黑河水库溢洪道闸室段变形监测

杨昆仑，赵军平

（陕西省水利电力勘测设计研究院测绘分院，陕西 西安 710002）

0 引言

水库溢洪道对于水库大坝的安全运行、和发电及安全供水具有非常重要的作用。近年来随着黑河水库运行时间的延长，溢洪道闸室段混凝土表面出现了一些裂缝，特别是2015 年以来，裂缝长度增加，缝宽扩大，闸室顶部混凝土产生变形，给溢洪道闸门的正常启闭带来一定影响。需要对溢洪道闸室段整体稳定进行分析、尽快查明溢洪道闸室段混凝土表面裂缝产生的原因及危害程度并提出针对性的处理方案、为此，应对溢洪道闸室段进行变形监测。项目的设计及实施遵照“以监测为基础，以分析为手段，以预报为目”的变形监测理念[1]。

1 工程概况

黑河水库位于陕西省西安市周至县秦岭山中，黑河峪口以上约1.5 km 处，距西安市86 km。是一项以城市供水为主，兼有农灌、发电、防洪等综合利用的大型水利工程。水库坝高130 m，水库面积4.55 km2，总库容2 亿m3。是西安市的主要供水来源。

2 监测依据及监测的精度指标

工程测量规范[2]中表8.4.6 对于弧形门、人字门安装平面允许偏差为±2.0 mm，高程允许偏差为±3.0 mm；表10.6.2 混凝土构筑物的裂缝观测平面位移量中误差±1.0 mm；表10.6.3坝体的支墩坝水平和垂直位移测量中误差均为±1.0 mm。

水利水电工程施工测量规范[3]中表8.1.4 对于弧形门、人字门安装测量项目相对安装轴线，其测点中误差平面±2 mm～±3 mm，高程±1 mm～±3 mm；表8.2.4 安装专用控制网内及安装轴线点间相对点位限差不应超过±2 mm，高程基点间的高差测量限差为±2 mm。

综上所述，结合本工程设计要求，闸室段位移监测设计精度指标为：水平位移在监测断面方向线上的测量中误差、垂直位移测量中误差及裂缝观测平面位移量中误差均为±1.0 mm。

3 水平位移变形监测

3.1 监测网的布设

在大坝左岸布设了1 个基准点，编号为：JZD，用于测量监测点的变化及变化量；在溢洪道闸室段布设3 条闸槽监测断面，每个监测断面位置的左、右闸槽顶面各布设了1 个监测点，建造具有强制对中基座的混凝土观测墩，用于测量闸槽顶端三条断面长度的变化及变化量。水平位移监测点编号：J11、J12、J21、J22、J31、J32。监测网布设图详见图1。

图1 水平距离监测示意图

3.2 观测方案

测量基准点与各监测点之间的精密距离和三条断面之间的精密距离，说明水平位移监测点的变化及变化量。

3.3 外业观测及验算

观测使用Leica TS60 智能全站仪（多测回测角软件），可以实现自动寻找目标与照准、自动观测、自动记录、自动检测各项限差。

斜距往返各12 个测回，每测回读数4 次，限差设置按照工程测量规范[2]中表10.2.6 的规定；天顶距观测与斜距观测同步自动观测，其限差设置按照表1 的规定；仪器高和觇标高观测前后各量取一次，并精确至1 mm，取其中数作为最终高度。

表1 天顶距测量的技术要求

外业观测数据验算，测量的斜距经气象和仪器加、乘常数改正后再化归为水平距离。往返测距较差均应小于±2(a+bD)；平均测距中误差应小于1.0 mm。

4 垂直位移变形监测

4.1 监测网的布设

基准点采用黑河大坝交通洞内I 黑基06。监测点标志镶嵌不锈钢水准标志，编号：JHi(i=1,2,…，6)。以上6 个垂直位移监测点与I 黑基06 点构成一等垂直位移监测网。详见图2。

图2 垂直位移监测示意图

4.2 外业观测

使用Leica DNA03 数字水准仪及配套的条码水准标尺，外业观测的各项限差及技术要求按工程测量规范[2]中表10.3.3 和表10.3.4 一等水准测量方法和限差要求执行。

4.3 外业成果的计算和验算

水准标尺长度改正和温度改正按照分别按照国家一、二等水准测量规范[4]中D.2.1 和D.2.2 章节执行。

水准测量测站高差中误差的计算，采用经过标尺长度改正和标尺温度改正后的测段往返测高差不符值计算的每站高差中误差应小于限差±0.07 mm；环线闭合差应小于±1.08 mm（垂直位移监测线路及长度已确定）。

4.4 数据处理

垂直位移监测网平差采用间接平差法进行，按测段的测站数定权，采用《工程测量控制网平差系统（NASEW）》软件进行平差。平差后最弱点高程中误差应小于限差±0.3 mm。

5 裂缝监测

根据裂缝走向和长度，在闸槽右岸山坡坡脚处设立1 处基线观测点，在闸槽两岸设立12 处观测点。基线观测点编号：JX，裂缝观测点编号：LF(i=1,2,…，12)。

采用游标卡尺进行测量。观测2 测回，每测回读数4 次，读数较差及测回差均应于0.2 mm。取其平均值作为当期裂缝宽度监测成果。

6 监测数据统计

6.1 对每期观测数据精度指标进行统计

分别计算每一期的精度指标。水平位移方面计算平均测距中误差mD；垂直位移方面计算每千米水准测量偶然中误差M⊿、每站高差中误差M站、水准测量环线闭合差W、最弱点高程中误差M；裂缝监测方面计算裂缝宽度测回间不符值△L测回。各精度指标数值均满足规范[2.3]及设计要求，第三、四、五期测距中误差相对较低。统计表见表2。

表2 每期内精度指标统计表

6.2 变化量的统计

以每个监测点本期测量的距离或高程值为基准值，对应统计计算与上一测量的距离或高程值的较差即为周期变化量或周期位移量。以每个监测点首期测量的距离或高程值为基准值，计算与本期测量的距离或高程值的较差即为总变化量或总位移量。

1）水平位移监测周期变化量与总变化量统计图表（表3.4，图3.4）。表明第二期J21 和第三期J11 与基准点水平距离变化量超过±2.0 mm，第三期三条断面水平距离变化量超过±2.0 mm。其余变化量均小±2.0 mm。

表3 断面监测点与基准点水平距离变化量表

表4 断面水平距离变化表

图3 断面监测点与基准点水平距离变化量图

图4 断面水平距离变化量图

2）垂直位移监测周期位移量与总位移量统计图表（表5，图5）。表明垂直位移监测点各周期内位移量均±2.0 mm。

表5 垂直位移监测点位移量表

图5 垂直位移监测点位移量图

3）裂缝宽度周期变化量与总变化量统计图表（表6，图6）。表明垂直位移监测点各周期内位移量均±2.0 mm。

表6 裂缝宽度变化量表

图6 裂缝宽度变化量图

6.3 监测对象稳定性判断

周期变化量超过±2.0 mm（2 倍的位移量中误差）时认为监测对象周期不稳定。上述图表可以直观的反应出近六期的监测裂缝宽度变化量、断面水平距离变化量、断面监测点与基准点水平距离变化量、垂直位移监测点周期位移量绝大多数小于±2.0 mm。根据数据跳跃法剔除粗差数据的理论[5]可以认为上述超限的极少数数据为粗差数据，可不考虑。说明溢洪道闸室段周期性稳定。周期性稳定并不能说监测对象绝对稳定，从总位移量（总变化量）图表可以看出垂直位移监测点高程值处于增大趋势；断面监测点与基准点之间水平距离的变化分为两类，溢洪道左岸水平距离有缩短趋势，右岸水平距离变化不明显；断面水平距离有变大趋势；裂缝宽度有略微增大趋势，但不明显。出现以上变化趋势的原因分析，首先分析各周期的监测现状（见表7），通过分析发现，就目前的现状水库蓄水位的变化对监测结果的影响不明显；温度的变化似乎有规律可依，温度的持续升高，对山体及坝面有膨胀趋势。这一解释还需进一步的数据验证。

表7 各周期观测现状统计表

7 结论

文中的方案是依照规范中的相应指标及变形体的形变趋势及变化量所设计的，通过近六期的监测，结果表面，该方案可以达到溢洪道闸室段变形监测的目的。经分析计算溢洪洞闸室段呈逐渐抬高趋势；溢洪道闸室段左岸混凝土墙体有向外侧扩张趋势；裂缝宽度变化微小。

上述方法有效的反应出了溢洪道闸室段在山体位移、水库蓄水位升降、季节性温度变化等因素影响下变化。可以为类似水工项目提供借鉴。