天花板水电站碾压混凝土拱坝安全监测设计

张晨亮，季祥，耿贵彪，王永辉

（中国水电顾问集团北京勘测设计研究院，北京100024）

1 工程概况

天花板水电站位于云南省昭通市境内的牛栏江上，是金沙江右岸较大的一级支流，河流发源于云南省昆明市嵩明县杨林镇。

天花板水电站采用混合开发方式，电站坝址选在牛栏江与清水河交汇口上游约1.5 km的天花板峡谷处，拦河坝为碾压混凝土双曲拱坝，坝顶高程1076.8 m，最大坝高107.0 m，坝顶总长159.87 m。正常蓄水位1071.0 m，死水位1050.0 m，总库容7871万m3，电站装机容量为180 MW。

根据GB18306-2001《中国地震动参数区划图》，场区地震动峰值加速度为0.15 g，地震动反应谱特征周期为0.45 s，地震基本烈度为Ⅶ度。

2 设计原则

工程安全监测的目的是为了解掌握工程建筑物在施工期和运行期的工作性态，指导施工和运行，并为设计提供可靠的反馈数据资料。

本工程安全监测设计遵循以下原则：

（1）以安全监测为主，监测系统仪器设备的布置，力求能够对整个工程进行控制性安全监测，以便较全面地了解工程建筑物的工作状况。

（2）根据拱坝受力特点并结合理论计算成果进行监测布置，重点是变形、渗流、应力应变监测，并选择结构或地质条件复杂部位进行集中监测。

（3）结合拱坝坝体结构整体性强的特点，其相关监测项目统筹安排，配合设置，对于基础地质条件和结构受力条件复杂部位，采用多种监测方式，以便相互补充、校核和验证。

（4）仪器设备的选择，在满足可靠、实用、经济和精度要求前提下，尽可能减少设置仪器及量测方式的种类，对于电信号传输的所有监测仪器，均应具备接入自动化系统的条件。

3 监测项目

本工程碾压混凝土双曲拱坝安全监测设置的监测项目主要有：

（1）环境量监测：包括上下游水位、泥沙淤积、水温等。

（2）变形监测：包括表面变形、坝体水平和垂直位移、坝基基岩变位、坝体接缝位移、库岸边坡稳定监测等。

（3）渗流监测：包括坝基扬压力、坝体渗透压力、绕坝渗流、坝体渗漏量监测和水质分析等。

（4）应力应变及温度监测：包括坝体应力应变、拱座压应力、钢筋应力、坝体和坝基温度监测等。

（5）强震动监测。

4 监测布置

4.1 环境量监测

（1）上、下游水位监测

在拱坝上、下游分别设置1个涂漆水尺。同时，在上、下游各设置1支遥测水位计，监测上、下游水位变化。

（2）泥沙淤积监测

本工程汛期河流含沙量较高，为监测坝前泥沙淤积情况，在上游坝面布设3支土压力计和2支渗压计。

（3）库水温监测

库水温监测在2号表孔最大断面坝体内距上游坝面约8～10 cm处布置温度计，正常蓄水位到死水位之间温度计间距为10 m，死水位以下为20 m，共设置温度计7支。可同时兼测坝面温度。

4.2 变形监测

（1）表面变形、谷幅监测

首部枢纽工程表面变形监测范围相对集中，但拱坝上、下游河道两岸地形条件复杂、陡峻，可利用位置选择困难，致使变形监测网在布网环境上受到较大制约，单一的测角网或测边网均不能满足精度、可靠度等要求，因此首部枢纽工程变形监测网布设采用三维边角网交会技术方案[1]，最终选定的变形监测网由6个网点组成。

表面变形测点原则上布设在变形较大，能准确反映坝体及边坡变形的部位，测点标石与坝体及边坡岩体牢固结合。具体分别在拱坝坝顶下游侧、泄洪表孔弧形闸门闸墩上下游侧，以及左右岸边坡等部位设置测点，进行首部枢纽工程表面变形监测。同时，根据有限元计算结果，在坝体变形较大的坝顶高程和1037 m高程坝肩部位设置4个测点进行拱坝谷幅监测。具体位置见图1。

（2）坝体水平位移监测

坝体水平位移采用正、倒垂线联合监测，倒垂线锚入基岩一定深度。具体在靠近左右岸坝肩约1/4拱圈及拱冠梁处，通过上、中、下层廊道，在廊道内设置水平位移测站，共设置3组正、倒垂线，联合监测坝体水平位移。同时为监测两坝肩的水平位移，在左右岸灌浆廊道内各设置1条倒垂线。具体位置见图2。

（3）坝体垂直位移监测

坝体垂直位移采用几何水准法和静力水准法监测。在979 m高程基础灌浆廊道和1010 m高程廊道内设置水准测点，测点基本采用等间距布置。同时，在979 m高程基础灌浆廊道内设置2套静力水准仪，并在廊道内静力水准仪测线上设置双金属管标作为静力水准仪的观测基准。

（4）坝体接缝变形监测

为了解拱坝的整体性以及掌握施工期拱坝诱导缝、横缝、坝体与基岩接缝开合度，以指导封拱和接触灌浆，在坝体的诱导缝、横缝、左右岸拱座与岸坡基岩接合面分别设置监测断面，各监测断面不同高程沿上下游方向设置2～3支单向测缝计，同高程单向测缝计形成水平监测断面；在拱冠梁最大断面基础与基岩结合处（包括护袒）设置一组单向测缝计监测其接缝变形。

4.3 渗流监测

（1）坝基扬压力

坝基扬压力监测根据坝基渗透压力控制工程措施和地质条件进行设置。为监测坝基扬压力并检验防渗帷幕及坝基排水效果，沿坝基灌浆廊道在防渗帷幕后布置一排扬压力监测孔，共8个。沿最大监测横断面的坝基和护袒基础上下游方向布置渗压计，监测其相应部位的基础扬压力。拱座混凝土与基岩结合面沿不同高程设置渗压计，在坝基断层出露位置设置渗压计，监测其拱座基面的扬压力。

（2）坝体渗透压力

为监测碾压混凝土拱坝坝体内部的渗透压力，选择坝体最高大横断面上986 m、1006 m和1026 m高程，每层布置4～5支渗压计，对坝体水平施工缝上的渗透压力进行监测。

（3）绕坝渗流

根据坝体布置、两岸地形地质条件、渗流控制措施及渗流特征等，在左右岸坝肩灌浆帷幕后各布设4个地下水位监测孔，监测绕坝渗流情况。

（4）渗流量

根据渗透水流向、集流和排水设施的设置，在上、中、下层交通和帷幕灌浆廊道的排水沟内共设置量水堰12个，监测坝体及坝基不同区域的渗流情况。

4.4 应力、应变监测

（1）坝体应力应变

碾压混凝土双曲拱坝受力情况复杂，根据拱坝拱梁分载法和有限元计算结果，拱冠梁和拱座部位应力应变较大；最不利工况组合下的计算结果表明拱坝1052 m、1007 m高程附近应力应变较大。因此在相应部位断面设置九向应变计组进行监测，应变计组主平面平行于坝面，在不同高程沿上、下游布设测点。在左右岸坝肩距拱座基岩面约1.5 m埋设应变计组，主平面垂直于拱座基岩面，在不同高程亦沿上、下游布设测点。应变计组旁均埋设无应力计，共设置九向应变计组29组，无应力计29支。同时，在左、右坝肩1052 m、1007 m高程附近拱座基岩面布设压应力计，压应力计平面平行于拱座基岩面，监测拱座压应力变化。具体布置见图3。

（2）钢筋应力

根据拱坝有限元应力应变计算结果，在坝体开孔位置应力集中较大，且孔口附近受力条件复杂，因此在表孔、中孔周边设置钢筋应力计，监测相应部位的结构钢筋应力。

图3 拱坝应力应变监测布置图Fig.3 Distribution of monitoring points for arch dam stress and strain

4.5 坝体和坝基温度监测

（1）坝体温度监测

为给施工期坝体温控提供依据，掌握坝体温度分布、变化规律及验证冷凝系统的效果，在2号表孔最大断面和距右坝肩约1/4拱圈处设置2个温度监测断面。在监测断面呈网格状布置温度计，网格间距约10 m×10 m。共设置温度计62支。

（2）基岩温度监测，在2号表孔最大断面坝基上、下游侧各设置一组基岩温度计并与基岩变位计同孔埋设，温度计距基岩面分别为0 m、2 m、5 m、10 m，共设置温度计8支。

4.6 强震动监测

工程区设计地震烈度为Ⅶ度，为监测坝体强震动对坝体的影响，分别在拱冠梁坝顶及上、中、下层廊道内各布置1个强震动测点，在坝顶两坝肩灌浆平洞内各设置1个强震动测点，在左右岸中层灌浆平洞内靠近拱座位置各设置1个强震动测点。强震动监测设置1套工程数字地震仪，共8个空间三分向拾震器。

5 结语

混凝土双曲拱坝属于高次超静定结构，受力条件复杂，在天花板碾压混凝土双曲拱坝安全监测设计过程中，具体根据计算分析成果并结合枢纽布置与结构特点，力争做到监测目的明确、针对性强，为工程施工及运行期的安全运行提供可靠的依据，同时对理论计算分析成果进行验证与反馈，促进碾压混凝土双曲拱坝设计与建设水平。■

[1]刘东庆,王绍纯,翟明成.云南天花板水电站工程区表面变形监测网技术设计书.北京勘测设计研究院.2009.