堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析

贺爱军，张利军，王彦华，刘凤成

（1.北京翔鲲水务建设有限公司，北京，100192；2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司，北京，100024）

1 坝体沉降监测方法

中国的面板堆石坝内部沉降变形多采用水管式沉降仪监测，自公伯峡水电站面板堆石坝首次引进了水管式沉降仪和电磁式沉降仪相结合的方法监测坝体内部沉降变形后，目前越来越多的面板堆石工程采用了该方法［1］。随着振弦式仪器在工程上的普遍应用，坝体沉降监测方法也采用振弦式分层沉降仪，同时结合布置电磁式沉降仪。

1.1 振弦式分层沉降仪

振弦式分层沉降仪用来测量不同点之间的沉降。振弦式分层沉降仪采用挖沟槽方法埋设，电缆和通液管应各自单独埋设。振弦式分层沉降仪的压力传感器安装到位于沉降区域的沉降盘上，传感器通过两根充液管连接到一个固定在远离沉降区域的储液灌（基准点）上，传感器再通过通液管感应液体的压力并且换算为液柱的高度，由此可以实现在储液罐和传感器之间测量出不同高程的任意测点的高度，即测点相对于观测房储液罐的沉降量，传感器通过电缆延伸到读数处的方式来读取数字。再通过外部变形观测测出观测房的沉降量，就可计算出测点的实际沉降量。该方法测量原理简单，安装监测方便，可实现自动化监测。

1.2 电磁式沉降仪

电磁式沉降仪利用沉降测斜管和管外磁环，在孔中监测坝体不同高程点处的沉降变形。电磁式沉降仪包括：ABS沉降测斜管、伸缩节和测量装置。沉降测斜管在岩基以下采用钻孔方式，孔底深入基岩以下≥3.5 m，坝基高程以上随坝体填筑施工不断向上接长测斜管，采用坝面埋设法（非坑式埋设）。磁环有各种不同的类型可供选择，有适合钻孔安装的沉降环和适合填筑埋设的沉降盘。它们都是按规定的间隔（取决于地质条件）安装在测斜管上，伸缩节上面有固定的凹槽可适合测斜管轴向的位移。每一块沉降板为一个带有永久磁铁的锚固点，磁性位移计穿过一条易接近的测量孔导管的轴线，一个读数开关放入这管道中，在有刻度钢尺的末端，也带有两个导体，当探头通过每个锚固点时，将会使读数开关闭合，然后会引起在地表的钢尺转轴上的蜂鸣器发音。当蜂鸣器发音时，通过读取管道上边对面的有刻度的钢尺上的读数来得到锚固点的深度。钻孔底部的沉降板位于基岩内，并通过灌浆将其固定，从而提供了一个稳定的水准点，使其他的锚固点可以用相对于基准点的绝对位移（即沉降量）来计算。电磁式沉降管测点沿垂线方向布置，可以监测到坝体和覆盖层沉降变形。该方法测量方法简单，受环境影响较小，较易获得沉降全变形。

2 坝体沉降监测方法的对比分析

2.1 岩石坝基堆石坝

2.1.1 工程概况

某电站装机容量为1 200 MW（4×300 MW），上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，坝顶高程1 494.5 m，坝顶轴线长度401.16 m，最大坝高50 m，坝顶宽度10 m，上游坝坡1∶2，下游坝坡1∶1.7，最大横断面底宽约200 m。主坝填筑分区有排水棱体、主堆石、下游堆石、过渡层、碎石垫层、下游坝面干砌石护坡等项目。

主坝堆石体内部竖向位移采用振弦式分层沉降仪观测，选择主坝最大坝高断面桩号0+086.000 m，沿高程1 448.0 m、1 460.0 m、1 472.0 m和1 485.0 m设四层；在主坝坝顶下游侧设置1根沉降测斜管，用于电磁式沉降仪观测，选择主坝平行坝轴线桩号为0+006.200 m、垂直坝轴线桩号为0+092.000 m位置设置。

2.1.2 坝体沉降监测成果分析

上水库主坝上、下游堆石料主要利用库区开挖的灰岩和少量白云岩，坝体从上游到下游依次分为垫层区（2A区）、过渡层（3A区）、上游堆石（3B区）、下游堆石（3C区）和坝基过渡排水区（3F区）、下游坝坡干砌石护坡（3D区）及下游主沟部位的下游堆石（3E区）。主坝分区布置见图1。

2.1.2.1 振弦式分层沉降仪

振弦式分层沉降仪实测坝体填筑完成时的主坝坝体沉降变形过程曲线见图2。最大沉降部位位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，对应坝体高程为1 472 m，填筑完成时最大沉降值265.3 mm（TC3-4），沉降变形主要发生在坝体填筑期。

2.1.2.2 电磁式沉降仪

电磁式沉降仪实测主坝坝体测点沉降变形过程曲线和沉降值随高程的分布图见图3。观测到的坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，对应坝体高程为1 470.14 m，与振弦式分层沉降仪对应时间即坝体填筑完成时的最大沉降值354 mm（ES1-7），目前最大沉降值692mm（ES1-7）。沉降变形主要发生在坝体填筑期及稳定初期，沉降变形与库水位无明显相关性，进入初蓄期和运行期，坝体沉降变化减小，逐渐呈现收敛趋势。

2.1.2.3 平面二维计算结果

计算分析的目的是通过坝体和面板的平面和三维应力、应变分析，论证筑坝材料的允许范围，为坝基开挖、坝体结构设计、筑坝料分区及填筑标准、防渗结构设计等提供设计参考依据，其中计算分析研究的重点是上水库防渗护面下岩层软硬相间情况和坝基溶洞对防渗护面结构应力、变形的影响。图4为离分层沉降仪器布置很近的一个剖面的平面二维分析计算结果，从图中可看出最大沉降发生在整个坝轴线最大坝高处的中部附近。

2.1.2.4 沉降监测方法对比分析

图1 上水库主坝分区布置Fig.1 Layout of main dam of the upper reservoir

图2 上水库坝体振弦式分层沉降仪沉降变形曲线Fig.2 Deformation of upper reservoir dam measured by VW settlement sensor

图3 上水库坝体测点沉降分布和变形过程曲线Fig.3 Settlement distribution and deformation process of an observation point on upper reservoir dam

图4 上水库坝体沉降平面二维计算图(m)Fig.4 2-D calculating diagram of settlement plane of upper reservoir dam

（1）振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪：

①沉降值分布规律：两种监测方法观测的沉降值沿高程分布规律一致，坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近。

②沉降值大小：坝体填筑完成时，电磁式沉降仪观测到的最大沉降值略大于振弦式分层沉降仪观测到的最大沉降值，具体比较见表1。从表中可以看出，电磁式沉降仪埋设及监测时机较振弦式分层沉降仪要早[2]，较易获得全变形，振弦式分层沉降仪开始工作时电磁式沉降仪已经监测到坝体沉降107 mm；同期两种仪器监测沉降值基本相当。

表1 上水库坝振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪沉降值比较表Table 1 Comparison between the measured values by VW settlement sensor and electromagnetic settlement sensor for upper reser⁃voir dam

（2）实测与计算成果：实测沉降值沿高程分布规律是最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，计算结果最大沉降也是发生在整个坝高的中部附近，实测与计算结果一致。

2.2 覆盖层坝基堆石坝

2.2.1 工程简况

某电站装机容量为1 200 MW（4×300 MW），下水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝，库区范围大面积为第四系崩坡积、冲洪积覆盖层，开挖后厚度一般为10～70 m。坝顶高程840.0 m，坝顶宽10 m，上游坝坡1∶2，下游坝坡1∶1.7，最大坝高97 m，堆石坝坝顶轴线长537 m，库顶轴线长1 722 m。

下水库主坝选择坝体0+238.0 m和0+365.0 m断面（最大坝高及坝基深覆盖层），沿不同高程各设置4层振弦式分层沉降仪和水平位移计，测量坝体堆石体内部沉降变形和水平位移，联合构成水平垂直位移计；选择坝体0+244.5 m和0+357.8 m桩号坝顶下游侧各设置3根沉降测斜管，同时在0+512.0 m桩号坝下游靠近坝顶部位设置1根沉降测斜管，用于电磁式沉降仪观测。

2.2.2 坝体沉降监测成果分析

下库主坝坝体从上游到下游依次分为垫层区（2A区）、过渡层（3A区）、上游堆石（3B区）、下游堆石（3C区）和坝基过渡排水区（3F区）、下游坝坡干砌石护坡（3D区）及下游主沟部位的下游堆石（3E区）。下库主坝分区布置见图5。

2.2.2.1 振弦式分层沉降仪

振弦式分层沉降仪实测主坝坝体沉降变形过程曲线见图6。观测到的坝体最大沉降部位位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，对应坝体高程为783～802 m高程，坝体填筑完成时最大沉降值为1 259 mm（TCⅡ2-5），目前最大沉降值1 259 mm（TCⅡ2-5）。沉降变形主要发生在坝体填筑期和蓄水前，沉降变形与库水位无明显相关性，进入初蓄期和运行期，坝体沉降变化减小，逐渐呈现收敛趋势。

2.2.2.2 电磁式沉降仪

电磁式沉降仪实测主坝坝体测点沉降变形过程曲线和沉降值随高程的分布图见图7，观测到的坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，对应坝体高程为781～801 m，目前最大沉降值1 314 mm（ES-4-18），其中坝基覆盖层的沉降量为251 mm，占总沉降量的19%。2006年9月30日刚填筑完成时观测到的沉降量为914 mm、2008年5月28日蓄水时观测到的沉降量为1 089 mm、2010年9月1日蓄水完成时观测到的坝体沉降量为1 250 mm，沉降变形主要发生在坝体填筑期和蓄水前，沉降变形与库水位无明显相关性，进入初蓄期和运行期，坝体沉降变化减小，逐渐呈现收敛趋势。

图5 下水库主坝分区布置Fig.5 Layout of main dam of lower reservoir

图6 下水库坝体振弦式分层沉降仪沉降变形曲线Fig.6 Deformation of lower reservoir dam measured by VW settlement sensor

图7 下水库坝体测点沉降分布和变形过程曲线Fig.7 Settlement distribution and deformation process of the observation point on lower reservoir dam

2.2.2.3 平面二维计算结果

大坝填筑结束后，对下水库沥青混凝土面板主堆石坝进行了二维的非线性应力变形静力分析，坝体堆石料、覆盖层碎石土料及沥青混凝土面板计算模型采用邓肯E-B模型，地基中的各类岩石材料采用线弹性模型，二维静力计算均对堆石坝竣工情况与库内蓄水位为正常运行时的最高蓄水位838 m情况进行计算。下库主坝最大断面竣工期坝体沉降等值线图见图8，坝体在竣工期的最大沉降为1 490 mm，蓄水期的最大沉降位置不变，最大沉降为1 500 mm，最大沉降受覆盖层厚度的影响，接近坝体的中部。

2.2.2.4 沉降监测方法对比分析

（1）振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪：

①沉降值分布规律：两种监测方法观测的沉降值沿高程分布规律一致，坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近；两种监测方法观测的沉降值随时间的变化过程基本一致，沉降变形主要发生在坝体填筑期和蓄水前，沉降变形与库水位无明显相关性，进入初蓄期和运行期，坝体沉降变化减小，逐渐呈现收敛趋势。

②沉降值大小：电磁式沉降仪观测到的蓄水时、目前的最大沉降值略大于振弦式分层沉降仪观测到的最大沉降值，具体比较见表2。

图8 下水库坝最大断面竣工期坝体沉降初步计算图(单位：m)Fig.8 Initial calculation of settlement on the largest section of lower reservoir main dam in completion period

（2）实测与计算成果

①沉降值分布规律：实测沉降值沿高程分布规律是最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部附近，计算结果是坝体在竣工期的最大沉降值受覆盖层厚度的影响，接近坝体中部。实测最大沉降点位置比计算结果略高，规律性基本一致。

②沉降值大小：实测坝体最大沉降值1 314 mm，计算坝体最大沉降值1 490 mm，实测沉降值小于计算结果最大沉降值。

3 结语

通过对振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪监测成果及与计算结果的对比分析，归纳主要结论如下：

（1）振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪作为坝体沉降监测手段，振弦式分层沉降仪在平面上布置测点较多，电磁式沉降仪在高程上布置测点较多。在同一工程上相结合布置的方式，能对面板堆石坝坝体沉降进行全方位监测，可获得较完整、全面的监测资料，并且监测结果之间可相互校验、互补。

（2）电磁式沉降仪沿高程布置，随坝体填筑埋设沉降环，在时间上受施工影响较多；振弦式分层沉降仪沿平面布置，需要大量开挖和回填，在范围上受施工影响较多。

（3）振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪监测方法同时应用在堆石坝坝体沉降监测，监测到的坝体沉降分布规律基本一致；基于同部位电磁式沉降仪的埋设时机早于振弦式分层沉降仪，扣除时间因素影响，两种方法监测的沉降值基本相当。

（4）电磁式沉降仪随坝体填筑而埋设沉降环，埋设及监测时机较振弦式分层沉降仪要早，较易获得全变形。

（5）振弦式分层沉降仪能实现自动化监测，电磁式沉降仪目前不能实现自动化监测，但电磁式沉降仪测量相对较简单。

[1]陈念水，陈树联，王卫国.电磁式沉降管在公伯峡面板堆石坝变形观测中的应用[J].西北水电，2007，(4):82-86.

[2]顾永明，陈树联，王伟.面板堆石坝坝体沉降监测方法技术总结[J].西北水电，2011，(1):67-70.