某沥青混凝土心墙堆石坝安全监测设计

朱利平，李 翔

（新疆伊犁河流域开发建设管理局，新疆 乌鲁木齐 830000）

0 引言

沥青混凝土心墙堆石坝以沥青混凝土作为防渗体，具有良好的防渗及适应变形的特点，与面板坝相比，受外界气候及光照影响较小，几乎不受酷暑及严寒冰冻的影响，沥青混凝土的摊铺和压实较面板简单，与河床及两岸混凝土底座易于连接，帷幕灌浆工程量较小，另外抗震性能也较好。目前国内外建设了大量沥青混凝土心墙堆石坝，而安全监测作为沥青混凝土心墙堆石坝工程建设中非常重要的一个方面，是了解沥青混凝土心墙堆石坝运行状态和安全状况的有效手段和方法，近年来受重视程度不断提高。通过观测数据与理论计算值的对比分析，便于掌握工程设计的合理性和进行工程设计调整，为沥青混凝土心墙堆石坝建设积累经验。另外安全监测工作还可以为大坝蓄水安全鉴定和后期大坝定检工作提供关键观测数据，安全监测工作在蓄水安全鉴定和大坝定检中的重要性已为业内专家所接受。

1 工程概况

某沥青混凝土心墙堆石坝，最大坝高 60.5 m，坝顶长 193.0 m，坝顶宽度 10.0 m，沥青混凝土心墙采用垂直布置型式，心墙轴线布置在坝轴线上游侧。电站工程的主要功能是结合输水进行动能回收，主要任务是发电，水库总库容 0.07 亿m3，为日调节水库，电站总装机容量 320 MW。沥青混凝土心墙堆石坝为 2 级建筑物，坝址区段河谷狭窄，为“V”型谷。该地区属温带荒漠类型的大陆性气候，冬夏冷热悬殊，干燥少雨、蒸发量大，该流域的多年平均降水量 103 mm，蒸发量 1 488 mm，多年平均气温 7.7 ℃，极端最高气温 41.6 ℃，极端最低气温为 -36.4 ℃，最大冻土深度 141 cm。当地砂石资源丰富，为沥青混凝土心墙堆石坝的建设提供了充足的建筑材料。

2 主要监测项目

1）环境量监测。包括上下游水位、气温和降雨量的监测。

2）变形监测。包括表面变形、内部变形、防渗体变形监测、接缝位移监测等。

3）渗流监测。包括坝基及坝体渗透压力、绕坝渗流和渗流量监测。

4）温度监测。包括心墙混凝土温度监测和库水温监测。

5）水质分析监测。

6）地震反应监测。

7）人工巡视检查。

3 监测布置

沥青混凝土心墙堆石坝共布置 3 个横向重点监测断面，其中 1 个布置在最大坝高坝段，坝顶布置 2 个监测站。

3.1 环境量监测

在进水塔混凝土表面设不锈钢水尺，进行人工水位观测。另外在进水塔混凝土内部预埋一根 DN80 热镀锌钢管，设置透水堵头，内置水位计，进行上游水位自动化监测。

在坝顶位置设置 1 套遥测雨量计监测降雨量，百叶箱内设 1 套自记温度计监测坝区温度。

3.2 表面变形监测

表面变形监测包括水平位移（上、下游位移）和垂直位移（沉降）观测。为监测大坝表面变形情况，在坝顶和坝后马道位置布置 22 个水平位移测点，另设 8 个水平位移工作基点，水平位移工作基点用监测基准网进行校核，坝体水平位移测点采用视准线法进行观测，边坡水平位移测点采用交会法观测。在坝顶和坝后马道位置布置 35 个垂直位移测点，另设 2 个垂直位移工作基点，垂直位移工作基点用水准基准点进行校核，建筑物垂直位移监测采用一等水准观测要求施测，边坡垂直位移监测采用二等水准观测要求施测。

3.3 内部变形监测

坝体内部变形监测包括坝体水平位移和坝体竖向位移观测。在坝顶和坝后马道位置分别布置测斜管和分层沉降管进行坝体水平位移和坝体竖向位移观测。坝体竖向位移观测主要用于分析不同堆石分区的变形特征，还可以分析层间堆石体的压缩变形模量。其中测斜管采用活动测斜仪进行测量，分层沉降管采用分层沉降仪进行测量。

3.4 接缝位移监测

在心墙与上下游过渡层结合面设置错动位移监测区，沿高程间隔布置位错计进行沥青混凝土心墙与上下游过渡层间错动位移监测，在心墙与基座接触面之间设置位错计进行沥青混凝土心墙与基座间接缝位移监测，两者共设置位错计 27 支。

3.5 渗流监测

在坝基上下游方向依次设置渗压计监测坝基和坝体渗流及可能形成浸润线的分布情况，另外也可对防渗结构和灌浆帷幕的防渗效果进行监测。另外在左、右岸坝肩位置设置测压管进行绕坝渗流监测。设置 1 台量水堰仪进行渗漏量监测。

3.6 温度监测

在沥青心墙位置布设耐高温温度计进行沥青心墙温度监测；在库区布设温度计进行库水温监测。

3.7 地震反应监测

坝址区地震基本烈度为 8 度，坝址地处强震区，在坝顶和下游坝坡面设置 4 台强震仪，每个测点均为三分向拾震器，进行坝体地震强震监测。

4 主要监测仪器指标

1）不锈钢水尺。刻度为红蓝相间带凹槽烤漆形式，水尺宽度 50 cm，厚度 5 mm。

2）水平位移测点及工作基点。包含强制对中基座和观测墩，强制对中基座采用不锈钢材质，最大对中误差 0.05 mm。

3）垂直位移测点（沉降标点）。主要包括标芯和保护盒，标芯采用不锈钢材质。

4）测斜管。选用南瑞集团有限公司生产的铝合金测斜管。测斜管材质为铝合金，壁厚≥2.2 mm，内壁有相互垂直的导槽，管径与采购的便携式测斜仪配套，包含接头、底座、管口保护装置等。安装在心墙部位的测斜管能够承受 180 ℃ 高温不变形。

5）分层沉降管。测斜管兼做沉降管，管外配置沉降磁板，沉降板尺寸≥40 cm×40 cm，厚度＞3.5 mm，并进行防锈蚀处理。

6）测压管。采用 DN50 mm 的镀锌钢管，壁厚≥3.5 mm，花管段 0～4.0 m，透水孔径φ4～6 mm，开孔率 20 %。

7）位错计。量程 50～250 mm，精度±0.1 % F.S，灵敏度≤0.025 % F.S，耐水压 1.0 MPa。

8）渗压计。测量范围 0～1.0 MPa，精度±0.1 %F.S，分辨率≤0.025 % F.S，零漂＜0.02 % F.S。

9）心墙温度计。量程：-30～+180 ℃，耐水压1.0 MPa，温度测量精度≥±0.3 ℃。

10）双向垂线坐标仪。量程：X向50mm，Y向50 mm，精度 ±0.1 mm，具有标准 RS 485 接口可实现远程遥测。

11）电磁沉降仪。测量深度≥70 m，测量精度0.1 mm，分辨率≤1.0 mm。

12）量水堰仪。量程 300 mm，带人工测针，游标读数 0.01 mm。

13）遥测雨量计。雨量计分辨率 0.1 mm，包含相应的通信线及电源线等配套设备。

14）自记温度计。能够自动记录和储存环境温度，测量范围满足 -40 ℃～70 ℃。

15）强震动传感器。加速度观测范围 0.000 1～2.0g，频带 0～50 Hz。

16）百叶箱。选用玻璃钢百叶箱。

17）读数仪。频率分辨力 0.1 H z；温度分辨力 0.1 ℃；激励范围 400～6 000 Hz。

18）监测电缆。要求为耐酸、耐碱、防水、质地柔软的专用屏蔽电缆，其承受水压为 2.0 MPa 时，绝缘电阻≥100 MΩ，芯线面积≥ 0.37 mm2。

5 观测和巡视检查要求

5.1 观测要求

1）心墙温度计和位错计埋设后 24 h 内，每隔 4 h 观测 1 次，之后每天观测 1 次，持续 2 周，以后每周观测 1 次。

2）渗压计和位错计安装后 7 日内每天观测一次，持续 2 周，以后每周观测 1 次。

3）测压管安装后测量管底及管口高程，并进行灵敏度检验，以后每周观测 1 次，管口高程在施工期和首次蓄水期每月校测 1 次。

4）随坝体安装的测斜管在坝体填筑到顶后开始观测，钻孔安装的测斜管在安装完 1 周后开始观测，最初每天观测 1 次，待仪器读数达到相对稳定状态，之后每周观测 1 次，仪器安装后观测前测量管口高程，施工期和首次蓄水期每月校核 1 次。

5）沉降管在第一块板安装完开始观测，观测前测量管口高程，在坝体填筑施工过程中每周观测 2 次直至坝体填筑完工，之后每周观测 1 次，在坝体填筑到顶之后的观测期间定期对管口高程进行校测，在施工期和首次蓄水期每月校核 1～2 次。

6）倒垂线安装结束后每月观测 2 次，观测时间结合水平位移测点观测进行。

7）以上监测仪器设备在首次蓄水期每天观测 1 次，在水位平稳、测值基本稳定后每周观测 l 次。

8）坝体水平位移测点采用视准线法进行观测，边坡水平位移测点采用交会法观测。水平位移测点安装埋设后每月观测 1 次，首次蓄水期每月观测 2 次，在水位平稳、测值基本稳定后每月观测 1 次。视准线工作基点在安装埋设后 2 年内每年校测 2 次，之后每年 1 次。校测时尽量在温度相当的天气条件下进行。工作基点校测位移中误差≤±1.4 mm。工作基点的初始值及各测点的初始值在工程具备条件时尽早测得，施测时在最短的时间内连续观测 2 次，合格后取均值。

9）建筑物垂直位移监测采用一等水准观测要求施测，边坡垂直位移监测采用二等水准观测要求施测。垂直位移测点安装埋设后 1 年内每月观测 2 次，各测值稳定后每月观测 1 次。首次蓄水期每月观测 2 次，在水位平稳、测值基本稳定后每月观测 1 次。垂直位移工作基点在安装埋设后 2 年内每年校测 2 次，之后每年校测 1 次，校测时采用一等水准观测要求施测，施测时在最短的时间内连续观测 2 次，合格后取均值。

10）若遇到特殊情况，如大暴雨、大洪水、地下水位长期持续较高、强地震增加观测和巡视检查频次。

11）观测记录要准确、清晰、完整，原始观测记录装订成册，井妥善保管。

5.2 巡视检查要求

除用监测设备进行监测外，还必须进行人工巡视检查，一般在进行仪器观测的同时进行检查，收集施工现场及工程过水过程中与结构安全有关的信息。监测资料分析密切结合现场情况和巡视检查资料进行。

主要检查项目及内容包括：坝顶有无裂缝、异常变形、积水或植物滋生等现象；防浪墙有无开裂、挤碎、架空、错断和倾斜；迎水坡护面或护坡是否损坏；块石护坡有无石块翻起、松动、塌陷、垫层流失、架空或风化变质等损坏现象；背水坡及坝址有无裂缝、剥落、滑动、隆起、塌坑、雨淋沟、流土等现象；仪器保护设施是否完好；监测设施是否有被盗损；监测仪器设备编号是否清晰完好等。

6 结语

沥青混凝土心墙堆石坝具有良好的防渗及适应变形和受环境影响小的优点，近年来在我国得到了广泛应用，其安全监测技术也得到了很大发展，沥青混凝土心墙堆石坝安全监测的重点在坝体变形和渗流监测。在安全监测实施过程中必须组建一支责任心和事业心强，同时又熟悉仪器用途和功能的专业技术队伍，才能做好安全监测工作，本文对类似项目的安全监测设计具有参考意义。Q