安全监测自动化技术在三河口水利枢纽中的应用

马梦鸽,厍海鹏

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

1 工程概况

三河口水利枢纽位于佛坪县子午河峡谷下游，是引汉济渭调水工程的调蓄库，总库容7.1 亿m3。大坝采用碾压混凝土拱坝，最大坝高145.0 m，大坝泄洪采用坝身表、底孔相结合的泄洪方式，坝后引抽水电站厂房设置在大坝下游右岸[1]。三河口水利枢纽大坝按1 级建筑物设计，建筑物多为2 级，监测设计分别依据各建筑物的级别设计，同时对环境量监测、变形监测、渗压监测、大坝应力应变监测及边坡安全监测等方面进行了专项监测。

2 监测网设计及施工要求

2.1 变形监测网设计

根据三河口水利枢纽坝区地形地貌和枢纽各建筑物布置情况，设置了水平和竖直方向交错的监测网。水平向总共设置有9 个水平位移网点，网点选择在地形较开阔且通视条件较好的稳定可靠、便于监测的地方，其标墩为钢筋混凝土监测墩，尽可能建立在基岩上，墩顶设不锈钢强制对中基座。在大坝永久水平位移监测网建成前工作基点采用二等施工控制网，大坝永久水平位移监测网建成后，工作基点采用一等永久水平位移监测网。工作基点的稳定性由监测网按规范要求定期检测。垂直位移监测网由1 座基准点、6 座工作基点和6 座网测点组成。

2.2 施工要求

充分利用碾压混凝土坝仪器施工方法的研究成果[1-3]，吸收在其他碾压混凝土工程仪器埋设的经验[4-6]，针对三河口水利枢纽工程的特点改进和完善安装埋设的技术要求和操作规程，加强安装埋设队伍的培训和管理。安装埋设时严格按操作规程执行，埋设前对每支仪器都要经过检验、率定合格后方能使用，埋设后在混凝土覆盖足够厚度前都应有人守护，并跟踪埋设过程监测，一旦发现仪器不正常，采取相应措施，立即更换仪器;电缆严格按设计要求布设，并认真保护。

3 拱坝安全监测运用

3.1 坝体位移监测

本工程大坝及其基础水平位移在水平位移监测网的整体联系控制下，采用正垂线和倒垂线进行监测，监测点标墩为钢筋混凝土墩体，坝顶监测墩水平位移与垂直位移监测共用，监测点标墩为1.2 m 的钢筋混凝土墩体，墩顶设置强制归心底座，墩体底盘的表面埋设垂直位移标志。因三河口拱坝较长，除坝顶设水平外监测点及在拱冠处设置1 条垂线组外，还需在左岸、右岸1/3 和1/5 拱处各设置一条垂线组;同时在左右坝肩隧洞内各设置一条垂线组(布置7 条垂线)以监测坝肩的水平位移，大坝水平位移变形共设置组进行监测。

3.2 变形监测

3.2.1坝体基岩变位监测

为监测坝基岩体自开挖至拱坝浇筑完成并运行后的变形全过程，在坝基每个坝段沿六个纵向断面各布设一套多点位移计，同时在每个横断面坝址和坝踵位置各布设一套多点位移计，监测坝基岩体在拱推力作用下的变形。

3.2.2坝体及基础应力应变监测

坝体应力应变水平监测截面沿拱冠梁不同高程按10 m～30 m 的间距，各个横断面根据坝基高程510 m 到640 m 之间设7 层监测仪器，水平分别在距上下游2.0 m，水平截面中部根据高程不同布置1 到2 套。为了监测坝踵、坝址部位的应力情况，在拱冠梁坝踵部位布置4 支应变计，在坝址部位布置2 支应变计，应变计均布置在垫层混凝土内，呈竖向布置。

3.2.3坝体接缝及裂缝监测

为有利于混凝土在施工期间的散热，从而降低混凝土的收缩应力，防止混凝土产生裂缝，各坝段间设收缩缝。在垂直于缝面，各灌浆区域沿高程方向梅花形设1～2 支单向测缝计以监测变形缝状态。测缝计既可测缝的开合度，又可测温度。同时设置诱导缝，诱导缝上布置测缝计不仅可以反映诱导缝的工作状态，同时也可以为拱坝封拱时机提供可靠的依据。为监测拱坝建基面与坝体之间的开合度和错动情况，在拱坝基础设置5 个横向监测断面，监测横断面与垂线，应力应变及温度坝段重合。每个纵向监测断面在每个坝段布设一支测缝计，每个横向断面在顺水流方向布设4 支测缝计，其中一支在坝锺部位，一支在坝址部位，坝中布置2 支，这两支与纵向断面重合部分仪器共用，采用竖向布置单向埋入式测缝计。

3.3 渗压监测

3.3.1坝体渗透压力

拱坝基础扬压力布置综合考虑坝基地质条件和渗排工程措施，并结合变形及应力应变监测坝段的布置等因素，拱坝基础设置5 横2 纵监测断面。水库蓄水后坝前会有泥沙淤积，为监测灌浆帷幕前坝基扬压力情况，在幕前坝踵处设1 支渗压计，在帷后排水帷线前后对称设2 支渗压计，在坝趾设1支渗压计，在排水帷幕前后各设1 支渗压计，总计10 支渗压计。坝体渗透压力监测主要目的是监测混凝土的防渗性能和施工质量，与坝体应力监测断面结合，故在515 m、565 m、610 m 三个高程中每处布置3 支，可测得坝体防渗层内不同位置的渗透压力分布情况。

3.3.2绕坝渗流

两岸坝基渗压也影响着大坝安全，为分析绕坝渗流对其影响，确保下游两岸边坡的渗透稳定性，在坝下游设水位监测孔，以监测下游近坝区边坡地下水位的变化，了解坝后岸坡地下水位分布情况。共设2 个监测断面，位于两岸边坡帷幕后，每个监测断面设4 个水位监测孔。绕坝渗流孔位布置时，尽量利用上坝交通洞、施工支洞和灌浆廊道等地下洞室，并和帷幕监测孔统筹考虑，以便合理布置测点和减少施工工程量及施工难度。

3.4 边坡安全监测

边坡安全监测需考虑安全性和一致性，三河口大坝边坡监测设置为1 级，监测内容主要包括边坡变形监测。坝肩开挖边坡范围较大，边坡较高。根据两坝肩开挖边坡的实际情况，在左右坝肩开挖边坡各选取2 个断面，其中1 个布置拱肩槽上游侧顺向坡，一个布置在坝肩拱端部位。运用多点位移计的设置，监测坝肩边坡内部深度变形。

每个断面布置锚杆应力计对进行边坡支护监测，锚杆应力计主要布置在长锚杆上裂隙发育部位，根据边坡裂隙发育情况选取部分长锚杆呈组布置应力计;每个断面布置锚索测力计对锚索工作状态进行监测。同时，在每个断面上布设4支渗压计，监测地下水位情况，深入至地下水位至少1 m 以下，共布设16 支渗压计。

4 监测数据分析

4.1 坝体位移监测数据分析

三河口拱坝于2019 年12 月29 日开始下闸蓄水，截止2019 年12 月31 日，库水位上升幅度不大，目前拱坝径向位移向下游最大位移为0.64 mm，随着库水位上升，拱坝径向向下游位移，切向向两岸位移。在蓄水初级阶段径向位移向下游位移，最大为2.39 mm;随着库水位上升，拱坝径向向下游位移，切向向两岸位移;初期蓄水结束后，径向位移主要受气温影响，最大位移为-1.25 mm;在正常蓄水位蓄水阶段，库水位上升至621.4 m，拱坝向下游位移最大为28.82 mm，出现在646 m 高程Ⅳ断面。

初蓄阶段切向位移量值较小，切向位移较小，规律性不明显，位移量在0.5 mm 以内，说明在目前水头作用下大坝拱向推力还较小。三河口拱坝565 m 高程以下切向位移较小，普遍向右岸位移，位移量不大，切向向右岸最大位移为-1.99 mm，目前阶段温度荷载对水平位移的影响大于水压荷载影响。蓄水阶段切向位移向左岸最大位移为2.60 mm，出现在646 m 高程Ⅱ断面，发生时间2021 年12 月21 日;切向位移向右岸最大位移为7.02 mm，出现在610m 高程Ⅴ断面，发生时间2021 年12 月25 日，可看出目前水压荷载对水平位移的影响较大。在汛期阶段，库水位上升，拱坝径向位移从-1.26 mm 快速增长到-0.82 mm，可看出坝体径向位移对库水位变化比较敏感。

4.2 变形监测数据分析

4.2.1坝体基岩变位监测数据分析

基岩变形受上部盖重影响较大，随着碾压混凝土的浇筑进行，基岩压缩量缓慢增加。从监测数据分析，靠近上游侧两组测点除孔口位移处于压缩状态(位移量分别为-1.80 mm和-0.63 mm)外， 其余测点均处于拉伸状态， 变形量基本在2 mm 以内。靠近下游侧两组测点孔口和5 m 处位移呈压缩状态，10 m 和20 m 深处测点呈拉伸状态，位移量变化在-4.24 mm～1.54 mm 之间(图1)。其中Ⅳ断面安装在504.5 m高程测点位移量最大，最大压缩量为8.07 mm(图2)。基岩竖向位移变化规律正常，变形量不大，无明显异常变化，水平向位移普遍较小，测值较为稳定。

图1 Ⅴ断面典型多点位移计过程线图

图2 Ⅳ断面典型多点位移计过程线图

4.2.2坝体及基础应力应变监测

1)坝体应力应变监测

从监测数据分析，处于受压状态应变计测点占应变计总数73.72%;在受拉的123 个测点中，大部分测点应力应变在100 με以内(87 支)，在100 με～200 με之间的有30 支，大于200 με的有6 支，主要出现在533 m 高程、595 m 高程、607 m 高程和619 m 高程。综合分析，坝体应力应变变化规律正常，大部分测点处于受压状态，虽然存在少部分拉应变，但拉应变值大部分在100 με以内，结合其他数据分析出现拉应力原因可能受温度等多种因素共同影响，在后续水位抬升阶段需进一步监测分析。

2)坝基应力应变监测

从压应力计过程线图可以看出(图3)，随着坝体浇筑高程的增加，坝体与基岩接触部位的压应力也随之有所增大，目前各测点处于受压状态，最大压应力为3.39 MPa，出现在593.8 高程9 号坝段的E13 测点。总体来看，坝基接触压应力未见异常变化。

表1 拱肩基础压应力计特征值统计表 单位:MPa

图3 大坝压应力计典型测点过程线图

4.2.3坝体接缝及裂缝监测

横缝、诱导缝开合度受混凝土温度影响较大，温度越低，接缝开合度越大。目前随着通水冷却的进行，横缝、诱导缝处于缓慢张开的状态。通过对六期接缝灌浆的接缝及裂缝进行监测，发现灌浆整体效果良好，六次灌浆接缝开合度变化均较小，变幅基本在0.5 mm 以内。某些测点受冬季气温下降后开合度略微张开，但随后测点开合度变幅较小，已处于稳定状态。但和前期相比，经过一个冬季的变化，变幅超过1 mm 的测点数量有所增加，目前有9 个测点变幅超过1 mm，有部分测点变幅在1.5 mm 以上，该部分测点后期需进一步对其进行分析。

4.3 渗压监测数据分析

4.3.1坝体渗透压力数据分析

从坝基渗压计过程线图(图4)可看出:坝基渗透压力主要受上游水位、周边岩体地下水位、降雨等多种因素影响。大坝未蓄水前，幕前渗压水头基本稳定，部分渗压计水头增大与坝前基础黏土回填有关。大坝蓄水阶段，导流洞下闸蓄水至底孔过流，帷幕前渗压水头随上游水位上升而增大，上游水位稳定后帷幕前渗压水头基本处于稳定状态。正常蓄水后渗压水头受降雨影响较小。目前帷幕前最大水头为40.27 m。

图4 帷幕前渗压水头与库水位相关图

4.3.2绕坝渗流监测数据分析

左右岸绕坝渗流安装高程在600 m 以上，远高于初期蓄水库水位高程，库水位对左右岸坝肩绕坝渗流基本无影响，绕坝渗流水位主要受地下水位和降雨等因素影响，从目前测值来看，除左岸UP(zrb)7 测点水头为14.08 m 外，其余两岸绕坝渗流渗压水头不大，基本在10 m 以内，无异常情况。

4.4 边坡安全监测数据分析

坝肩多点位移计典型测点过程线图见图5，可看出坝肩多点位移计测值普遍较小，SMJ2-1 测点主要呈压缩变化，位移量在-4.13 mm～-1.38 mm 之间，其余测点位移均在1mm 以内，位移变化趋势目前已趋缓。总体分析，坝肩基岩位移变化较为稳定，无明显异常变化。

图5 坝肩多点位移计典型测点过程线图

5 结语

安全监测自动化技术在国内大坝安全监测中运用成功的案例较多，分析其在三河口水利枢纽的运用情况，总体运行效果较好。三河口水利枢纽安全监测项目全面，监测仪器和设施布置合理，仪器设备选型耐久、可靠、实用、有效，形成了一套完整的枢纽安全监测系统，在施工期取得了大量可靠性高、连续性好的监测数据，做到了全面、同步、及时而准确地反映出各部位在施工期过程中的变化。同时，对大坝应力变形及渗透压力等变化规律以及各变化的原因分析有直接性的作用，从而能及时发现隐患并采取相应措施，确保大坝安全稳定运行，提高大坝运行综合效益。