龙江水电站大坝安全监测设计综述

韩 琳，徐 岩，任建钦

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130061）

1 工程概况

龙江水电站枢纽由混凝土双曲拱坝、左岸引水系统及地面式厂房组成，为大（1）型Ⅰ等工程。坝顶高程875.00 m，最大坝高110 m，坝顶中心线弧长（包括溢流、重力墩坝段）472.00 m。

2 大坝安全监测设计

安全监测设计主要监测项目：变形监测控制网；变形监测；渗流监测；应力应变及温度监测；地震反应监测；监测自动化系统。

根据地质条件、科研计算成果和坝体廊道布置，选择10号、14号和17号共3个坝段为重点监测坝段，6号、21号两个坝段为辅助监测坝段，形成5个观测基面；在平面上选择769 m、795 m、815 m、835 m和855 m拱圈，形成5个观测截面，构成外部监测5梁5拱、内部监测5拱5梁的监测体系。

2.1 变形监测

2.1.1 大坝水平位移监测

1）边角交会法。根据龙江水电站枢纽大坝的具体情况，利用平面监测控制网中的控制点作为坝体水平位移监测的工作基点，用前方交会法观测。坝体表面变形测点主要布置在坝顶下游侧及下游坝后栈桥上，共计45个测点。

2）垂线。由于受坝体剖面形状及结构的限制，在10号、14号、17号坝段3个坝段观测基面设置垂线，垂线均采用正、倒垂相结合的方式。3个坝段布设正垂线7条（12个测点），倒垂线3条（3个测点），以此对坝体、坝基的水平位移及坝体挠度进行观测。

3）谷幅测线长度、拱坝弦长变化监测。利用大坝监测平面控制网的基准点，在近拱坝弦线附近、上下游坝肩上部岩体布置3条谷幅监测线，监测大坝蓄水后上下游岸坡之间的相对变形，研究其变化规律，分析坝肩稳定性。

2.1.2 大坝垂直位移监测

1）精密水准测量。大坝的垂直位移在坝顶及各层廊道内分别设水准点。坝顶测点设在1～26号坝段、基础廊道测点设在12—15号坝段、803 m高程廊道测点设在9—18号坝段、842 m高程廊道测点设在6—21号坝段，每个坝段分别设1个测点，共设置测点56个。

2）高程传递。由于两岸坝段基础廊道坡度较大，水准通视困难；同时双金属标需进行校核，因此通过高程传递将坝外水准引入大坝廊道内。通过10号、14号、17号坝段的正垂线保护管，利用铟钢带尺进行高程传递,共布设9条铟钢带尺。

3）双金属标。在10号、14号、17号坝段的基础廊道内布设的倒垂管内埋设双金属标，双金属标在进行基础垂直位移监测的同时，为基础廊道内水准观测提供基准。

2.1.3 倾斜监测

倾斜监测利用坝顶和坝体内的横向观测廊道，成对布设测点，利用水准仪观测测点的相对变化，得到坝体倾斜位移量。在横向观测廊道沿上、下游方向各设1个水准标点，共布设18个测点。

2.1.4 坝体接缝和裂缝

测缝计的布置以13—14号坝段分缝为中心，沿左、右岸方向隔缝布设，以河床坝段的横缝为主，共选择7条横缝，分4个高程布置3支单向埋入式测缝计，即上、下游面及坝中各1支，总共60支。

2.2 渗流监测

2.2.1 扬压力

为了解大坝基础扬压力的变化，判断大坝是否有滑动、倾覆等危险，并校核设计。纵向扬压力选择9个坝段各布设1个测点；横向扬压力主要布设在10号、14号、17号坝段3个坝段的观测基面内，沿上下游方向分别布设3个测点，其中第一个与纵向扬压力共用。

2.2.2 渗漏量

为观测渗漏量，在排水廊道、803 m和842 m高程廊道的排水沟内分左、右区，共布置8个量水堰。在基础廊道集水井内设置1台集水井测量仪，以量测总的漏水量。

2.2.3 绕坝渗流

在灌浆帷幕前后各设1孔，以了解灌浆帷幕的效果，其它根据可能产生渗流的流线和梯度方向布设渗流监测孔，共计18个绕坝渗流监测孔。

2.2.4 水质分析

在坝区有代表性部位取水样进行水质分析，监测坝体、坝基及岸坡水质变化。分析渗漏水及析出物的物理和化学性质，了解渗透水及析出物来源及其发展趋势，综合渗流和变形等成果，分析评价坝体混凝土和防渗帷幕的溶蚀及其防渗效果，为工程处理提供必要的信息。

2.3 应力、应变及温度监测

2.3.1 坝体应力应变观测

坝体的应力、应变主要采用在坝体内埋设混凝土应变计组的方法进行观测。应变计组主要布置在10号、14号、17号坝段3个观测断面内，分别为距建基面5 m或10 m（10号坝段高程为790 m、14号坝段高程为765 m和17号坝段高程为790 m）、803 m高程和842 m高程；每个高程面上布设2组，在距坝上、下游面2 m的部位，3个坝段共计22组（154支应变计）。由于拱坝的应力情况较为复杂，在布设应变计组时按空间应力状态考虑，由7支应变计组成七向应变计组。为扣除应变计组观测结果中混凝土的非应力应变，在每个应变计组旁边各布设1支无应力计，3个坝段共22支。

2.3.2 坝体、库水温度观测

坝体的温度监测主要采用在埋设温度计的方法观测。温度计主要布置在10号、14号、17号坝段的不同高程处，主要设在距混凝土表面70 mm和梁剖面中心线上。每个高程面上沿上、下游方向分别布设3支。共计64支。

2.3.3 坝基岩体应力应变及变形观测

拱坝在水库蓄水后，大部分荷载将通过拱的作用传递到两岸坝肩山体上，两岸坝肩山体将承受较大的推力，同时在左岸坝肩有R01、R02、R15、R16软岩和F30断层，右岸坝肩有R19、R20软岩和F8、F37、F42断层，坝体基础岩体的变形模量偏低，因此需要对坝基的岩体加强监测。

1）坝基应力应变观测。根据工程的实际情况，结合变形观测布置，选择拱冠14号坝段和10号坝段为主要观测梁向断面，用滑动测微计观测沿钻孔轴线方向不同深度基础附近混凝土和岩体的应变分布。

2）坝基拱座岩体变位与拱推力观测设计。为观测坝基拱座岩体变位与拱推力，选择2个高程拱圈与两岸相交的拱座为主要观测部位，分别布设滑动测微计对岩体变位进行观测；布置压应力计和渗压计进行拱推力观测。

压应力计仪器方向沿拱座推力方向布设，每个拱座沿上、下游方向各设1支，选择4个拱座共8支。

滑动测微计钻孔方向一般垂直开挖面，具体方向应根据实际情况考虑，选择3个拱座（6号、18号、21号）各设1孔，同时各布置1套多点位移计，用于观测基岩变位并与滑动测微计互相校核。

渗压计布置在基础混凝土与岩石接缝处，每个拱座沿上、下游方向各设1支，共布设6支。

为监测大坝重力墩变形情况，在3号和24号坝段各布设1个双轴测斜孔，利用高边坡已有的滑动测斜仪进行观测。

3）坝体混凝土与基岩接触缝观测设计。坝体混凝土与基岩接触缝的开度变化是评价坝体和岩体整体作用的十分重要的观测项目，因此在14号、10号、17号坝段3个梁向断面的坝基布置单向测缝计和渗压计进行观测。测缝计主要布置在坝踵、坝趾，距坝面2.0 m处，每个断面两支，共6支；渗压计主要沿上下游方向布设，每个断面3支，其中帷幕前1支，坝中及距下游面3.0 m处各1支，3个断面共计9支。

2.4 地震反应监测

由于龙江水电站工程属于地震高烈度区，地区基本烈度为8度，枢纽大坝最大坝高110 m，为1级建筑物，因此，需要设观测台对大坝进行强震观测。

选择最大坝高的14号坝段为基本观测基面，选择基础地质条件较好的10号坝段和20号坝段作为校核基面。

在14号坝段基础廊道770 m高程、806 m高程、842 m高程和坝顶分别布置1个测点（4个）；在10号坝段的基础廊道、842 m高程和坝顶分别布置1个测点（3个）作为校核点；在20号坝段842 m高程和坝顶分别布置1个测点（2个）作为校核点；同时在左、右坝肩、下游距坝趾500 m的自由场测点，各设1个测点（3个），共设12点。每个测点安装一套3向加速度传感器和1套强震仪，通过强震仪之间的组网进行自动观测地震动力加速度变化的瞬间过程。

2.5 安全监测自动化系统的设计

根据目前水电站运行管理技术的发展，实现主要监测项目的自动化观测，高速、及时地提供大坝变形资料，有利于大坝的安全监控。

根据安全监测系统中监测仪器分布情况，监测自动化系统布设1个监测中心站，1个强震观测站，13个DAU数据采集站。自动化监测系统的DAU数据采集站根据各观测项目测点的分布情况，共布置28台DAU。

监测中心站布设在永久办公区。DAU数据采集站与监测中心站连接，接受监测中心站控制。考虑到监测中心站与数据采集站有一定的实际距离，网络的防雷问题十分重要，所以其连接采用的方式有：在大坝内部布置的DAU数据采集站采用RS—RS485总线进行连接，并加信号防雷器；引水发电洞及消能塘根据各DAU的分布情况，采用光纤进行连接。各DAU的供电就近取用，在进入DAU前加电源防雷器。防雷器的地线就近并入工程接地网，如就近无工程接地网，需自建接地装置，所有接地的电阻小于4 Ω。

数据采集站主要完成数据采集工作，可独立工作，可接受总站的控制命令。

监测中心站主要完成对各数据采集站的管理，保存观测数据，分析观测数据，管理观测数据。

3 结语

安装于大坝、厂房、近坝边坡及其他相关建筑物的各类监测仪器自始测日至今均工作正常，且各测点监测数据序列的时间跨度较长，已有监测资料可较为准确地反映各仪器安装位置边坡的真实性态。

1）根据埋设于大坝内部的监测仪器成果分析，各内观监测仪器测值变幅较小，大坝安全性态基本正常。

2）左岸绕坝渗流变化受库水位变化与降雨的综合影响，右岸靠近库区测值变化受库水位与右岸山体的共同作用，与左右岸近岸坝坡岩质条件、裂隙发育等地质因素有关；扬压力孔观测结果表明，在主帷幕后扬压力孔测点水头均不高，大坝运行期扬压力测点整体变化规律正常；大坝总渗漏量超出已安装量水堰最大量程，左右岸平洞内渗漏量相对较小。

3）消能塘总体工作性态正常，但个别测点接缝开合度、渗透压力较大。

4）大坝强震动安全监测台阵进入正常运行状态，满足规范设计要求，可以有效监测大坝及相关附属建筑物的地震响应情况。

根据相关规范，龙江水电站枢纽工程大坝安全监测资料分析结果表明，大坝主体及左右坝肩整体稳定，各建筑物运行性态正常，满足竣工验收条件。