长河坝特高土石坝安全监测设计

税思梅， 伍文锋

(1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司， 四川 成都 610072；2.长江勘测规划设计研究院长江空间信息技术工程有限公司， 湖北 武汉 430072)

0 前 言

长河坝水库总库容为10.75亿m3，装机容量2 600 MW。枢纽主要由砾石土心墙堆石坝、引水发电系统、3条泄洪洞和1条放空洞等建筑物组成。拦河大坝采用土质防渗体分区坝，防渗体采用砾石土直心墙型式，坝壳采用堆石填筑，心墙与上下游坝壳堆石之间均设有反滤层、过渡层，防渗墙下游心墙底部及下游坝壳与覆盖层坝基之间设有水平反滤层；最大坝高240 m，坝顶长度502.85 m，坝顶宽度16 m，上、下游坝坡均为1 ∶2.0。

长河坝坝体高大雄厚；坝基河床覆盖层深厚，具多层结构且结构不均一，透水性强。可能存在地基不均匀变形，渗漏和渗透变形，坝基抗滑稳定，砂层液化等问题。因此，如何针对长河坝的特点设计一个科学合理、完整有效的安全监测系统，实现掌握大坝在施工期、运行期的安全状态，同时兼顾指导施工、反馈设计的目的，是安全监测工作的前提和基础，也是安全监测工作的重点和难点。现以长河坝大坝安全监测设计为例对300 m级高土石坝监测设计工作进行阐述，为同类工程提供借鉴和参考。

1 特高土石坝安全监测技术现状

特高土石坝具有规模大，结构复杂等特点,运行后可能出现坝体稳定和渗流稳定等问题。随着土石坝的发展，针对重要监控指标，已形成了一套完整的安全监测设施和设计方案。现有的监测体系在 200 m级以下的土石坝应用已经成熟，但在200 m级以上特高土石坝中，会出现现有水平位移计、沉降仪等监测仪器无法满足工程需要，埋入后受大变形影响出现损坏后无法长期监测，无法满足上游坝壳高水压作用区域等特殊部位监测要求等问题。因此在长河坝特高土石坝安全监测设计方案，需充分考虑以上问题，从监测手段和引进新技术等方面着手，提出适合长河坝特高拱坝的安全监测设计方案。

2 安全监测设计

安全监测是根据设计计算成果，在关键断面关键部位埋设相应的仪器设施，对工程建筑物的变形、应力应变、渗流渗压等指标进行长期跟踪监测，再通过观测数据分析评价建筑物的安全稳定状态。徐岩彬等[1]对土石坝沥青混凝土防渗心墙安全监测设计进行了研究，赵永等[2]对黏土心墙土石坝安全监测设计及优化作了阐述；上述研究说明了安全监测设计极为重要，是监测工作的前提和基础。长河坝作为300 m级特高土石坝，监测设计应在传统设计思路的基础上，结合工程特点开展，其设计难度高于一般土石坝。

2.1 设计原则

工程安全监测设计遵循“有效、合理、可靠监控工程的安全运行以及必要的设计反馈研究”的原则，为更好地建设大型水电工程提供原型观测资料和参考借鉴。

(1)密切结合工程实际，对各工程部位不同时期的监测项目的选定，应从施工、首次蓄水、运行期全过程考虑，可充分合理反映建筑物工作状况。

(2)监测项目相互兼顾，一个项目多种用途；在不同时期能反映出不同的重点。目的明确、重点突出、兼顾全面，相关项目统筹安排、配合布置；应保证在恶劣条件下仍能进行重要项目的监测。

(3)监测仪器设备选型，要顾及耐久、可靠、实用、有效，力求先进。仪器设备具备耐久性、稳定性、适应性，并满足量程和精度要求。应使仪器设备种类尽可能少，提供简洁接口和可靠连接，利于实现监测自动化系统的运行、管理和维护。

(4)应有良好的照明、防潮防湿和交通条件，必要时可设置专用通道，以保证在大洪水和特殊条件下观测工作的进行。

(5)仪器设备及时安装，保证数据的可靠性、实时性、连续性和一致性，以及为建筑物的安全分析评价提供有效合理的初始值、基准值以及必要的监测成果。

2.2 设计方案

长河坝工程大坝安全监测设计重点部位包括大坝基础和防渗墙、河床基础廊道、砾石土心墙大坝等。张斌[3]、阮彦晟[4]等对土石坝渗流场进行了分析，徐杨洋[5]、孙全[6]等对土石坝应力进行了分析，王竹青[7]、徐杨洋[5]等对土石坝沉降进行了分析，这说明了渗流场、应力、沉降等是土石坝安全监控的重要指标，长河坝安全监测设计以变形(特别是沉降)、渗流渗压、应力应变等项目为主是科学合理的。

2.2.1 大坝基础和防渗墙

横向沿主副墙轴线分别布置1个主监测断面和1个副监测断面，纵向布置4个监测横剖面。监测重点为大坝基础和防渗墙的沉降及水平位移、防渗墙前后渗压、建基面渗压、坝基覆盖层的土压力、下游堆石区堆石压力、混凝土防渗墙混凝土应力及结构钢筋应力等。

(1)变形。考虑到坝基河床覆盖层深厚，为监测施工期和蓄水后基础的变形、特别是沉降变形，在大坝心墙上游侧、心墙高塑性黏土区、心墙下游侧布设电位器式位移计、弦式沉降仪；防渗墙水平位移主要采用固定式测斜仪与活动式测斜仪监测。

(2)渗流渗压。为及时掌握渗流压力的大小及分布情况，监测不同土质接触面可能的渗透破坏，判断土石坝基础的防渗状态和排水设施的工作效能。在每个监测断面副防渗墙前各布置1支渗压计；在主防渗墙后及主副防渗墙之间各钻孔布设一个深孔，深孔分三个高程布设渗压计，用来分层监测坝基覆盖层渗水压力；在主防渗墙下游心墙区域内各布置2支渗压计；在下游过渡层及坝壳建基面布设5～6支渗压计，间距60～90 m，用以监测整个坝基顺河向渗流水位过程线。

在副防渗墙下游3.5 m(主副防渗墙之间)及主防渗墙下游3.5 m剖面，沿坝轴线方向分层布置渗压计，用以监测防渗墙阻水效果。典型渗压布置见图1。

为掌握主防渗墙后渗透压力的大小，在基础廊道布置渗压计和测压管。

图1 主防渗墙下游3.5 m断面渗压布置(单位：m)

(3)应力应变。为监测坝基覆盖层的土压力及下游堆石区堆石压力，在监测剖面的主副防渗墙之间及主墙下游侧各布置1套土压力计，在下游过渡层及堆石区覆盖层布置土压力计。

为掌握防渗墙混凝土应力应变情况，在主副防渗墙内1 452.00 m高程各布设2组三向应变计组，并配套布设无应力计，结合无应力计及混凝土徐变试验成果计算混凝土应力。

为掌握基础混凝土防渗墙上部钢筋笼及基础廊道钢筋受力情况，在主、副防渗墙内1 447.00 m、1 437.00 m、1 427.00 m、1 417.00 m高程并排布置钢筋计。

2.2.2 河床基础廊道

河床基础廊道沿纵向共布置7个监测断面。监测重点为廊道沿线的沉降、廊道倾斜及扰度、廊道结构缝的开合度、廊道与高塑性黏土的位错、廊道拱顶及两侧的压力、廊道外围结构钢筋应力等。

(1)变形。廊道底部的垂直位移采用水准测量，在左、右岸灌浆平洞布设工作基点，基础廊道沿坝轴线布设水准点。在基础廊道内布置3个倾斜监测断面，分别在上游边墙、顶拱、下游边墙和底板布置倾角仪底座，安装倾角计进行倾斜观测。为监测廊道与高塑性黏土之间的错动位移，选取3个监测断面，在廊道外侧与高塑性黏土接触部位布置位错计。在基础廊道两端结构缝部位的左右边墙、顶拱及底板布置测缝计，对结构缝的变形进行监测。在基础廊道布设测斜管，监测大坝基础防渗墙挠度变形。

(2)应力应变。在基础廊道顶拱外侧及上下游边墙1 457.00 m高程边界各布设1套土压力计，用以监测廊道顶拱高塑性土压力及两侧边墙侧向土压力。

选择5个监测断面，在每个断面廊道上下游边墙、顶拱、底板内外侧及上游拱肩处布置环向钢筋及纵向钢筋，监测廊道钢筋应力情况。典型布置见图2。

图2 河床廊道典型剖面监测仪器布置

2.2.3 砾石土心墙大坝

砾石土心墙大坝沿坝轴线布置1个监测纵断面，横向布置5个监测断面。监测重点为大坝的水平位移和沉降、坝体浸润线、帷幕防渗效果、绕坝渗流、关键部位渗压、坝体和基础的总渗流量、心墙及建基面的压应力、坝体抗震等。

(1)变形。大坝表面位移测点按大约间距30～80 m左右布置；水平位移测点与垂直位移测点同墩布置。在 1 615.00 m、1 645.00 m、1 695.00 m高程各布置1排外部变形观测墩；大坝坝顶上下游侧各布置1排外部变形观测墩；下游坝坡在1 510.00 m、1 545.00 m、1 585.00 m、1 615.00 m、1 645.00 m、1 672.00 m高程各布置1排外部变形观测墩。仪器布置见图3。

心墙区内部沉降采用多种仪器对比监测，选用性能稳定的弦式沉降仪和电磁式沉降仪，同时为适应较大沉降变形，创新使用大量程电位器式位移计。心墙坝轴线处各布设一条分层沉降观测垂线。心墙上、下游及坝轴线布置电位器式位移计沉降测线，心墙上、下游布置电位器式位移计沉降测线，测线各测点高程间距30 m。心墙坝轴线处各布设1个电磁式沉降仪孔，电磁式沉降环间距10 m。下游堆石区内部沉降监测采用水管式沉降仪。下游坝壳1 645.00 m、1 615.00 m、1 585.00 m、1 550.00 m、15 130.0 m高程，布置沉降条带。

图3 大坝表面变形监测仪器布置

心墙区水平位移采用活动式测斜仪和固定式测斜仪进行监测，活动式测斜仪与电磁式测斜仪同孔布置。心墙坝轴线处布置3根固定式测斜孔，固定式测斜仪测点间距10 m。下游堆石区水平位移监测采用引张线式水平位移计与水管式沉降仪同条带布置(测点紧邻)。在坝轴线左、右岸心墙基础混凝土板的1 510.00 m、1 580.00 m高程部位各布设1套土体位移计串，用于监测心墙土体沿坝轴线方向拱效应引起的水平变形。典型仪器布置见图4。

图4 大坝引张线和水管式沉降仪布置

(2)渗流渗压。坝体渗压监测包括观测断面上的渗水压力分布和浸润线位置的确定，采用渗压计进行监测。在每个主监测断面的1 645.00 m、1 615.00 m、1 580.00 m、1 550.00 m、1 513.00 m及建基面高程作为水平监测高程，在上游反滤层与心墙交界部位、心墙轴线、心墙轴线与上下游反滤层之间、心墙与下游反滤层1交界部位各布设1个监测点。在大坝心墙砾石土与高塑性黏土接触部位各布置2个渗压测点。由于心墙上部厚度较薄，为监测心墙上部挡水效果，在1 670.00 m高程反滤层内增设1个渗压监测断面，共布置7支渗压计。典型仪器布置见图5。

为监测大坝帷幕防渗效果，沿坝基灌浆平洞轴线布置1个监测断面，在左右岸1 697.00 m、1 640.00 m、1 580.00 m、1 520.00 m和1 460.00 m高程灌浆廊道及基础廊道帷幕灌浆范围线后，钻孔布设测压管，间距40～80 m。

图5 砾石心墙渗压布置(单位：m)

在左、右岸灌浆平洞不同高程布置绕渗孔，并根据现场交通情况，在左右岸1 580 m、1 510 m高程和右岸1 545 m高程交通洞内布置绕渗孔。

在下游围岩混凝土心墙下游排水沟内(堰)0+005.50 m桩号设置量水堰和量水堰计，观测总渗流量。在左右岸坝基1 640 m、1 580 m、1 520 m和1 460 m高程灌浆平洞集中汇水处布设量水堰观测坝基渗流量。渗流渗压布置见图6。

图6 绕坝渗流渗压布置

(3)应力应变。大坝心墙(纵)0+137.00 m、(纵)0+193.00 m、(纵)0+253.00 m、(纵)0+330.00 m、(纵)0+394.00 m五个主要剖面的1 470.0 m、1 513.0 m、1 586.0 m、1 645.0 m高程分别布设了土压力计；大坝基础廊道外侧埋设了9支土压力计，用于监测大坝基础廊道外侧的土压力情况。

(4)强震监测。在坝顶1 697.00 m高程左、右岸灌浆平洞分别布设1台强震仪；为分析研究地震强震的放大效应，在纵0+330.00 m监测断面坝顶布设2台强震仪，下游马道处布设4台强震仪；在基础廊道内布设1台强震仪；为监测基岩加速情况，在左岸1 460.00 m灌浆平洞布设1台强震仪，在坝下游1～2 km处布设1台强震仪作为自由场。

3 结 论

长河坝工程安全监测设计以大坝基础和防渗墙、河床基础廊道、砾石土心墙大坝为重点部位，监测指标以变形(特别是沉降)、渗流渗压、应力应变等项目为主的方案是科学合理的。通过分区、分片、分层布设安全监测设施，达到了全面监测的目的；选用多种监测手段对比监测，确保了监测成果的可靠有效；为适应高土石坝变形特点及利于施工，创新使用新仪器，促进了安全监测技术的发展。通过精心设计，长河坝特高土石坝构建了一个系统全面、高精度、高稳定性的监测系统，实现了指导施工、反馈设计的作用，并为评价施工期和运行期建筑物安全稳定奠定了基础。