二灘高拱壩安全監(jiān)測設(shè)施布置與運(yùn)行管理

二灘高拱壩安全監(jiān)測設(shè)施布置與運(yùn)行管理

二灘水電站位于中國西南部四川省攀枝花市雅江下游河段。電報線路為330萬公里，總投資58億3m。多年平均產(chǎn)量為170萬公里。這是中國20世紀(jì)建立的最大節(jié)水交通樞紐工程?；炷岭p拱壩最大壩高240m，拱頂最大厚度55.74m，拱頂厚度11.0m，拱頂線槽長769.32m，壩體混凝土填充量為391萬米3m。這是20世紀(jì)中國的第一個也是世界上的第一個水庫。高拱壩規(guī)模宏大,技術(shù)復(fù)雜,多項(xiàng)指標(biāo)名列世界前茅。二灘拱壩1998年5月1日拱壩臨時底孔下閘水庫開始蓄水,至今拱壩已承受了10次完整的加卸載循環(huán)過程,經(jīng)歷了多次洪水考驗(yàn)。二灘拱壩是我國第一座完建并成功運(yùn)行的200m以上高壩,是我國高拱壩建設(shè)的里程碑,它的建成標(biāo)志我國水電建設(shè)技術(shù)跨入世界先進(jìn)行列。二灘拱壩無論在設(shè)計上或施工上都有很多突破,使用了許多國內(nèi)未使用過的新技術(shù)與新工藝,因此積極開展監(jiān)測分析,對不同的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行跟蹤、及時和準(zhǔn)確的評價,掌握大壩的運(yùn)行安全狀態(tài),為制定安全運(yùn)行監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)和水庫調(diào)度運(yùn)行方式提供決策參考都具有極其重要的意義和價值。二灘拱壩監(jiān)測設(shè)計遵循以安全監(jiān)測為主,儀器少而精,一種儀器多用途,重點(diǎn)部位多方法臨測,監(jiān)測內(nèi)容相互檢查校核的布置原則。安全監(jiān)測項(xiàng)目主要包括變位監(jiān)測、滲流滲壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、水位監(jiān)測、自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及其他特殊觀測項(xiàng)目等。布置了26類、共計1022臺(點(diǎn))觀測儀器設(shè)備,其中埋入式儀器680支(點(diǎn)),外部觀測儀器191臺(點(diǎn))。埋入式儀器自竣工完成后至今,其成活率平均約為91.2%,全部儀器設(shè)備目前的成活率平均約為95%。通過對儀器設(shè)備的不斷維護(hù),拱壩安全監(jiān)測系統(tǒng)總體上工作良好,為拱壩的安全及工程可靠運(yùn)行提供了可靠的保障,也為中國高拱壩設(shè)計提供了可借鑒的寶貴經(jīng)驗(yàn)。1作用效應(yīng)量的確定在反映壩體和基礎(chǔ)安全運(yùn)行的宏觀物理量中,位移是最直觀、最易量測、也是相對易于量測準(zhǔn)確的作用效應(yīng)量。當(dāng)結(jié)構(gòu)在彈性工作階段時,應(yīng)力與應(yīng)變有線性變化關(guān)系,應(yīng)變又是位移的一階導(dǎo)數(shù),從而只要獲得使應(yīng)力能得到安全控制的位移變化預(yù)測區(qū)間,且實(shí)測位移值處于預(yù)測范同內(nèi),則可認(rèn)為大壩強(qiáng)度安全能得到控制,因此,可采用大壩位移來監(jiān)控壩體安全。1.1壩體水平位移的監(jiān)測壩體水平位移的監(jiān)測實(shí)施,采用了兩套系統(tǒng),即拱壩垂線觀測系統(tǒng)和精密大地網(wǎng)測量系統(tǒng),其中大地測量分為臨時和永久網(wǎng)測量系統(tǒng);垂線測量系統(tǒng)主要通過布置在4#、11#、21#、33#和37#壩頂五個斷面的TCN1、TCN3、TCN8、TCN15和TCN19五套正、倒垂線系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控;壩體水平位移的大地網(wǎng)監(jiān)測點(diǎn),包括壩頂OP2～OP6和下游面C20～C30共計15個觀測墩測點(diǎn)。垂線測點(diǎn)TCN1、TCN3、TCN8、TCN15、TCN19與大地網(wǎng)測點(diǎn)OP2～OP6分別對應(yīng)位于4、11、21、33、37壩段,其水平距離較近且位于同一壩段,其對應(yīng)測點(diǎn)相同時段的壩體水平位移增量和徑向位移具有較大可比性。大地網(wǎng)的量測值所反映的是壩體水平位移的絕對增量,垂線系統(tǒng)反映的是壩體相對于垂線錨固點(diǎn)的位移量增量,垂線測點(diǎn)、壩頂觀測墩、壩后測點(diǎn)以及平面監(jiān)測控制網(wǎng)構(gòu)成壩體水平位移監(jiān)測的整體,相同部位測點(diǎn)實(shí)測值可互相校驗(yàn),并可通過大地網(wǎng)測量成果對垂線測點(diǎn)的測值進(jìn)行可能的修正。典型時段各典型測點(diǎn)水平位移比較見表1,從表中可以看出,5個壩段的垂線位移與大地測量成果基本一致,表明了垂線觀測成果的可靠性,因此垂線觀測所反映的大壩變形是真實(shí)可信的。針對拱冠梁剖面壩頂測點(diǎn)TCN3、TCN8、TCN15的徑向位移監(jiān)測資料進(jìn)行分析。自蓄水至今,各測點(diǎn)累積徑向位移實(shí)測值時間過程線如圖1所示。由圖可見,各測點(diǎn)測值的連續(xù)性較好,可靠性高;測值和庫水位間存在較為密切的相關(guān)性,測值隨庫水位作周期性變化,符合拱壩壩體徑向位移變化的一般規(guī)律;典型測點(diǎn)徑向位移,隨庫水位、溫度和庫盤的作用的變化趨勢和規(guī)律正確、合理;累計徑向位移均在設(shè)計控制范圍(基本荷載組合時設(shè)計允許最大徑向變位122.9mm)之內(nèi),說明拱壩在該部位的徑向位移正常,壩體工作性態(tài)良好。監(jiān)測結(jié)果還表明,大壩的水平變位主要受庫水位和溫度影響。根據(jù)蓄水后的高水位運(yùn)行情況,2005年高水位運(yùn)行區(qū)段和時間比2003年和2004年略有增加,且自2000年后,庫水位均在當(dāng)年5月中下旬達(dá)到1155m的最低水位工況,在對應(yīng)時段內(nèi)累計徑向位移的測值也相對較大,說明高水位的持續(xù)時間可能是影響大壩徑向變位逐年增加的主要因素。分析近10年的水平變形實(shí)測數(shù)據(jù),表明二灘大壩大地網(wǎng)測點(diǎn)監(jiān)測成果數(shù)據(jù)較為可靠合理,是一種行之有效的手段,其監(jiān)測成果具有較高精度,且系統(tǒng)的誤差較為穩(wěn)定。因此大地測量宜定期地進(jìn)行長期觀測,特別是與大壩垂線測點(diǎn)對應(yīng)的測點(diǎn)宜定期地進(jìn)行長期觀測,以便于大壩位移的相互驗(yàn)證和絕對位移的監(jiān)控。二灘拱壩各項(xiàng)水平位移實(shí)測數(shù)據(jù)均在設(shè)計控制范圍之內(nèi),表明大壩工作性態(tài)正常。1.2壩體垂直位移用于監(jiān)控拱壩垂直位移(沉降)的儀器設(shè)備包括:精密水準(zhǔn)測量系統(tǒng)(壩體、壩基水準(zhǔn)點(diǎn))、壩基多點(diǎn)位移計、壩基測縫計以及靜力水準(zhǔn)儀等,垂直位移監(jiān)測設(shè)備及儀器布置情況見表1。其中壩基多點(diǎn)位移計、壩基測縫計以及靜力水準(zhǔn)儀僅設(shè)置在個別壩段,數(shù)量有限,其測值僅代表個別壩段特定點(diǎn)的相對位移情況,不能對整個拱壩的垂直位移起控制作用,因此,精密水準(zhǔn)測量是監(jiān)控拱壩垂直位移的較可靠的主要手段之一。BM3、BM5、BM7、BM9、BM11、BM14等6個水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)置于壩頂拱冠梁剖面1205.30m高程,分別位于8、14、21、28、33、39壩段,這些點(diǎn)的測值能較好地反應(yīng)拱冠垂直位移情況,各測點(diǎn)實(shí)測值過程線如圖2所示,位移量為“正”表示下沉,為“負(fù)”則相反。從圖可以看出各測點(diǎn)測值變化規(guī)律吻合較好,垂直位移與庫水位的相關(guān)性均較好,總體上反映了壩體垂直位移隨著荷載而變化的基本規(guī)律。測值表現(xiàn)出隨時間而增長的趨勢,這種變化趨勢估計與庫水位在1200m附近的區(qū)段長時間運(yùn)行,以及該時段的時效和溫度荷載變化有關(guān)。各測點(diǎn)垂直位移基本處于設(shè)計控制范圍(設(shè)計預(yù)測最大值為+7.3～-6.1mm)以內(nèi),說明目前壩體垂直位移變化規(guī)律正常。精密大地水準(zhǔn)測量成果表明,1090m高程及以下測點(diǎn)的垂直位移,從1997年3月始測截至2001年4月,其測值波動下降且總體呈現(xiàn)沉降趨勢。三個高程的垂直位移呈現(xiàn)相似的變化規(guī)律:中間18～21壩段沉降量大,邊壩段沉降量較小,最大沉降量均發(fā)生在21壩段。2000年5月以后,由于壩基殘余變形逐步大部分完成,各高程測點(diǎn)垂直位移與庫水位的相關(guān)性逐步增大并趨于穩(wěn)定,隨著庫水位的周期性變化,大壩垂直位移趨于與庫水位變化同步的穩(wěn)定周期性變化。但是,垂直位移水準(zhǔn)網(wǎng)的起測基點(diǎn)布設(shè)在下游距大壩直線距離3.6km處,致使水準(zhǔn)測量路線總長約37km,是偏遠(yuǎn)的。由于距離及路線較長,使觀測工作量大、周期長,測值準(zhǔn)確性也受到一定影響。在今后的大壩監(jiān)測設(shè)計中,起測基點(diǎn)宜盡量靠近建筑物,以便縮短觀測路線。2壩基滲壓測點(diǎn)布置水電站樞紐滲流場的變化,將影響到拱壩的基本荷載、壩基的沉降變形和壩肩巖體穩(wěn)定性。通過對實(shí)測滲流滲壓資料進(jìn)行定期檢查分析,對壩基和壩肩穩(wěn)定安全分析評價具有重要意義。為了對二灘水電站拱壩基礎(chǔ)滲流場及左右岸繞壩滲流場進(jìn)行較深入的分析評判,對實(shí)測滲流滲壓資料進(jìn)行較系統(tǒng)的計算分析。拱壩地基及抗力體范圍共設(shè)有21個滲壓測點(diǎn),沿壩基縱向布置成三排,第一排設(shè)置在防滲帷幕之后,共4個測點(diǎn),分別為PZ01、PZ09、PZ13、PZ17,目的在于檢驗(yàn)防滲帷幕效果;第二排滲壓測點(diǎn)布置在壩基排水區(qū),共10個測點(diǎn),目的在于校核壩基排水對降低滲壓的作用;第三排滲壓測點(diǎn)位于壩趾附近,共5個測點(diǎn),觀測壩基、壩后及水墊塘排水對壩基滲壓的綜合影響。壩基滲壓測點(diǎn)布置見表2。壩基帷幕后布置的滲壓測點(diǎn)PZ01、PZ09、PZ13滲壓實(shí)測值與庫水位的過程線如圖4所示。測值過程線表明,各部位壩基滲透壓力變化與庫水位變化密切相關(guān),相關(guān)系數(shù)為0.95左右,基本呈略有滯后的周期性變化。設(shè)在第一排帷幕后壩基排水區(qū)之前的各測點(diǎn),測得的是帷幕本身的防滲效果,滲壓水頭折減系數(shù)在0.17～0.38之間變化。其余各測點(diǎn)滲壓計位于排水區(qū)之后,各測點(diǎn)滲壓水頭折減系數(shù)均在0.14～0.21之間變化。監(jiān)測數(shù)據(jù)和排水區(qū)幕前后的滲壓水頭折減系數(shù)表明,防滲帷幕防滲效果顯著,排水對削減滲透壓力有很好的作用,防滲效果滿足設(shè)計控制值和規(guī)范要求。3壩體最大主壓應(yīng)力《混凝土拱壩設(shè)計規(guī)范》(DL/T5346-2006)中將應(yīng)力作為衡量拱壩強(qiáng)度安全的主要標(biāo)準(zhǔn),并規(guī)定對于壩高200m以上的高壩,應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)作專門研究?！痘炷翂伟踩O(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(DL/T5178-2003)規(guī)定大壩級別為一級的混凝土壩應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。二灘拱壩按一拱一梁布設(shè)儀器進(jìn)行應(yīng)力監(jiān)測,重點(diǎn)觀測1124m左右高程拱圈和拱冠梁及附近壩段?，F(xiàn)針對拱冠壩段(27壩段)實(shí)測主應(yīng)力的分布和變化規(guī)律進(jìn)行分析。SS28、SS29測點(diǎn)主應(yīng)力變化過程線見圖4、圖5。六支應(yīng)變計組SS28、SS29分別位于27#壩段1123.5m高程壩段壩基附近的中部和下游面處。六支應(yīng)變計組SS28位于1123.5m高程壩段中部,主應(yīng)力均為壓應(yīng)力,最大主壓應(yīng)力隨時間變化過程如圖4所示。2000年10月～2005年11月期間,SS28最大主壓應(yīng)力在-4.2～4.8MPa之間變化,均在設(shè)計控制值(基本荷載組合,最大主壓應(yīng)力不超過6.75MPa)范圍內(nèi),與庫水位相關(guān)系數(shù)r為0.68,水位升高,最大主壓應(yīng)力增加,水位降低,最大主壓應(yīng)力減小,最大主壓應(yīng)力隨時間的逐步緩慢增加,總體趨勢逐步收斂。三支應(yīng)變計組SS29位于27壩段1123.5m高程下游面,出現(xiàn)拉應(yīng)力,主拉應(yīng)力在從1999年底的約0.39MPa逐步增加到2003年-2005年的1.17MPa左右,呈現(xiàn)隨庫水位升降的周期性變化,最大主拉應(yīng)力未超過設(shè)計控制值(不超過1.20MPa)范圍。發(fā)生拉應(yīng)力部位表面和物探檢測均未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。壩體的實(shí)測應(yīng)力由應(yīng)變計組的應(yīng)變轉(zhuǎn)換計算獲得,其成果可靠性受儀器埋設(shè)的時間、基準(zhǔn)值的選取、混凝土應(yīng)力的計算、混凝土徐變度的計算、混凝土彈模值的選取以及測值的穩(wěn)定可靠性等因素的影響。在實(shí)測應(yīng)力計算過程中,大壩混凝土線膨脹系數(shù)、彈性模量、徐變度均統(tǒng)一取值,不能完全合理地反映測點(diǎn)所在部位分區(qū)混凝土的特性,因而會帶來實(shí)測應(yīng)力計算誤差。大壩分區(qū)混凝土自身體積變形是實(shí)測應(yīng)力計算的關(guān)鍵參數(shù),而壩內(nèi)埋設(shè)安裝的無應(yīng)力計所反映的自身體積變形與大壩混凝土試驗(yàn)成果不完全一致,因此實(shí)測應(yīng)力計算成果中存在一定的不確定性。結(jié)合國外契爾蓋拱壩、英古里拱壩等實(shí)測壩體最大主應(yīng)力情況,目前雖然二灘大壩上下游面典型測點(diǎn)個別部位出現(xiàn)較大的壓應(yīng)力和拉應(yīng)力,但均未超出原設(shè)計應(yīng)力控制標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范值,各測點(diǎn)實(shí)測應(yīng)力目前未發(fā)生明顯的發(fā)散變化,基本呈穩(wěn)定的變化趨勢,發(fā)生較大拉應(yīng)力部位表面和物探檢測均未發(fā)現(xiàn)任何裂縫。因此,結(jié)合大壩變形、滲流滲壓以及巡視檢查的分析成果,第二次安全定檢結(jié)論認(rèn)為大壩的運(yùn)行安全可以得到保證,各項(xiàng)工作狀態(tài)正常。4壩體防滲效果二灘電站自1998年5月1日下閘蓄水至今已正常運(yùn)行了十年,拱壩經(jīng)歷了10次完整的加卸載循環(huán)過程,也經(jīng)歷了多次洪水考驗(yàn),期間運(yùn)行在1199m～1200m高程蓄水位累計達(dá)到496天,拱壩經(jīng)受了較長時間的設(shè)計正常蓄水位考驗(yàn),目前工作性態(tài)正常。通過對拱壩變形、滲壓、應(yīng)力實(shí)測數(shù)據(jù)的分析,可以表明拱壩位移監(jiān)測成果合理正確地反映了拱壩的受力性態(tài),測點(diǎn)量測值基本在設(shè)計預(yù)測范圍內(nèi)。各測點(diǎn)實(shí)測位移,隨庫水位、溫度和庫盤的作用,其變化趨勢和規(guī)律合理,拱壩水平變位總體正常;壩體1090m高程及其以下測點(diǎn)的垂直變位總體上為趨于穩(wěn)定的沉降變化規(guī)律;拱壩垂直變化基本趨于穩(wěn)定,拱壩垂直變位工作性態(tài)總體正常。壩踵屬沉陷變形和回彈變形,處于壓緊或接觸未脫離狀態(tài)。壩體與壩基之間,沒有相互脫離張開和相對滑動的跡象。壩基總體變形是向下沉陷,不存在拱壩沿建基面向上滑移的趨勢。實(shí)測滲壓成果分析表明拱壩壩基的防滲帷幕防滲效果顯著,拱壩的防滲、排水對壩肩作用十分顯著,好于設(shè)計預(yù)期效果,防滲帷幕和各種排水設(shè)施,均達(dá)到并好于設(shè)計預(yù)想效果,繞壩滲流較好地得到