坝坝面变形

坝面变形监测包括竖向位移和水平位移。

(1)纵断面监测点设置在坝顶下游侧,在土坝坝顶每隔50 m设置一测点,竖向位移和水平位移测点相结合。采用水准测量方法进行竖向位移监测,同时布置全长602 m的引张线,采用RY-40S型单向引张线仪进行水平位移监测,引张线两端各布置1条倒垂线,作为水平位移的校核基点。倒垂线布置位置分别为桩号0-001.00和0+586.00,倒垂线孔深度分别为40 m和30 m,采用RZ型垂线坐标仪进行自动化监测,同时配备有人工监测用光学垂线坐标仪。

(2)在右岸坝肩部位布置1双金属管标,作为垂直位移的起测基点,其顶部高程与测点高程相近,深度为30 m。

2.3 土坝内部变形观测

土坝内部变形观测分别在0+145,0+195,0+245桩号的坝0+2.35断面各布置1套电磁沉降仪,每套沉降仪由基岩到308 m高程均匀布置5个沉降环,监测坝体分层沉降变化。

2.4 渗流监测

2.4.1 坝体渗透压力

坝体渗透压力以监测坝体浸润线为主,根据坝体布置选择5个断面,断面布置桩号为0+100.00,0+160.00,0+220.00,0+270.00,0+461.00。监测断面上设3～4条监测铅垂线。监测仪器采用测压管,测压管内设置电感式扬压力传感器。

2.4.2 坝基渗流压力

坝基渗流压力监测,包括坝基天然岩土层、人工防渗和排水设施等关键部位渗流压力分布情况的监测。监测仪器采用差阻式渗压计。

2.4.3 绕坝渗流

沿流线方向或渗流较集中的透水层,在土坝左右坝肩各设2个监测断面,每个断面设4个绕坝渗流观测孔,共计16个观测孔,孔口高程在304～320 m之间,孔底高程设计为291 m,以监测坝肩边坡渗流变化。观测孔采用钻孔后埋设测压管,管内设置电感式扬压力传感器进行监测。

2.5 泄水闸、电站厂房垂直位移及水平位移监测

在泄水闸闸墩及电站厂房进口闸墩上布置测点,进行垂直位移及水平位移监测。水平位移与土坝采用同一条引张线进行监测,引张线测点及垂直位移标点均布置在坝顶下游侧。在坝基布设位移监测断面2个,每个断面布置2组多点位移计 (沿不同岩层高程埋设),监测泄水闸闸墩及电站厂房的垂直位移变化。

2.6 坝基扬压力监测

在泄水闸及河床电站坝基的灌浆廊道内布置1条扬压力监测纵断面,每个坝段布置1根测压管,测压管深入建基面以下1.0 m,并内置电感式扬压力传感器。在泄水闸底孔及电站厂房2#机组段各选择1个扬压力监测横断面,布置桩号为0+382.00及0+298.50,每个断面布置5个测点,采用埋设渗压计进行监测。

2.7 应力、应变及接缝开合度监测

沿水流方向在电站蜗壳进口段选取1个垂直水流方向的截面,在尾水管弯管段、扩散段各选取1个监测断面,布置钢筋计进行该部位钢筋应力监测。在电站基础混凝土与基岩接触部位,布置测缝计及基岩温度计,进行接缝开合度及基础温度监测。

在泄水闸底孔闸门支铰及表孔闸门支铰的牛腿受力钢筋上布置钢筋计,进行钢筋应力监测。另外,在泄水闸基础混凝土与基岩接触部位,布置测缝计及基岩温度计。

在河床电站、泄水闸横缝间布置测缝计,进行缝间开合度监测。

在导流底孔封堵混凝土与老混凝土缝面布置6支测缝计,观测结合缝面的开合变化。

2.8 环境量监测

环境量监测包括上、下游水位及气温等。其中上、下游水位采用布置在泄水闸表孔左边墩内侧及电站下游右岸挡墙迎水面上的搪瓷水尺进行人工监测,并将机组测量用上、下游水位计信号分出1路引入监测自动化系统。在坝址附近设置百叶箱,内设电阻温度计进行气温监测。

3 监测自动化系统及仪器的选择

3.1 自动化系统的选择

本工程监测自动化系统由数据自动采集、数据传输、数据存储和数据管理等几部分组成。

大坝安全监测自动化系统具备下列基本功能:

(1)数据采集功能,自动采集各类传感器的输出信号,能把模拟量转换为数字量。数据采集能适应应答式和自报式两种方式,按设定的方式自动进行定时测量,接受命令进行选点、巡回检测及定时检测；(2)掉电保护功能,在断电情况下确保持续工作3 d以上；(3)自检、自诊断功能；(4)现场网络数据通信和远程通信功能；(5)防雷及抗干扰功能；(6)数据异常报警及故障显示功能；(7)数据备份功能。

经过对大量国内外自动化监测系统的调研,结合当今国际上监测系统的发展及性能价格比,本工程大坝安全监测自动化系统采用南瑞公司的DAMS-Ⅳ型分布式数据采集网络系统。

3.2 自动化系统的布置

根据监测仪器的类型、数量及9个测站的分布,本工程配置 NDA1104智能模块 16块,NDA1403智能模块2块,NDA1203智能模块8块,NDA1303智能模块2块,NDA1314智能模块3块,同时配备NDA1700智能模块1块,用于上、下游水位信号的接入。所有智能模块分布在16套DAU2000数据采集单元中。

自动化监控管理中心站位于右岸土坝下游副厂房的3楼,中心站配置监控主机、服务器、打印机、稳压电源及办公设备等。

数据采集装置 (DAU)之间、数据采集装置(DAU)与监控主机之间的通讯采用光缆和 RS-485现场总线两种方式并用,用光缆或双绞屏蔽线及电源线相连接。

上、下游水位信号从电站中控室内水位计通讯端口分出,并采用RS-485总线引至大坝安全监控管理中心站。

3.3 自动化监测仪器的选择

本工程所有监测项目,除垂直位移监测项目外均接入自动化监测系统。各监测项目选用的自动化监测仪器如下:引张线采用RY-40S型电容式单向引张线仪,倒垂线采用RZ型电容式双向垂线坐标仪,双金属标采用RW型电容式位移计,绕坝渗流、测压管内采用GYY型电感式扬压力计,测缝计、钢筋计、渗压计采用差阻式仪器,温度计采用DW型电阻式温度计,多点位移计采用A-6型振弦式仪器。

4 结 语

英布鲁水电站坝顶较长,各坝段间变形量差别较大,且工程现场运行条件差,运行人员对设备的维护能力较低,合理的监测项目设置、仪器选择及自动化系统配置,对工程安全监测系统的顺利实施及稳定运行起到关键作用。施工过程中,仪器安装埋设成功率较高,仪器安装埋设后运行稳定,并按相关规范及技术要求及时进行了监测,取得了较为丰富的资料,为工程的顺利移交提供了重要依据。

本工程主体建筑物均坐落在白垩系软弱砂岩上,工程安全监测系统的设计、施工与监测,将为今后在软岩上修筑同类工程提供极具价值的资料。