高土石坝水平垂直位移计安装方案探讨

张坤

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都，610072）

0 引言

当前，中国水电工程建设主要集中在西南高山峡谷地区，受地形条件和交通条件限制，特别是针对深厚覆盖层坝基、地质条件较差、地震烈度较高、场地条件较差等特殊地形地质条件，大坝挡水建筑物主要采用土质防渗体土石坝为主。土石坝因其就地取材方便、对不同坝址地基适应性好、抗震性好获得了广泛的工程应用[1]。同时随着土质防渗体高土石坝的理论研究、科学试验、设计水平和施工筑坝技术的不断发展和工程经验的积累，土石坝坝高也不断加大，从鲁布革水电站（心墙坝，坝高103.8m）发展到双江口水电站（砾石土心墙坝，坝高314 m，世界在建最高土石坝）。

根据大量工程实践经验，过大变形、不均匀沉降变形和渗透破坏是危及土石坝安全的主要因素。过大的变形和不均匀变形会导致大坝产生裂缝，心墙拱效应过大，形成渗漏通道，心墙容易出现水力劈裂，危及大坝安全[1]。同时过大的沉降变形还可能使坝顶高程不足，加大洪水漫顶风险，导致土石坝溃坝失事。此外，坝体内心墙渗流渗压异常常伴随着管涌及流土现象的出现，坝体浸润线过高容易使大坝坝坡出现失稳破坏，危及大坝安全。因此大坝变形和渗流监测一直是土石坝监测的重点。

土石坝坝体内部变形监测分为坝体垂直位移（沉降）监测和水平位移监测，国内土石坝坝体内部变形监测多采用水管式沉降仪和引张线式位移计。DL/T 5259-2010《土石坝安全监测技术规范》中也明确说明“内部变形监测采用水平分层布置方式时，宜采用水管式沉降仪和引张线式位移计”。水管式沉降仪因其原理简单、测量直观方便，可以直观地反映坝体不同筑坝材料内各测点沉降量，分析土石坝坝体内沉降分布规律。引张线式位移计一般与水管式沉降仪配合安装埋设，用于监测土石坝坝体水平方向位移。水管式沉降仪和引张线式位移计结构简单、观测方便、能够适应土石坝大变形、可实现自动化观测，在土石坝中获得广泛应用[2]。

1 水平垂直位移计原理简介

1.1 水管式沉降仪基本原理

水管式沉降仪主要用来测量土石坝坝体内部沉降位移，由沉降测头、进水管、排水管、通气管、保护管、玻璃管量测装置、连通液体等组成。水管式沉降仪玻璃管量测装置和沉降测头内水杯通过进水管连接；通气管一端与沉降测头相连，另一端置于坝外观测房内，使得沉降测头与观测房处于同一大气压下。根据U型连通器原理，当沉降测头内水杯充满水并溢流后（通过排水管排出），玻璃管水位应与水杯液面等高，观测房玻璃管内水位即代表沉降测头高程。当沉降测头发生沉降位移时，测量玻璃管内水位也相应下降，玻璃管内水位的变化量即为坝体内沉降测点相对于观测房的垂直位移量。应用水准测量等方法测量出观测房的绝对沉降后，即可计算出坝体内测点的绝对沉降量[3]。水管式沉降仪结构原理见图1。

图1 水管式沉降仪结构原理图Fig.1 Structure diagram of hydraulic overflow settlement gauge

1.2 引张线式位移计基本原理

引张线式位移计主要用于测量土石坝坝体内部水平位移，由锚固板（测点）、铟钢丝、保护管、伸缩接头、张紧装置和测量装置等组成。在设计测点高程近似水平铺设带伸缩接头（能自由伸缩）并经防锈处理的镀锌保护钢管，从设计测点高程的锚固板（测点）处引出线膨胀系数很小的不锈铟瓦合金钢丝，通过保护钢管引至坝体上、下游坡面的观测房内，经导向滑轮，在引出线的末端悬挂一定重量的砝码。当测点有水平位移时，带动铟钢丝移动，产生水平向位移，在张紧装置钢丝上的标点也随之发生移动，此时在测量装置上用游标卡尺读出标点移动的距离，铟钢丝移动距离即为测点相对于观测房的水平位移。再通过坝体表面外部变形观测墩，采用边角交会等方法测量出观测房的绝对水平位移后，就可求得测点的绝对位移量[4]。引张线式位移计结构原理见图2。

图2 引张线式位移计结构原理图Fig.2 Structure diagram of horizontal displacement guage of tensional wire

2 土石坝监测条带施工方案

图3 高土石坝典型监测条带布置图Fig.3 Typical monitoring strip layout of high embankment dam

在高土石坝内部位移监测中，监测条带一般分层布置（如图3所示），即沿不同高程设置监测条带，在各监测条带内布置水管式沉降仪和引张线式位移计来监测高土石坝分层沉降和水平位移。条带内安装的第一个测点一般深入心墙1 m左右，之后按一定坡比（0.5%～2%）分别在反滤层、过渡层及下游堆石区不同筑坝材料区分别布置测点，可以监测不同筑坝材料的沉降量。

2.1 管路开挖设计

按施工方式不同，条带管路（引张线式位移计管路和水管式沉降仪管路）埋设方式可分为槽式法、沟式法、沟槽混合法[5]。

（1）槽式法：当坝面填筑到低于管路埋设高程0.8～1.5 m时，直接用坝料堆筑两道梗，中间铺设管路，管路埋设剖面呈马鞍形，如图4所示。

图4 条带开挖（槽式法）Fig.4 Strip excavation(grooving method)

（2）沟式法：当坝填筑到高于沉降测头埋设高程0.8～1.2 m后，沿埋设剖面线按设计坡比挖沟，在沟底回填细料形成设计要求的坡降，使管路沿沟中间敷设，之后回填细料，采用人工或机械压实，如图5所示。

图5 条带开挖（坑式法）Fig.5 Strip excavation(digging hole method)

（3）沟槽混合法：根据坝面填筑情况，在一条埋设剖面线上同时采用沟式法和槽式法。

槽式法的主要缺点是采用块石堆砌体，管路旁的斜坡坡面不易形成或者条带断面过大（工程量增大），同时管路坡降很难按设计要求严格控制，施工困难，同时管路回填碾压主要靠人工夯实，施工效率和质量得不到保证。沟式法的优点是易于保护管路、管路坡降可以严格控制、回填料容易压实、可以机械化施工、效率较高。目前条带施工主要采用沟式法。

2.2 管路坡降设计

水管式沉降仪管路一般采用均匀坡降法、局部坡降法、分段坡降法三种方式。引张线式位移计管路一般呈水平布置或者与水管式沉降仪同坡降布置。

均匀坡降法，顾名思义就是整个条带管路采用固定坡降（1%～2%）进行埋设。局部坡降法是在距沉降测头约10～20 m的一段管路上设置较大坡降（0.5%～15%），其余部分采用水平埋设。分段坡降就是根据土石坝各分区沉降量不同，将管路分成几段，每段采用不同的坡降进行埋设。

由于高土石坝水管式沉降仪和引张线式位移计一般是结合起来布置，引张线式位移计安装埋设一般要求条带基床平顺，若采用局部坡降法和分段坡降法，引张线式位移计安装实施难度较大。因此现在针对高土石坝条带管路一般采用均匀坡降法。

2.3 高土石坝管路开挖坡降设计

已建的糯扎渡、瀑布沟、长河坝等300 m级高土石坝监测成果表明，高土石坝最大沉降量已经大于1%坝高（土石坝沉降经验值），部分高土石坝最大监测沉降量甚至超过4 m。因此，条带开挖坡降需要进一步加大，如长河坝水电站砾石土心墙坝（坝高240 m）、两河口水电站砾石土心墙坝（坝高295 m）条带开挖坡降均达到1.3%，糯扎渡水电站砾石土心墙坝（坝高261.5 m）条带开挖坡降也达到1%～2%。同时高土石坝监测条带长度也明显加长（最长超过500 m），一般土石坝水平垂直位移计安装方法已不适用于高土石坝。因此，针对高土石坝水平垂直位移计安装方案进行了专门系统的归纳和总结。

3 高土石坝水平垂直位移计安装方案及分析

主要结合国内已建和在建的高土石坝（糯扎渡、长河坝、两河口水电站），阐述分析高土石坝水平垂直位移计安装方案。

3.1 方案一（基床开挖坡降为0，管路开挖沟槽坡降为1%～2%）

在坝体填筑超过仪器埋设高程2 m后以反铲挖出一条自上游第一个测点至观测房的沟，沟深2 m，宽2.5 m。在沟底铺填一层细堆石料，厚50 cm，振动碾压密实，再铺一层50 cm厚的细料，振动碾压密实。碾压完成后铺设引张线式位移计及其管路。之后在水平位移管路旁人工开挖一条50 cm宽的沟，沟底以1%～2%坡度朝向观测房，沟内安装水管式沉降仪管路，见图6。

此设计方法条带基床开挖坡降为0（水平开挖），即引张线式位移计管路坡降为0，条带开挖土建量相对较小。同时引张线和水管式沉降仪管路不在同一高程，使得引张线管路可以从下游观测房第二层出露，水管式沉降仪管路从观测房第一层出露（高土石坝条带过长时要求观测房分两层设置，以满足管路高差要求），可以降低观测房的横河向宽度，使其更灵活、方便地布置引张线和水管式沉降仪测量设备。但由于高砾石土心墙坝从心墙到下游坝坡，同一高程各部位沉降量沿程逐渐减小，因此采用此种方案靠近心墙部位沉降量大，靠近下游坝坡部位沉降量相对较小，会造成引张线出现一定程度回缩，使得监测成果较大坝真实水平位移量偏小。

图6 方案一水平垂直位移计安装平面简图Fig.6 Installation of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 1

此外，由于条带基床碾压采用大坝填筑碾压标准，碾压密实度高，在水平位移管路旁人工开挖水管式沉降仪管路沟效率较低。同时高土石坝条带管路一般设计坡降大于1%，高土石坝条带最大长度一般超过400 m，这就意味着从第一个测点到下游观测房开挖高差超过4 m，已超过带条基床开挖及回填料的高度，采用人工开挖沟槽实施难度极大。

3.2 方案二（基床开挖坡降1.3%，开挖沟槽坡降1.3%）

在坝体填筑超过仪器埋设高程1.5 m后用机械开挖出一条自上游第一个测点至观测房的沟，沟底以1.3%坡度朝向观测房，沟深2 m，沟底宽3.5 m。开挖平整后，在沟底回填过渡料，厚30 cm，用振动碾碾压密实，再回填反滤料（细砂），厚40 cm，用振动碾碾压密实。之后在沟中心线两侧各开挖深20～30 cm、宽40～60 cm及深20～30 cm、宽80～120 cm的沟槽来分别安装引张线和水管式沉降仪管路。沟中心线位置安装水管式沉降仪测头，见图7。

由于各水管式沉降仪测头基床高程沿管路降低，因此各水管式沉降仪测头安装高程设计主要有以下两种方式：

（1）各测头高程高于测头基床高程某一定值，即各测头安装高程沿管路下降，测头下部的浆砌石墩或者混凝土墩为某一固定值。

（2）各测头高程为固定值，由于条带管路首尾高差较大，可以将首部前几个测头设置为一相对较高高程，尾部后几个测点设置为一相对较低高程。此方案各测头下部的浆砌石墩或者混凝土墩高度沿程增加。

若选择各测头安装高程为某一定值，各测头基础的混凝土墩或浆砌石墩沿程增高。此设计方法将测头高程分为两个高程值，在观测房内容易测读出测头沉降量，但墩高过高影响自身稳定性，加之受较大堆石压力作用，测头长期稳定性也不易保证，从而使得测量误差也较大。而选择各测头安装高程高于基础某一定值，各测头基础的混凝土墩高度可以大大减小（可以降低到20～30 cm），大大加强了测头基础的稳定性，减少混凝土或浆砌石用量，使测头观测到的沉降量更接近土石坝真实沉降量。尽管观测房内观测屏各测头高程均不一致，但不影响正常测读。因此针对高土石坝，建议采用测头安装高程高于基础某一定值这一方案。

图7 方案二水平垂直位移计安装典型剖面示意图Fig.7 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 2

此设计方案条带管路沟槽开挖工程量较小，条带基床开挖后的回填料碾压可以更精确控制设计坡降，同时测头基础墩高也可以大大降低。由于此方案条带基础开挖沿程高度加大，开挖量较方案一增大，但条带基础开挖可以实现机械化施工，施工效率高。引张线和水管式沉降仪管路基本在同一高程，使得引张线管路和水管式沉降仪管路在观测房同一高程出露，观测房内引张线和水管式沉降仪测量装置设备布置相对紧凑。由于引张线与水管式沉降仪同设计坡降，受大坝心墙部位沉降量大、靠近下游坝坡部位沉降量相对较小的沉降规律影响，引张线会出现一定程度延伸变形，使得监测成果较大坝真实水平位移量偏大。

此外，采用人工开挖水管式沉降仪管路沟和引张线管路沟，由于条带基床碾压密实度高，使得人工开挖管路沟槽效率也较低。

3.3 方案三（基床开挖坡降1.3%，不开挖管路沟槽）

如图8所示，设计方案三与方案二基本类似，只是在回填反滤料时分两层填筑。首先在左右半幅回填第一层反滤料碾压密实，在左半幅回填第二层反滤料碾压密实，之后分别在左半幅第二层反滤料顶安装引张线管路，在右半幅第一层反滤料顶安装水管式沉降仪管路，这样就避免了引张线和水管式沉降仪管路开挖工序。

与方案二相比，增加了一道反滤料回填碾压工序，但避免了人工开挖管路沟槽效率低的问题，极大地方便了条带施工。与方案二相同的是，该方案可以更精确实现设计坡降，测头基础墩高也可大大降低，条带开挖量较大，观测房内仪器测量设备布置较紧凑，引张线监测成果较大坝真实水平位移量偏大。

3.4 方案四（基床开挖坡降0.8%～1.3%，不开挖管路沟槽）

方案四与方案三基本类似，只是针对条带基础开挖进行了调整。即在坝体填筑高程超过仪器埋设高程150 cm后开挖一条自上游第一个测点至观测房的条带沟，上游第一个测点处沟深200 cm，沟底以0.8%坡度朝向观测房，沟底宽400 cm；在右半幅开挖沟槽，沟底以1.3%坡度朝向观测房。其他与方案三相同，如图9所示。

与方案三相比，方案四条带只有半幅按1.3%坡降开挖，另外半幅按0.8%（甚至更小）的坡降开挖，这样就减少了土建开挖量。而且引张线式位移计按0.8%坡降安装埋设，更大限度地减小监测条带管路沿程沉降量不同对引张线式位移计监测成果的影响，使得引张线式位移计监测成果更接近大坝真实水平位移。同时引张线和水管式沉降仪管路在观测房不同高程出露，这样观测房内测量设备布置更为灵活。但此方案对条带左右半幅采用不同的开挖坡降，且越靠近下游观测房，左右半幅高差越大，增加了开挖工序，同时越靠近下游开挖难度越大，施工难度较大。

图8 方案三水平垂直位移计安装典型剖面示意图Fig.8 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 3

图9 方案四水平垂直位移计安装典型剖面示意图Fig.9 Typical section of horizontal and vertical displacement meter in Scheme 4

总体来看，方案四较方案三只是提升了引张线式位移计的测量准确性和观测房内测量设备的布置灵活性，但是这种测量准确性的提升相比于大坝水平位移量级基本可以忽略不计；观测房设备布置的灵活性实际上可以通过适当加宽观测房横河向宽度来解决，而方案四加大了条带开挖及回填施工的难度，因此，与方案三相比显得有些“因小失大”。

3.5 各方案对比

表1给出了四种设计方案的优缺点，通过各方案的对比分析可以得到，方案四结合了其他三种方案的优点，但因其条带土建开挖难度大，因而在工程中应用较少。而相比方案三，方案四对大坝水平位移观测准确性和观测房内设备布置灵活性的提升相比施工难度大而言也显得“微不足道”，土建开挖量的减少也因可以机械开挖施工而显得不那么重要。因此方案三基本抓住了高土石坝条带施工的关键矛盾点，避免了人工开挖沟槽，可以精确控制设计坡降，全过程可以机械化施工，提升了效率，因此建议目前高土石坝监测条带设计采用设计方案三。

目前两河口水电站监测条带设计采用该方案，通过现场实施情况来看，相比同类类似工程，该方案施工效率大大提高，同时极大地减小了施工干扰，实施效果良好。当然随着施工精细化技术水平的提升及各参建单位配合水平的提升，相信未来可以实现方案四的条带施工方法。

4 结语

水平垂直位移计——引张线式位移计和水管式沉降仪一般布置在监测条带内，作为土石坝内部变形监测的主要手段，在国内应用成熟、广泛，而传统的一般土石坝（坝高150 m以下）水平垂直位移计安装方法已渐渐不适用于高土石坝。因此系统归纳总结了国内已建和在建高土石坝水平垂直位移计主要安装方法，对比分析了其各自的优缺点，并提出了高土石坝水平垂直位移计推荐安装方案，形成了如下结论：

表1 高土石坝水平垂直位移计安装方案优缺点对比表Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of each installation method of horizontal and vertical displacement meter for high embankment dam

（1）水平垂直位移计具有原理简单、观测方便、能够适应土石坝大变形、可实现自动化观测等优点，在土石坝中应用广泛，也是规范推荐的土石坝变形监测的主要技术手段。

（2）随着机械施工水平和效率的提高，目前高土石坝监测条带施工主要采用沟式法，管路采用均匀坡降法。

（3）通过对方案一～方案四的对比分析，方案三采用监测条带开挖坡降1.3%、不开挖管路沟槽的设计方法，基本抓住了高土石坝条带施工的关键矛盾点，避免了人工开挖沟槽，可以精确控制设计坡降。同时，该方案全过程可以机械化施工，提升了效率，因此建议目前高土石坝水平垂直位移计安装采用方案三。

（4）随着施工精细化水平的提升，若能解决方案四（基床开挖坡降0.8%～1.3%，不开挖管路沟槽的设计方法）开挖难度大的不足，方案四是较理想的水平垂直位移计安装方案。