玉龙喀什水利枢纽混凝土面板堆石坝变形监测探讨

袁 媛

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

随着经济的快速发展，中国的筑坝技术不断提高，在短短几十年间，水利工程建设取得了巨大的成就，不仅工程建设的数量快速增长，工程的规模也越来越大[1-2]，特别是20世纪90年代面板堆石坝向200m级高坝发展。大坝作为水利枢纽工程中的主要建筑物，坝体的安全直接影响了下游人民群众的生命、财产安全，更是影响水利工程功能与作用的重要因素，因此，大坝安全监测备受关注。

1 工程概况

玉龙喀什水利枢纽工程位于新疆和田地区和田县的喀什塔什乡境内，距和田市约95km，距下游玉龙喀什河渠首约60km[3-4]，是玉龙喀什河山区河段的控制性水利枢纽工程，该工程主要任务为保证向塔里木河下泄生态水量的前提下，通过与乌鲁瓦提水利枢纽联合调度，以控制生态输水、灌溉补水为主，结合防洪，兼顾发电[5-6]。大坝为1级建筑物，坝高233.5m，为250m级超高混凝土面板堆石坝[7-9]。地震设防烈度Ⅸ度，对于250m级高坝而言，控制坝体的变形尤为重要。

2 变形监测项目

大坝变形监测项目主要为：表面变形监测、堆石体的内部变形监测、面板接缝变形监测、面板挠度变形监测。对堆石体内部变形的监测是整个工程安全监测的重点，主要反映在堆石体的填筑质量、寻找面板施工时机、设计计算对比等，也是大坝安全评价的重要依据。

3 表面变形监测选择

3.1 监测设施比选

目前，工程中主要的表面变形监测设施分为传统表面变形监测设施(全站仪、水准仪)和新型表面变形监测设施(自动全站仪、GNSS监测系统、合成孔径雷达干涉测量技术)。传统坝体的表面变形监测方式，采用手工操作，受外界影响较大，其观测周期较长，工作量也相对较大，由于测点多位于大坝下游坡面，观测人员需要配备安全措施。

随着卫星测量的发展，GNSS已应用于国内大、中型水电工程中，如拉西瓦、小湾、糯扎渡水电站等。糯扎渡水电站大坝表面变形同时采用GNSS和测量机器人(自动全站仪)自动化监测系统，观测成果显示在同一时段内，上、下游坝坡表面变形观测成果变化趋势一致。

GNSS自动化监测系统适用于地势开阔的永久观测，受气候影响易产生误差，本工程地理位置处于高山峡谷区，春秋季易发生沙尘天气，冬季易产生降雪天气，高山峡谷及相对恶劣的气候对卫星信号存在一定的干扰。合成孔径雷达干涉测量技术相对GNSS受地形及气候影响小，由于主要依靠地面基站获取图像数据，地面基站的建设成本较高。测量机器人的精度比GNSS高，受气候影响较小，建设成本比以上2种监测方式低。因此，本工程面板堆石坝表面变形选择测量机器人接入自动化观测。

3.2 表面变形监测方案

大坝表面变形监测测点为水平位移与垂直位移共用测点，垂直于坝轴线的方向布置表面位移监测横断面测线9条，每条测线的间距为50m。平行于坝轴线的方向布置表面位移监测纵断面7条，其中坝顶上、下游各设1条，下游坝坡5条。测线上每隔50m设一个测点，共计44个，监测测点布置如图1所示。

图1 表面变形监测布置示意图(单位：m)

4 坝体内部变形监测选择

4.1 监测设施比选

内部变形监测是面板堆石坝安全监测的重中之重，沉降变形是反应堆石坝工作性态是否正常的最主要方面之一。大坝填筑时期采集到的坝体沉降数据，对控制施工进度、施工质量、以及施工机械的调配等具有指导意义。

坝体内部变形监测包括垂直位移及水平位移。随着超高面板坝施工技术的发展，内部监测设施由传统的(水管式、电磁式、液压式)沉降仪、引张线式水平位移计系统，发展到目前的分布式光纤变形监测、管道机器人监测系统等内部变形监测设施。

坝体内部变形监测常用的传统仪器是水管式沉降仪及引张线水平位移计，从国内已建工程可以看出，监测多采用3～4个监测断面，高程方向的间距约为40m布置一层，每层的测点间距为40～50m。各工程面板堆石坝内部变形监测系统布置见表1。

表1 面板堆石坝内部变形监测系统布置表

目前我国200m级面板堆石坝坝体内部监测主要设施采用引张线水平位移+水管式沉降仪布置，引张线水平位移计自身存在误差和缺陷，应用在监测长度约为400m的监测断面中。施工过程中通过仪器埋设对测头和管路进行保护，保证管路可靠连接，可有效避免引张线发生缺陷和误差，使运行期测值稳定。机器人监测系统和分布式光纤变形监测技术在推广阶段，仪器的应用周期不长，有待运行期的长期检验。

本工程引张线长度小于500m，与在建高面板堆石坝的引张线长度相当，引张线自身的缺陷和误差可通过施工保护措施控制，因此玉龙面板堆石坝的内部变形主要监测手段采用引张线水平位移+水管式沉降仪，同时选取最大监测断面利用分布式光纤变形监测作为辅助监测手段作为补充监测，与引张线水平位移和水管式沉降仪互相验证。

4.2 内部变形监测方案

根据本工程坝体三维有限元变形计算结果，坝体内部变形监测垂向和分层结合布置，共设置4个断面，断面位置分别为：坝0+100.00m、坝0+220.00m、坝0+300.00m、坝0+400.00m。4个内部变形主监测横在5个高程布设坝体内部水平分层、垂向位移监测测点，层间距40～25m，每层水平分层的测点间距40m。同时在坝0+220.00m各水平分层及其他主监测断面的最底层设置分布式光纤监测系统，共布置8条监测光纤，总长2550m。典型断面内部变形监测布置如图2所示。

图2 2—2断面内部变形监测布置(单位：m)

坝址处的河道地形呈弧形，在大坝下游坡脚向右岸偏转。最大坝高断面下游基岩向坝顶翘起，大坝下游坡脚1995.00m高程以下布置监测设施，需设监测洞，水管式沉降仪观测房布置于坝后下游监测洞内，监测洞由监测斜井连接至工程交通洞内。监测洞为城门洞型，净断面尺寸2.0m×3.0m(底×高)，监测仪器洞室3.0m×3.0m×7.0m(长×宽×高)。

5 面板挠度变形及脱空监测

混凝土面板是面板堆石坝重要的防渗体，挠度变化反映了大坝安全运行情况。常规的监测设施主要有固定式测斜仪、电平器，近年来大型水利工程采用较多的监测仪器为光纤陀螺仪及SAA阵列式位移计。面板脱空监测常用设施为脱空计。

5.1 监测设施比选

固定式测斜仪由测斜管和串联或单支安装的固定测斜传感器组成，通过安装在每个高程上的倾斜传感器，测量结构物的倾斜角度。其传感器的布设间距难以权衡，间距过大则精度不高，间距过小则成本较高。由于蓄水后承受水压较大，运行条件较恶劣，仪器的失效率高。猴子岩的面板挠度监测同时选择固定式测斜仪和光纤陀螺磁惯导。并对监测技术做了相应改进，由于应用2种监测方式，确保了面板挠度的正常观测。

天生桥一级混凝土面板堆石坝为监测面板挠度在3个横断面上安装了64支电平器，通过高程692m以下坝体内沉降仪记录的沉降量计算挠度变形，对比电平器监测成果，反映出电平器正确记录了施工期间和水库蓄水期间的面板位移情况。洪家渡、三板溪等面板坝也采用了电平器进行面板挠度监测，采用电平器监测对测点数量有要求，当测点数量较少，变形误差加大。

两河口水电站心墙坝采用了SAA阵列式位移计(柔性测斜仪)监测心墙沉降，沿坝轴线监测纵断面，在左右岸心墙混凝土板的3个高程，沿纵向、水平各设1套，共布置柔性测斜仪6套，每套长度为50m。

阿尔塔什面板坝在大坝上游覆盖层最深处的40#面板布置了一条面板挠度SAA阵列式位移计测线，分3段布置，一期面板105m、二期面板123m，三期面板92m，总长320m。测线线路有2段，线路1为趾板-连接板-防渗墙，布置50cm一节型号的SAA位移计，线路2为趾板-混凝土面板-坝顶防浪墙，布置100cm一节型号的SAA位移计。将全段SAA位移计外套高强度PVC/PE管沿面板底层钢筋上部牵引至坝顶，在一、二期面板位置做搭接处理，搭接长度2.0m，为防止面板变形后拉断位移计，终端预留长度2.0m，并用Φ110mm镀锌钢管封闭保护。初期蓄水至高程1722m时，二期面板顶部累计沉降44.7mm，面板底部累计沉降58.5mm。

5.2 面板挠度变形监测方案

本工程选择光纤陀螺(FOG)及SAA阵列式位移计监测面板挠度。结合坝体表面及内部监测断面布置面板监测测线。

由于最长面板长达334.5m，为确保取得关键部位的监测数据，观测面板变形情况，在最大面板条块部位坝0+220.00m同时布设上述2种监测仪器，坝0+300.00m监测断面安装光纤陀螺。布置位置如图3所示。

5.3 面板脱空监测方案

面板脱空监测内容应包括面板与垫层间的法向位移(脱开、闭合)以及向坝下的切向位移。面板和垫层间脱空情况利用脱空计结合界面土压力计成组布置。

选择坝体内部变形的4个监测横断面，结合大坝面板分期施工高程，共布置20组面板脱空计及土压力计。

6 面板接缝变形监测

高坝的面板周边缝在高水压的作用下产生了复杂的三向变形位移，周边缝的止水一旦被破坏将会成为渗水通道。高水头作用下的周边缝渗水会造成堆石体的不均匀沉降、坝体失稳。面板接缝的变形监测为坝体施工期、蓄水期和运行期的工作状态提供依据。

单向测缝计及三向测缝计长期应用于面板接缝变形监测，安装方便，实际应用中设施运行稳定。监测部位主要为面板周边缝及面板板间缝。

6.1 面板周边缝变形监测方案

同时根据周边缝位移计算结果，在周边缝易发生沉降位移、剪切位移、张拉位移处和趾板凸出部位布置三向测缝计，本工程左、右岸坡趾板周边缝各布置6组三向测缝计，高趾墩处河床趾板布置3组三向测缝计，共计15支三向测缝计。

6.2 面板板间缝监测

根据SL 551—2012《土石坝安全监测技术规范》，在明显受拉和受压的面板板间垂直缝处布设测点，测点高程与周边缝布置的三向测缝计组成纵横测线。面板接缝位移布置单向测缝计进行面板间开合度变形。在受拉和拉压交替部位的面板垂直缝布设单向测缝计，高程分布与周边缝相同，且与周边缝测点组成纵横监测线。在混凝土面板7个高程的板间缝布置测缝计，共计测缝计44支，布置位置如图3所示。

图3 面板挠度及接缝监测布置

7 结论

大坝变形安全监测对工程的建设和运行至关重要，通过对比分析已有大坝变形监测案例及监测设施自身特点，结合本工程布置、施工及运行特点，合理选择大坝表面变形、内部变形、面板挠度变形及脱空、面板接缝变形的监测设施及布置方案，实现自动化测量，方便指导施工，为后期大坝的运行、安全评估、预警预报大坝安全性态等方面提供可靠的监测资料。目前工程初步设计阶段安全监测专题已通过水利部水利水电规划设计总院的审查，工程于2021年12月截流，本次变形监测设计方案的选择可为高面板坝的变形监测提供参考。