大兴水利枢纽工程安全监测设计

孙正明 于淼 苏杨

1 工程概况

大兴水利枢纽工程枢纽坝址位于贵州省铜仁市松桃县境内大梁河上。工程主要任务是城乡生活、工业和灌溉供水，兼顾发电等，是一座综合利用水利枢纽工程。水库总库容为4 672万m3，为中型水库，工程等别为Ⅲ等。

水库枢纽工程由挡水建筑物、泄水建筑物、发电引水系统及电站厂房组成。拦河坝为常态混凝土重力坝，坝顶高程为517 m，坝顶长度98 m，最大坝高52 m。输水工程由输水主管线、支线、3座泵站以及管道附属建筑物等组成。

坝址区地层岩性为寒武系清虚洞组灰岩及第四系，坝基地层为清虚洞组下段条状灰岩、薄-中厚层状灰岩及少量泥灰岩，属坚硬岩。坝基无大断层和较大溶洞存在，坝基渗漏为裂隙式渗漏，产生集中渗漏的可能性不大，坝基岩体渗透性随深度的增加逐渐减弱。输水隧洞围岩岩性为寒武系下统清虚洞组下段条带状灰岩及薄层-中厚层状灰岩，隧洞埋深10～50 m，围岩以Ⅲ类为主，溶蚀及溶洞段为Ⅳ～Ⅴ类围岩。

2 监测设计目的及原则

安全监测设计的主要目的是监控工程安全运行，掌握工程的运行性态和规律，指导施工和运行，反馈设计和为科学研究提供依据。通过持续的监测，采集相关环境量、荷载量及其作用下建筑物及基础的变形、渗流、应力和温度等效应量，通过计算分析，及时对工程的稳定性和安全性作出评价，确保工程运行安全，充分发挥工程效益。

本工程安全监测设计综合考虑水工建筑物的布置及工程地质条件，按照“突出重点，兼顾全面”，施工期与运行期监测相结合，仪器监测与人工巡视检查相结合等原则进行设计。

3 监测建筑物及监测项目

本工程监测按照建筑物等级选择拦河坝、消力池、输水隧洞、泵站及边坡等为主要监测对象。

（1）大坝监测项目包括大坝表面变形、内部变形、坝基变形、坝体温度、坝基扬压力、绕坝渗流及环境量监测等。

（2）消力池监测项目主要为底板扬压力监测。

（3）输水隧洞监测项目包括接缝开合度、围岩渗透压力、锚杆应力、压力钢管的应力应变及施工期围岩收敛变形监测等。

（4）边坡监测项目主要为表面变形监测。

（5）泵站监测项目包括垂直位移和基础渗流监测。

（6）除进行上述仪器监测项目外，还包括现场巡视检查。

4 监测布置

4.1 大坝

本工程枢纽大坝为常态混凝土重力坝，根据大坝的结构特点，布置1个重点监测断面和1个一般监测断面，重点监测项目为变形监测、渗流监测和温度监测。大坝变形监测布置立面图和重点监测断面布置分别如图1、2所示。

图1 大坝变形监测布置立面图

4.1.1 变形监测

变形监测包括坝顶和坝基的水平位移、垂直位移监测，坝体的水平位移监测，纵缝和横缝的开合度监测以及基岩变形监测等。

4.1.1.1 水平位移监测

坝顶水平位移采用视准线法监测。视准线法是平行于坝轴线建立1条固定不变的光学视线，定期观测各测点偏离该视准线测值的测量方法。本工程在每个坝段坝顶各布置1个视准线测点。在左右岸坝肩视准线延长线上各布置1个工作基点作为日常观测的起测点，工作基点附近各埋设1套倒垂线，用于校测视准线工作基点的位移。

图2 重点监测断面布置图

坝体内部水平位移监测采用正、倒垂线相结合的方法。选择最高坝段③坝段布置1套正倒垂线组，包括2套正垂线和1套倒垂线，用于监测坝体及坝基不同高程的水平位移。测点分别位于496 m和468 m高程廊道内。

坝基水平位移采用视准线法监测，在468 m高程帷幕灌浆廊道内②～⑤坝段各布置1个视准线测点，同时在廊道两端灌浆平洞内视准线延长线上各设置1个工作基点和1个校核基点。

4.1.1.2 垂直位移监测

在坝顶和468 m高程帷幕灌浆廊道内水平位移观测墩附近埋设沉降标点，用于监测坝顶和坝基垂直位移。同时在视准线工作基点附近各布置1个垂直位移工作基点，作为垂直位移日常观测的起测点，采用一等水准测量方法进行观测。

在大坝下游1 km外稳定基岩上布设1组水准基准点，用于校测坝顶和468 m高程廊道垂直位移工作基点的位移。工作基点校测采用一等水准测量方法进行观测。

4.1.1.3 接缝开合度监测

选择③坝段中间部位在建基面与坝体上游接触面设1支测缝计，用于了解坝体混凝土与基岩面结合情况。在③、④坝段下游纵缝475 m及483 m高程各布置1支测缝计，监测该部位纵缝的开合情况，以便选择纵缝的灌浆时间和检查灌浆效果。

在468 m高程帷幕灌浆廊道、下游接缝灌浆廊道及496 m高程观测廊道的②～⑤坝段横缝处各布置1套三向测缝标点，监测相邻坝段间的不均匀变形。在468 m高程下游接缝灌浆廊道左右两侧的纵缝处各布1套三向测缝标点，监测坝体纵缝的相对变形。

4.1.1.4 基岩变形监测

在③坝段坝踵和坝址的建基面上各布设1支基岩变位计，监测相应部位的基岩变形情况。

4.1.2 渗流监测

渗流监测包括坝基扬压力、渗流量及绕坝渗流监测。

4.1.2.1 坝基扬压力

本工程采用纵、横监测断面相结合的形式进行坝基扬压力观测。共布置1个纵向监测断面和4个横向监测断面。纵向监测断面布置在帷幕后主排水线上，每个坝段各布置1个测点，横向监测断面在主排水线后沿下游布置2～4个测点，在③坝段和④坝段横向监测断面帷幕前各布设1个测点，用于监测坝基扬压力，了解帷幕防渗效果。坝基扬压力采用深入基岩面1 m的测压管或在坝基面上埋设渗压计进行监测。

4.1.2.2 渗流量

采用量水堰观测坝基及坝体的渗流量，在468 m高程廊道排水沟内布设4座量水堰，分别观测来自③坝段桩号坝0+40.50两侧的坝体和坝基渗流量。

4.1.2.3 绕坝渗流

在大坝两侧各布置3套测压管，分别在帷幕上游布置1套，帷幕下游布置2套，用于绕坝渗流观测，以了解坝肩与岸坡接触部位的渗流变化。

4.1.3 应力应变及温度监测

应力应变及温度监测包括溢流表孔闸墩的钢筋应力和坝体的温度监测。

4.1.3.1 应力监测

在③号坝段中墩两侧牛腿扇形筋位置分别对称布设3支钢筋计，监测该部位钢筋应力情况。

4.1.3.2 坝体温度监测

为了解坝体本身水化热、水温、气温和太阳辐射等因素对坝体温度的影响，了解温度分布和变化过程及对大坝应力、变形的影响，掌握各时段的坝体温度场，在③坝段中间断面共布置23支温度计，进行混凝土温度监测。

4.1.4 环境量监测

环境是影响结构内部应力应变的外在因素，环境量监测也是大坝安全监测的重要组成部分。本工程环境量监测主要包括上、下游水位监测、气温监测和降雨量监测。

4.1.4.1 上、下游水位监测

分别在大坝上游面及下游消力池侧墙布设水位测点，采用水尺和水位计监测上、下游水位。

4.1.4.2 气温监测

气温是影响混凝土坝工作状态的主要因素之一，因此在坝址区设置1座百叶箱，内设自记温湿度计。

4.1.4.3 降雨量监测

降雨可能影响大坝的绕坝渗流和坝基渗流情况，因此在坝址区设置1个降水量监测点，监测坝区降雨量。

4.2 消力池

在消力池底板中心线部位设监测断面，布设2支渗压计，监测消力池底板扬压力。

4.3 输水隧洞及调压井

输水隧洞及调压井共布设4个监测断面，桩号Z0+010.00、Z0+175.00、Z0+497.00各布设1个断面，一级泵站调压井（Z0+554.31）485 m高程布设1个监测断面，其中Z0+175.00为重点监测断面，其余为一般监测断面。监测项目包括变形监测、接缝开合监测、渗压监测、应力应变监测等。

4.3.1 变形监测

在隧洞洞身段3个监测断面的拱顶和两侧各布置1个收敛测点，在调压井485 m高程等距布设3个收敛测点，用于施工期围岩收敛监测。

隧洞各监测断面两侧与围岩接触部位各布置1支测缝计，监测围岩与衬砌的接缝变形。此外在重点监测断面的钢衬两侧和顶部与混凝土衬砌间增设1支测缝计，用于监测钢衬和回填混凝土间接缝的变形。

4.3.2 渗压监测

在隧洞各监测断面布设2～3支渗压计监测围岩的渗透压力，在Z0+497.00断面钢衬和混凝土衬砌接触面布设2支渗压计监测钢衬承受的外水压力。

4.3.3 应力应变监测

在洞身段各监测断面的左右侧分别对称布置1支锚杆应力计，用于监测支护锚杆的轴向受力情况。在Z0+175.00和Z0+497.00断面钢衬表面同时布置2～4支钢板计以监测钢衬应力，其中Z0+175.00重点监测断面钢板计为轴向和环向结合布置。

4.4 边坡工程

在厂房后边坡494、506 m高程两层马道上分别布置3个表面变形观测墩，采用全站仪监测表面位移。

4.5 泵站工程

本工程共有3个泵站，在每个泵房外侧布设12个垂直位移标点（墙标），分缝段左右侧对称布设，用于垂直位移观测。在各泵站的基础纵向和横向结合布置6支渗压计，以监测基础渗流情况。

4.6 巡视检查

巡视检查是工程安全监测的重要组成部分。本工程主要对大坝、边坡、近坝岸坡及输水工程建筑物进行巡视检查，检查各建筑物在施工期和运行期的安全性，及时发现异常情况并提出补救和改进措施。

4.7 安全监测自动化系统

4.7.1 监测站布置

本工程共设7个监测站，分别位于③坝段基础廊道、③坝段496 m高程廊道、坝顶、调压井以及3座泵站。各测站测控单元通过本工程通信网络链接传输至一级泵站的监测中心站。各建筑物监测站主要包括MCU、通讯模块等设备，监测站具有良好的防雷接地装置。

4.7.2 监测系统网络布置

为有效实现工程监控，本工程选择有线及无线通讯相结合的方式建立安全监测自动化网络。自动化监测系统采用分层分布式的网络结构，主要由一级泵站监测中心站和各部位建筑物监测站组成。监测中心站主要设有计算机、服务器、交换机、打印机等外部设备，用于安全监测数据的采集，包括运行期监测管理站人工观测、自动化观测数据的采集管理。监测中心站计算机可向各建筑物监测站发布指令，实现监测数据的管控并能够接入上一级管理单位。

5 结 语

针对大兴水利枢纽工程的结构特点和地质条件，将大坝变形、坝基扬压力和坝体温度监测作为重点进行监测设计。目前本工程已通过蓄水验收和竣工技术预验收，施工期和蓄水期的安全监测资料为工程的顺利实施和本工程不同阶段的验收提供了技术保障，对评价工程运行安全发挥了重要作用。