通过串接土体位移计监测哈达山均质土坝的沉降

李克绵，马洪亮，彭立斌，高垠

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

0 引言

为了掌握土石坝在施工和运行期间的坝体内固结和沉降变形情况，结合其他观测资料进行综合分析，以判定其稳定性和有无变形开裂，作为施工控制和工程安全运用的依据[1]，土石坝的内部沉降观测是非常重要的监测项目之一。土石坝内部分层沉降常用的监测方法主要有横梁管式沉降仪、深式标点、电磁式沉降仪、水管式沉降仪、振弦式沉降仪等[1]。目前在土石坝中较为普遍应用的是电磁式沉降仪、水管式沉降仪和振弦式沉降仪，这三种方法原理简单。虽然电磁式沉降仪和水管式沉降仪目前也可以通过各种途径实现自动或半自动化观测，但仍存在以下几方面的问题：

（1）电磁式沉降仪实现自动监测控制过程繁琐，国内应用实例不多见，更多的是采用人工观测。

（2）水管式沉降仪和振弦式沉降仪更多地应用在面板坝与心墙坝，这两种类型的仪器需要通过通液管将埋设在坝体内部沉降测点处的测头与坝下游面观测房内的储液罐相连通，通气管、连通水管等管路易出现冻结、掺气、堵塞等问题，同时暴露在外部的通液管易受液体、管路、容器等的热胀冷缩影响，从而很大程度上影响整个系统的观测精度。

（3）在使用水管式沉降仪和振弦式沉降仪时，为获得坝体的绝对沉降值，必须定期通过大地测量确定观测房的变形量来修正沉降仪的测值。这不仅使观测过程复杂化，而且在纳入自动化观测后也需要定期输入人工修正值，给沉降监测的无人职守造成了困难。

（4）特别对于均质土坝来说，由于各种管路较多且水平埋设，管路周边的防渗尤为重要，一旦做不好，极易破坏坝体的防渗。

为解决上述问题，并实现哈达山水利枢纽工程均质土坝沉降自动化观测，在总结分析土体位移计监测坝体水平位移的基础上，采用了竖向串联安装振弦式土体位移计的方法，与沉降磁环共同监测坝基和坝体的分层沉降，不仅实现了坝体沉降的自动化监测，同时与电磁式沉降仪人工观测的结果实现了相互校核。

哈达山水利枢纽工程位于第二松花江干流下游，坝址在吉林省松原市东南约20 km处，下距二松与嫩江汇合口约60 km。土坝为粉质粘土均质坝，为1级建筑物，坝轴线全长1726.4 m，坝顶高程为146.00 m，最大坝高13.00 m，坝顶宽10.00 m。坝基为均匀中砂，坝基砂层厚度12.00～22.00 m，坝基垂直防渗采用塑性混凝土防渗墙。土坝坝基为均匀中砂，根据坝基砂土体地震液化判别，土坝基础砂层为液化砂层，在8度地震下将产生液化。

介绍了利用串接土体位移计进行沉降监测的工作原理，分析了测量的不确定度，通过对两种监测方法的实测资料进行对比，表明了串接土体位移计进行均质土坝的沉降监测是可行的，并在此基础上提出了在今后使用过程中的改进建议。

1 工作原理

这种沉降监测系统主要由振弦式位移传感器、位移传递杆、保护管、伸缩节、沉降盘及连接件等部件组成。整个系统竖直安装，其基本原理就是采用分段测量、组段累加计算的方法对整个高程的各个测点的沉降进行监测。系统构成如图1所示。

如在整个高程中安装了n支传感器，由下向上分别为S1、S2、S3……Sn-1、Sn，则S1作为基准传感器并用来监测第一个沉降盘相对于基准锚头垂直距离H1的变化量ΔH1，S2用来监测第二个沉降盘相对于第一个沉降盘垂直距离H2的变化量ΔH2。。。。。。第n个传感器用来监测最上部两个沉降盘之间的变化量ΔHn，每个沉降盘在测量分析中可以简化成一个点，假定自下向上第一个沉降盘为K1点，第二个为K2点，第三个为K3点，……第n个为Kn点。根据矢量相加原理，各个点相对于基准锚头的沉降可以按下述方法计算：

图1 沉降监测系统构成示意图Fig.1 Structure of the settlement monitoring system

每一位移传感器和沉降盘组成一组区域沉降测量系统，监测两个沉降盘之间的沉降变形。最底部的位移传感器作为整个沉降监测系统的基准传感器。该传感器固定在锚杆上，通过钻孔灌浆固定在大坝基岩上。随着坝体的填筑，依次将各个高程的传感器和沉降盘安装埋设在设计位置，其沉降变形量通过累加计算与基准传感器比较并计算出各点的垂直位移。所有传感器的电缆引到附近观测房，接入自动化采集系统。

2 系统测量不确定度

由于整个系统由若干相互独立的位移传感器构成，为使测量结果真实可靠，需要对整个系统的最大测量不确定度（即测量误差）进行分析。本工程中使用的沉降监测系统最多由5个测点组成，每支位移传感器的测量精度是0.1%FS，选择的是量程为100 m的传感器，每支传感器的测量不确定度为：

根据测量不确定度的合成原理，可知位于最上部的5号测点的测量不确定度最大。该测点的不确定度可由下式确定：

这就是系统最大的测量不确定度。其他测点的测量不确定度计算方法类似，数值小于0.22 mm。系统最大的测量不确定度随测点数量的增加而增大。由于位移传递杆两端采用万向铰连接以及传递杆埋设在坝体的内部，温度变化不大，上述计算可以忽略位移传递杆挠曲变形以及受温度影响产生的伸缩变形[2]。即使计入这些影响，其系统的监测精度也在毫米级范围内，所以采用这种沉降监测方式能够满足本工程沉降监测的要求。

3 仪器布置

选定土坝桩号0+521 m、0+864 m、1+222 m、1+465 m、1+822 m剖面为监测断面，每个监测断面沿上下游方向布置4条沉降磁环观测管线，位于坝轴线1条、坝轴线上游1条、坝轴线下游2条，间距10 m。每个监测断面坝轴线处同时布置1条土体位移计测线，桩号1+222 m监测断面为主观测断面，每条土体位移计测线旁都布置了沉降磁环观测管线，两条测线相距1 m。两种观测仪器在每一层位于同一高程。整个工程共布置了土体位移计测线8条，合计37套土体位移计。布置见图2。

4 安装埋设方法

串接土体位移计与沉降磁环的埋设方法基本相同，均采用“钻孔法”与“坑式开挖法”相结合的方法。

坝基覆盖层采用“钻孔法”进行安装，钻孔深入基岩1 m，向孔内安装传递杆时下部锚头安装在钻孔底部，回填砂浆与基岩固结一体，逐层回填夯实，接近建基面时安装传感器部分及沉降盘，使沉降盘与沉降磁环位于同一高程，并在沉降盘上部连接下一套仪器锚头、传递杆和保护管，并做好保护措施，并做好向上串接仪器的准备。

坝体内土体位移计采用“坑式开挖法”进行安装，当坝体填筑高程超过仪器安装高程0.3～0.5 m后，挖除保护管上部土料，套上伸缩套，在仪器限位锁定情况下将传感器部分接入传递杆并拧紧，拉伸传感器到满量程（注意：此时已解除限位锁定，不能再转动传感器），回填土料，分层夯实，达到上部锚头后连接沉降盘和下一套仪器的锚头、传递杆和保护管，并做好保护措施。随着坝体填筑高度逐步升高，土体位移计也逐段向上串接，直至全部完成。

5 实测成果

仅以埋设安装较早、沉降变形历时较长的桩号0+521 m监测断面的沉降数据为代表进行简要分析。该断面位于均质土坝与溢流坝坝段连接段，土坝建基高程为120 m，基础为夹粉砂岩薄层的泥岩，135 m以上为粉质粘土均质坝，135 m以下土坝坝基垂直防渗采用塑性混凝土墙防渗，塑性混凝土防渗墙两侧为粉质粘土，其它开挖部位回填中粗砂，坝基砂层采用振冲加压重方案防止地震液化。

图2 典型断面沉降监测布置图Fig.2 Distribution of the settlement monitoring system on the typical section

图3 土体位移计与沉降磁环实测沉降量对比结果Fig.3 Comparison of settlement data measured by soil displacement meter and magnetic core

该监测断面仅在坝轴线部位设置了一条利用串接土体位移计进行沉降监测的测线，共串接了5支土体位移计。自2009年10月开始填筑至2012年4月完成坝体填筑，这5支土体位移计与沉降磁环观测历时2年半，累计沉降量自135 m高程至143 m高程逐渐增大，截至2012年4月143.00 m高程处土体位移计测得最大累计沉降量为313 mm，而沉降磁环测得最大累计沉降量为319 mm。

从坝体累计沉降过程线与坝体填筑过程线可知，坝体沉降与填筑过程显著相关，坝体填筑施工开始后沉降速率明显增加，当填筑施工停止后，坝体沉降速率开始减小。自2011年11月起，坝体累计沉降变形逐渐趋于稳定，哈达山水利枢纽工程均质土坝坝体沉降符合变形的一般规律，沉降监测结果可靠，表明这种观测方法是有效的。

6 结语

哈达山水利枢纽工程均质土坝沉降监测的实际应用效果表明，由串接土体位移计组成的沉降监测系统具有安装方法简单、土建工程量小、测量精度高、易于实现自动化监测等优点，为均质土坝、黏土心墙坝内部分层沉降监测提供了一种便捷高效的方法。建议在今后的使用过程中考虑采用并接的布置方式，避免因测线上某支传感器失效而影响整条测线沉降量的累加计算。若位移传递杆过长且坝体内温度变化较大，宜对其长度变化量进行挠曲变形修正和温度修正。■

[1]张启岳.土石坝观测技术[M].北京:水利电力出版社，1993.

[2]霍家平,陈生水,方绪顺，陈与非.TSD型杆式水平位移计研制及应用[J].水力发电学报，2005，24（1）：65-68.