猴子岩面板堆石坝安全监测技术

徐朝勇，谭恺炎，胡升伟，宋三红，王 辉

（1.葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072；3.国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川康定，626005）

猴子岩面板堆石坝安全监测技术

徐朝勇1，谭恺炎1，胡升伟2，宋三红3，王 辉1

（1.葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072；3.国电大渡河猴子岩水电建设有限公司，四川康定，626005）

猴子岩面板堆石坝位于地形复杂的“深切型”不对称河谷，坝体后期变形较大。可靠、稳定的安全监测系统是大坝的关键性技术问题。在总结常规监测技术的基础上，猴子岩工程引进光纤陀螺、磁惯导、光纤测渗漏等新型面板堆石坝监测技术，建立了一套完善的安全监测系统。笔者介绍了坝体水平垂直位移、面板挠度、渗流渗压三个监测项目，分析了各监测技术应用原理，供类似水电工程借鉴。

猴子岩面板堆石坝；安全监测；常规技术；光纤陀螺系统；磁惯导系统；光纤传感技术

1 工程概况

猴子岩水电站位于四川省甘孜藏族自治州康定县境内，是大渡河干流梯级开发规划“三库22级”的第9级电站[1]。电站采用堤坝式开发，拦河坝为混凝土面板堆石坝，最大设计坝高223.50 m，是目前世界上已建和在建同类型中的第二高坝。无论工程规模还是技术难度，猴子岩工程都处于世界前列，当然也伴随着巨大的失事风险。寻求可靠的安全监测系统，及时掌握坝体性态变化显得十分必要[2]。猴子岩大坝设计了一套完整的安全监测系统，技术复杂，种类繁多。针对面板堆石坝这种坝型，笔者选择了坝体水平垂直位移、面板挠度、渗流渗压三个具有代表性的重点监测项目进行分析介绍。

2 坝体水平垂直位移监测

高面板堆石坝内部水平垂直位移是规范要求的必测项目，为大坝安全运行提供重要依据。施工期的临时观测还可以一定程度反映大坝填筑质量，发挥质量评定、指导施工等工程效益[3]。目前应用最广泛的土石坝水平垂直位移常规监测技术是引张线水平位移计和水管式沉降仪，通常两者成对埋设，组成水平垂直位移计[4]。在此基础上，猴子岩大坝还引进了光纤陀螺（FOG）和磁惯导两种分布式测量技术，与某一断面的常规仪器同步埋设，点线结合，相互校核。

2.1 常规水平垂直位移计

猴子岩面板堆石坝在4个监测断面上总共布置了96组水平垂直位移计：左岸0+87.5断面分别沿高程1 713 m、1 743 m、1 773 m和1 803 m布设了4条测线20对测点；右岸0+207.5断面分别沿高程1 773 m和1 803 m布设了2条测线12对测点；0+117.5断面与0+162.8断面分别沿着高程1 713 m、1 743 m、1 773 m和1 803 m共布设了64对测点，如图1所示，每条测线第一个测点埋设于垫层料内，第二个测点埋设于过渡料区域，其余测点按30 m或45 m等距埋设于主堆石区。2015年12月，猴子岩大坝填筑至坝顶，引张线水平位移计测得的坝体水平位移在-33～65 mm，位移量在同类坝型中偏小，位移方向基本符合堆石体一般变形规律。水管式沉降仪测得的坝体最大沉降1 105 mm，发生在高程1 713 m的0+162.8断面，占坝高比例为0.49%。国内外一些面板堆石坝竣工时坝体最大沉降分布在0.4%～2.24%之间，猴子岩大坝最大沉降在上述范围以内，且处于较低水平。

图1 猴子岩水平垂直位移计0+162.8断面埋设示意图Fig.1 Distribution of the vertical and horizontal displacement gauges on section 0+162.8

2.2 光纤陀螺仪

光纤陀螺仪（FOG）是一种连续性分布式变形观测技术，于1999年开始研究其在大坝安全监测中的应用，至今已成功应用于多个大型面板堆石坝工程，已经有大量文章阐述这种技术的可行性，更有文章验证该技术可靠性高于一般常规仪器[5]。FOG由三轴陀螺仪组成的载体和埋入坝体的运行管道组成，通过解算小车在管道内的运行轨迹得到坝体变形量。与光纤陀螺导航原理相同的是，载体运行过程中，三轴陀螺动态地提供陀螺仪载体的姿态角变化，不同的是，该姿态角并不提供导航，而是进行载体运动轨迹的解算。

FOG变形观测的基本原理如图2所示，管道的变形会使载体运动发生水平倾角变化，当载体保持匀速时，管道的变形量与倾角的变化成正比，通过一定的数学模型即可解算出载体连续运动轨迹，最后通过水准测量管口的绝对高程将运动轨迹转换成坝体的沉降。猴子岩大坝在1 803 m高程布置了一条FOG测线，FOG运行管道与0+117.5断面的水平垂直位移计埋设在同一沟槽内。经过多年的研发，光纤陀螺技术在原基础上有了大量的改进，主要表现在：

图2 FOG测量原理示意图Fig.2 Monitoring principle of FOG

（1）陀螺仪。随着光纤传感技术进步，陀螺仪本身的性能更为良好。在此基础上，猴子岩工程专门研制了一种适用于大坝变形监测的低动态、高精度、小体积的光纤陀螺。

（2）测量管道。对原系统普通钢管采取内外热镀锌防锈措施，延长使用寿命；优化波纹管接头结构及内部涂层料及连接技术，提高测量管道整体柔韧性，同时使小车载体更加平滑地运动，管道的变形更加贴近实际坝体变形。

（3）牵引装置。载体小车通过卷扬机牵引制动，卷扬机转速一定，但钢丝绳盘起的直径会不断增大，线速度会有所变化。为消除该误差，牵引装置增加了加速度计，与陀螺仪同步配套使用，结合加速度测值进行修正计算。

（4）计算方法。通过小波分析对光纤陀螺进行滤波降噪，抑制陀螺振动及漂移误差，取载体的最优测量值，提高了计算精度。

2.3 磁惯导系统

磁惯导系统是在光纤陀螺仪系统基础上开发的新技术，只是将原装置的光纤陀螺更换成三轴磁通门与三轴加速度计，利用恒定重力场与大地磁场获取载体在行走过程中的三维姿态变化，再通过数学模型解算出运动轨迹，如图3所示。

猴子岩大坝在1 773 m和1 803 m高程分别布置了一条磁惯导测线，测量管道分别与0+117.5和0+162.8断面的水平垂直位移计埋设在同一沟槽。相比光纤陀螺仪系统，磁惯导技术主要的系统突破表现在：

图3 磁惯导测量原理示意图Fig.3 Monitoring principle of magnetic technology

（1）集成的测量载体体积大幅减小，可以使用直径更小的测量管道。猴子岩大坝埋入的磁惯导系统测量管道直径110 mm，比光纤陀螺测量管道缩小了一半，降低了施工强度，也节约了成本。

（2）重力场与磁场在局部范围恒定，测量过程不需要考虑温差，不受测量时间限制，测量结果不需要进一步处理。

（3）预埋测量管道的波纹管段均绑缚了永久性磁铁，测量载体穿行时可以对该永久性磁铁定位，通过前后两次定位可以得到磁性环代表区域的水平位移。

3 面板挠度测量

混凝土面板的挠度变化直接反映大坝的安全运行情况，挠度监测是重要的监测项目，常规监测手段是在某一断面的面板钢筋网上布置固定式测斜仪。测斜仪布设间距是一个难以权衡的问题，间距过大则测量精度不高，间距过小则成本高。且仪器在蓄水后会承受较大的水压，运行环境恶劣，仪器失效率高。挠度监测计算方法是以底部第一支仪器为起点，向上依次推算各部位的挠度值，中间某一支失效后，增加计算误差必然累计至后面的每一个测点。为保证长期、可靠观测大坝面板挠度，猴子岩工程对常规监测技术做出了改进，优化了结构保护措施，同时增加了FOG与磁惯导两种新型监测手段。

3.1 固定式测斜仪

固定式测斜仪测量面板挠度通常是在混凝土浇筑前直接将仪器绑缚于钢筋，待混凝土浇筑完成后一段时间内取基准值。这种方法埋设的仪器承受了混凝土内部应力应变，可能因此遭到损坏，且测量结果有局部代表性。猴子岩大坝面板挠度监测采用进口固定式测斜仪，具有良好的耐水压性能，精度较高。预埋的PVC测斜管不仅给仪器增加了一层保护，且很好地解决了局部代表性问题。如图4所示，仪器以6 m为间距，通过导轮与测杆卡在导轮中间，导轮间距也是6 m。这种结构的设计意图是，测斜管的倾角变化以6 m为一个单位，仪器测量的是该单位6 m管道的整体倾角变化，而不是一个点的角度变化，测量结果更加符合挠度计算的正弦法则。

图4 面板测斜仪安装示意图Fig.4 Installation of the inclinometer in concrete face slab

3.2.FOG与磁惯导技术

猴子岩大坝在0+117.5与0+162.8断面分别布设了一条FOG和磁惯导测线。测量管道直径较大，因此不宜装在面板混凝土内，而是对面板下沿的挤压边墙开槽埋设。测量管道紧贴面板混凝土，每隔6 m布置一根U型钢筋，套住管道后插入面板混凝土。因此，具有柔性的测量管道能与面板同步变形。与沉降监测系统不同的是，测量载体进入管底是通过自重而下，并非匀速卷扬机牵引，因此挠度测量发生在载体回程过程中，以管底为起点，管口为终点。

4 渗流渗压监测

猴子岩大坝渗漏系统由帷幕渗漏监测、周边缝渗漏监测和板间缝渗漏监测组成。帷幕防渗监测区间相对较小，采用常规耐高水压渗压计进行观测即可满足要求。面板周边缝部位是防渗的薄弱环节，是渗漏监测的重点。猴子岩大坝周边缝长达820m，仅仅采用常规单点式布置的渗压计难免出现渗漏点监测盲区，因此，猴子岩大坝在周边缝布设了一条光纤光栅渗漏监测系统，加密周边缝渗漏监测间距至1.5～3 m，并与常规渗压计相互验证。板间的连接缝或者混凝土裂缝均可能产生渗漏，但混凝土面板面积太大，渗漏监测不可能面面俱到，猴子岩大坝板间缝分布式光纤渗漏监测主要布置在受力最大、变形最大的面板区域。

4.1 常规渗压计布置

猴子岩大坝常规防渗监测主要分布在帷幕灌浆前后、面板周边缝以及坝体内部。如图5所示，帷幕前布置一支渗压计，用于监测基坑的渗压水头，作为帷幕后渗压水头的参照；帷幕后分别在0+152.8和0+162.8两个断面布设了两对渗压计，每对渗压计共用一个孔，中间使用不透水材料隔开，防止串孔。下侧渗压计主要监测从坝基通过帷幕绕渗的水头，上侧的渗压计经不透水材料隔开后，监测到的渗压水头减少了绕渗压影响，应小于前者，两个断面的渗压计各自的监测目的明确。

面板周边缝总共设计了18支渗压计，水平趾板3支，其余按照一定间距排列至坝顶，同样以基坑渗压水头作为参照，判断各部位的防渗效果。坝体内部在1 695 m高程布设了11支渗压计，用于监测蓄水后坝体内部水位变化。

图5 帷幕渗压监测示意图Fig.5 Seepage pressure monitoring for the curtain

4.2 周边缝光纤光栅渗漏监测

光纤光栅（FBG）渗漏监测实际上是应用了光纤测温的特性，加热后的光缆在渗漏区温度下降较其他部位快，具体测量原理参照文献[6]。猴子岩周边缝光纤光栅布置如图6所示，周边缝总共布置1 630个光栅探头，测点布置以经济合理为原则，按照高程将周边缝划分为3个区段，底部测点间距为1.5m，中间2 m，上面3 m。每个监测区段划分为若干个测量单元，一个测量单元包含40个测量探头，分两组串联，首尾分别通向左右岸观测站。两个观测站均可以从某一端独立对其中一串探头进行观测，这种情况下，即使串联的探头的传输光缆中间发生断裂，备用观测站依然可以对断点另一侧的探头进行观测。

图6 面板FBG与DTS分布示意图Fig.6 Distribution of FBG and DTS in slab

4.3 板间垂直缝分布式光纤渗漏监测

分布式光纤（DTS）渗漏监测同样是通过监测温度变化来判断渗漏的发生，其观测精度与分辨率没有特制光栅探头高，但这种技术在水利行业发展较早，技术更成熟。猴子岩大坝面板共布设了4根测温光缆，如图6所示，1号光缆主要用于监测一、二期面板水平缝渗漏情况；2号光缆分布于左6～11板间的左岸拉性缝；3号光缆分布于左2～右3板间的中部压性缝；4号光缆分布于右9～14板间的右岸拉性缝。光缆总长度约3 000 m，取样间隔0.5 m。

5 结语

（1）猴子岩大坝水平垂直位移采用的水管式沉降仪与引张线水平位移技术在土石坝应用多年，在业内得到广泛认可，但其仍然只能“以点带面”，对设计、施工要求高。分布式测量的光纤陀螺与磁惯导技术克服了传统缺陷，但其硬件设备构建复杂，难以在填筑期间形成临时系统对大坝进行观测，指导施工。

（2）面板堆石坝的挠度变形一直是监测难点，常规监测仪器的使用寿命是难以突破的问题。猴子岩大坝对常规仪器的选型定位较高，并增加了保护措施，同时引用两种新型技术，确保了面板挠度在后期的正常观测。

（3）常规渗漏监测手段虽然可靠，但混凝土面板结构特殊，需要进行渗漏监测的线路较多，常规仪器显得乏力。随着光纤传感技术的快速发展，光纤测温测渗漏点在水利行业的应用也有质的突破，已形成了相关技术规范要求。猴子岩大坝采用两种光纤传感技术，对面板的渗漏情况进行全面监控，一旦渗漏量异常，可以迅速、准确地定位渗漏部位。

（4）随着筑坝技术的发展，安全监测技术也在不断完善。猴子岩工程安全监测系统的实施总结了常规技术的成功经验，对常规监测手段做出改进、夯实基础的同时，大胆引进新型技术，与常规技术相互结合，相互验证，推动了水利行业科技进步。 ■

[1]秦朋，彭成军，李战备，等.猴子岩混凝土面板堆石坝施工期沉降分析[J].人民长江，2015，46(1)：153-155.

[2]郑正勤.猴子岩水电站工程建设的必要性及关键技术问题[J].人民长江，2014，45(8)：1-4.

[3]秦朋，谭恺炎，胡升伟.300 m级高混凝土面板堆石坝安全监测技术讨论[J].大坝与安全，2016，(1)：57-60.

[4]谭恺炎.高混凝土面板堆石坝安全监测若干问题的讨论[J].大坝与安全，2010，(3)：26-29.

[5]黎佛林，蔡德所，秦朋,等.水布垭水电站面板挠度监测方法比较[J].水力发电，2013，39(1)：82-84.

[6]许小东，燕乔，吴长彬.水布垭面板堆石坝周边缝监测新技术[J].人民长江，2010，41(14)：87-90.

作者邮箱：3426703@qq.com

Safety monitoring technologies for Houziyan concrete face rockfilldam

by XU Chao-yong,TAN Kai-yan,HU Sheng-wei,SONG San-hong and WANG Hui China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.

Houziyan concrete face rockfilldam(CFRD)is constructed in a narrow river valley which is notsymmetrical.There willbe large deformation in the dam after building.Reliable and stable monitor⁃ing system is criticalfor the dam.To establish an integrated monitoring system,Houziyan CFRD has not only summarized the successfulexperience oftraditionalmonitoring techniques butalso used some lat⁃esttechnologies such as fiber opticalgyroscope,magnetic technology and distributed opticalfiber tem⁃perature measurementsystem.This article elaborates three monitoring items,namely horizontaland ver⁃ticaldisplacement,face slab deflection and leakage.And,the application principle ofthese technologies are analyzed as an example ofreference to similarprojects.

Houziyan concrete face rockfilldam;safety monitoring;traditionaltechnology;fiber optical gyroscope;magnetic technology;fibersensortechnique

TV698.1

B

1671-1092（2017）01-0029-05

2016-07-26

徐朝勇（1982-），男，四川宁南县人，工程师，主要从事大坝安全监测工作。