湖南桃源水利枢纽坝顶引张线布置及施工技术

朱振权，田国民

（中国水电工程顾问集团有限公司 桃源开发有限公司，湖南 常德 415700）

0 引言

水平位移是水工建筑物结构稳定性分析的重要指标。水平位移累积量可分解为水平方向的位移值和切线方向的位移值。对于闸坝工程，垂直于坝轴线且顺水流方向的水平位移是最主要的位移量值，可以直接反映闸坝的安全状态。混凝土闸坝工程的水平位移监测可采用引张线法、真空激光准直法、垂线法、视准线法、大气激光准直法监测。引张线法和垂线法监测精度可以达到0.5 mm，受坝线长度限制较小，投资适中；视准线法最经济，但受视线长度限制，精度也相对偏低；真空激光准直法与大气激光准直法测量精度可以达到0.1 mm，对外部环境要求较高，比较适合在廊道内或专用的空间内布设，运行成本相对较高［1］。本文重点分析引张线法在桃源水库坝顶位移观测中的应用。

1 工程概况

桃源水利枢纽位于湖南省常德市桃源县城边的沅水干流上，坝址紧临湖南省桃源县城，上游距凌津滩水电站38 km，下游距常德市城区31 km，属沅水干流梯级水电开发中的最末一级。该电站为低水头河槽径流式电站，是以发电为主，兼顾航运、旅游、防洪等综合利用的水电工程，水库控制流域集水面积8.67万km2，正常蓄水位39.5 m，相应库容1.28亿m3，总装机容量180 MW，多年平均发电量7.93亿kW·h，为二等大（2）型工程［2］。

该枢纽工程挡水建筑物分布于左、右两个河槽，中部为双洲洲尾。左河槽主要建筑物有14孔泄洪闸、船闸和土石副坝，右河槽主要建筑物有11孔泄洪闸、河床式发电厂房和土石副坝，其中发电厂房和船闸分别靠近双洲布置。左槽泄洪闸坝段总长329.10m，右槽泄洪闸坝段总长260.00m，发电主厂房长222.20m，发电厂房（含防洪墙段）坝顶总长271.2 m。

该工程产生水平位移的原因主要有外力荷载作用的水平位移滑动、坝基不均匀沉降产生的整体侧向滑动位移、水工结构物及基岩自身的材料徐变与弹性变形造成的微位移。根据工程特性，水平位移监测技术方案仅考虑外力荷载作用的水平位移滑动和坝基不均匀沉降产生的整体侧向滑动位移量的水平位移累积量。经过监测方案综合比较，推荐采用引张线和垂线法相结合的监测技术方案。

2 坝顶引张线系统布设方案

2．1 引张线布置［3］

右槽泄洪闸为第一段引张线，从泄洪闸1#坝段起点开始，贯穿混凝土闸坝，至厂房副安装间坝段止，长约260 m，共设10个测点；发电厂房为第二段引张线，从厂房副安装间坝段开始，至3#挡水坝段结束，长约250 m，共设11个测点；左槽泄洪闸为第三段引张线，从泄洪闸1#坝段开始，至泄洪闸15#坝段结束，长约328 m，共设13个测点。这3段引张线均由倒垂为其提供工作基准。

2．2 引张线敷设方式优化

传统的闸坝工程坝顶引张线系统敷设一般是在坝顶沿坝轴线贯通架设预制的U型梁结构，在其内安装引张线保护管设施，顶部敷设盖板进行保护。为了确保引张线保护管全管段有效孔径能够达到变形幅度要求，预制U型梁结构必须有足够大的空间，供引张线管道的整体拼装和调整。该方案的优点是，引张线系统有独立的使用空间，便于后期技术升级或改造等；其缺点是，受土建施工进度制约和干扰，往往无法及时安装引张线设施而取得初始值，工程成本相对较高。闸坝工程坝顶引张线系统的另一种敷设方案是，在坝顶沿坝轴线贯通预留专用通道，在其表面敷设引张线管道、安装引张线设施。该方案的优点是，管线安装操作方便；缺点是，对外部环境要求较高，由于引张线系统设备长期暴露在外，不利于设备的保护，并且影响监测数据的精度。

桃源水利枢纽工程闸墩顺水流方向实体结构长为29．0 m，顶部挑出结构长为4．7 m，坝顶宽度为33．7 m，坝顶公路宽为 7．0m，弧形闸门半径为 20．0 m，坝顶电缆沟、油管沟、人行道及防浪墙等宽合计约3．8 m。根据坝顶的布置情况，该工程仅能够在坝顶靠上游侧电缆沟旁或闸墩尾部布设预制U型梁。这样，不但增加了原本就紧张的坝顶空间布设难度，还需为此布设43榀预制梁，投入较大。为了解决坝顶布置空间的问题，降低工程成本，经研究决定，取消预制U型梁结构，采用在现有坝顶上游公路桥人行道底部敷设引张线保护管的方案。

3 引张线敷设方案分析

3．1 敷设位置代表性分析

该闸坝工程闸墩实体结构尺寸为29．0 m×29．7 m×3．2 m（长×高×厚），假定其为刚性板结构，在不考虑材料自身徐变和弹性变形的情况下，最能代表闸墩水平位移的部位为闸墩中心14．5 m处。从理论上讲，当发生垂直于坝轴线顺水流方向外力荷载作用的水平位移滑动时，闸墩上任何一个点均能有效反映其水平位移；当发生坝基不均匀沉降产生整体侧向滑动位移时，离中心越近，侧向滑动位移量值越接近真实值，但其敏感度低；离中心越远，侧向滑动位移敏感度越高，但量值会有一个扩大值。因此，在坝顶上游公路桥人行道底部布置引张线系统方案的监测数据具有代表性。

3．2 敷设空间可行性分析

桃源水利枢纽右槽闸坝和发电厂房坝顶总长度为 521．2 m，左槽闸坝坝顶总长度为 329．1 m。如何在长距离下一次性成功预埋引张线保护管，确保其有效孔径能够达到要求，并预留一定的变形空间，成为该工程的一个技术难点。坝顶上游公路桥人行道位于坝顶公路桥T型梁顶部，走道板尺寸为995 mm×400 mm（宽×高），扣除垫层混凝土、保护层厚度以及钢筋直径所占空间，其走道板总空间约为895 mm×250 mm（宽×高）。引张线测点箱尺寸为514 mm×300 mm×225 mm（长×宽×高），扣除其上部保护钢盖板10 mm厚度，还有15 mm高的空间。根据以上分析，在坝顶上游公路桥人行道底部敷设引张线管线方案是可行的。

4 引张线施工技术方案

4．1 引张线保护管材料与管径的确定

由于材料不同，预埋管与混凝土之间会存在线膨胀。而不同材料的不均匀变形会损坏引张线保护管。为了便于施工保护，降低引张线保护管的安装固定风险，优先选用无缝钢管。而且，由于混凝土与钢材的线膨胀接近，也能解决材料线膨胀的问题。

在监测技术设计中，引张线系统的水平位移测量变形量为±40 mm，预留变形余量设计值为±15 mm，即引张线保护管预埋有效孔径应达到110 mm；叠加施工轴线放样允许误差为±5 mm，允许全管段安装误差为±10 mm。因此，预埋管最小孔径应大于等于140 mm。引张线测点箱高225 mm，距人行道底板高15mm，即埋管最大的调节空间为240mm。引张线系统预留变形余量设计值为±15 mm，施工轴线放样允许误差为±5 mm，允许全管段安装误差为±10 mm，钢管加工标准壁厚5～6 mm［4］。 因此，预埋管允许的最大外径尺寸为小于等于168 mm。按照上述结果，预埋管规格（外径）应在152～168 mm之间。经查钢材规格型号标准，符合要求的无缝钢管规格为DN150（φ162×6 mm）。

4．2 引张线施工方案及埋设工艺

在监测技术设计中，左槽泄洪闸引张线系统保护管分14段布设，右槽泄洪闸引张线系统保护管分11段布设，发电厂房引张线系统保护管分12段布设。引张线保护管采用分段布设增大了钢管安装的技术风险。为了确保钢管的安装精度，经过现场实验对比后，选用管螺纹丝扣对接。管螺纹对接时，将公丝缠绕麻纱并涂抹油漆进行填充，达到密闭效果。为了便于钢管的加工，按照分段管长对钢管进行分节下料、加工，统一编号，然后在施工现场顺序对接。坝顶T型梁两端头与闸墩搭接部位有结构分缝。为了避免缝面错位变形损坏引张线保护管，在钢管过缝后的闸墩混凝土内1．05 m段，采用沥青或黄油包裹，使其形成自由变形空隙，达到保护效果。

4．3 引张线施工放样技术

引张线埋管精度要求非常高，因此，引张线保护管放样精度非常关键。该工程根据施工控制网，采用LaicaTCA2003全站仪测量 （仪器标称精度 Ms＝1 mm＋1 ppm／km，Ma＝±0．5″） 进行施工放样和精度控制，确保放样精度达到或高于设计要求，降低中轴线偏差风险。由于无缝钢管的外形尺寸偏差量级很小，在不考虑钢管外形尺寸偏差的情况下，测量各分段分节预埋钢管的坐标和外壁顶点值（高程），可以换算出各分段分节的轴线偏差，并近似得出各分段分节预埋管的有效孔径。但是，在分段分节测量时，如何才能始终找到钢管的顶点。由游标卡尺和水准仪的工作原理得知，可以加工制造钢管水平居中卡尺，在水平居中卡尺中心点放置棱镜标靶，利用LaicaTCA2003全站仪自动捕捉棱镜标靶，按小角度法结合三角光电测距进行测量和数据记录。

5 引张线质量检验技术

常规的引张线系统保护管安装是在开敞的空间环境下进行的，往往只注重施工的安装精度控制，若后期需要进行技术调整和升级改造，具备再次对其进行精度控制的条件。受工程条件限制，桃源水利枢纽坝顶引张线保护管采用预埋敷设方案，不具备后期调整和改造的条件。因此，现阶段必须充分考虑后期环境因素变化的影响，为后期的技术调整或升级改造预留条件。这就需要对引张线保护管预埋施工进行全过程精度控制，从而确保埋管质量。埋管施工完成后、且混凝土浇筑成型前，应对全管段预埋管有效孔径进行技术检验。

该工程采用LaicaTCA2003全站仪按小角度法结合三角光电测距测量，得出分段分节钢管各断面的中轴线偏差值，计算各断面累积叠加值，即为全管段有效孔径。假定中轴线上下游偏差为X坐标、轴线垂直偏差为Y坐标、预埋管中心为坐标原点O，坐标轴象限正负号规定如图1所示。钢管断面中心偏差计算公式为

式中：S为轴线偏差值；X为轴线上下游偏差；Y为轴线垂直偏差。

钢管各断面中心偏差计算累积叠加后，取各个象限极大值，在坐标轴上绘制连线，以连线中最长边的中点为圆心，以其0.5倍边长为半径，绘制有效圆。该有效圆的孔径即为引张线的变形幅度。

图1 坐标轴象限正负号Fig.1 Axis quadrant sign

6 结语

桃源水利枢纽坝顶引张线工程，取消预制U型梁沟管结构，采用在现有坝顶上游公路桥人行道底部空间布置引张线系统的方案，优化了坝顶结构布置，也节约了工程成本。目前，该工程已经完成了右槽闸坝和发电厂房两段引张线保护管的预埋施工，经过技术检验，有效孔径分别达到130．4 mm和132．8 mm，大于设计要求的变形幅度110 mm。通过实践证明，引张线系统的预埋敷设方案是可行的。

［1］ DL ／T5178-2003，混凝土大坝安全监测技术规范［S］．

［2］中国水电顾问集团中南勘测设计研究院.桃源水电站可行性研究报告:工程布置及建筑物篇［R］．长沙:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2010:183-188.

［3］中国水电顾问集团中南勘测设计研究院.桃源水电站安全监测仪器埋设及观测技术要求［R］．长沙:中国水电顾问集团中南勘测设计研究院，2012:4-9.

［4］ DL ／T5173-2003，水利水电工程施工测量规范［S］．