黔中水利樞紐水源工程平寨水庫大壩安全監(jiān)測設計

黔中水利樞紐水源工程平寨水庫大壩安全監(jiān)測設計在分析了喀斯特地區(qū)深切峽谷高面板堆石壩的特點基礎上進行了大壩安全監(jiān)測設計，對監(jiān)測布置進行了詳細介紹，對該類地形地質(zhì)條件修建的面板堆石壩除按規(guī)范規(guī)定設置安全監(jiān)測項目進行儀器布置外，堆石體變形、面板接縫、帷幕防滲效果安全監(jiān)測也是安全監(jiān)測的重點，并有針對性地布置觀測儀器，切實起到監(jiān)測工程安全的目的。關鍵詞:大壩安全監(jiān)測;設計;內(nèi)部變形;面板接縫;黔中水利樞紐1概述黔中水利樞紐是一座以灌溉、城鄉(xiāng)供水為主，兼顧發(fā)電等綜合利用，并為改善區(qū)域生態(tài)環(huán)境創(chuàng)造條件的大型水利基礎設施項目，由水源工程(平寨水庫)、灌區(qū)工程、貴陽市供水和安順市供水工程等組成。平寨水庫壩址位于三岔河中游平寨河段，水庫總庫容10.89億m3。工程等別為Ⅰ等，屬大(1)型工程。水源樞紐工程由大壩、洞式溢洪道、泄洪放空洞、引水發(fā)電系統(tǒng)、地面電站廠房、灌溉引水隧洞及渠首電站等建筑物組成。大壩為混凝土面板堆石壩，壩頂高程1335.0m，最大壩高162.7m，壩頂長363m，上游壩坡(面板下游側(cè))為1∶1.4，下游平均壩坡為1∶1.536。大壩剖面見圖1。圖1黔中水利樞紐水源工程平寨水庫大壩剖面結(jié)構(gòu)示意圖壩址河段以低中山喀斯特峽谷地貌為主，河谷橫斷面一般呈較對稱的“V”字形，河床高程1183.2～1186.9m，自谷底至1360m高程，兩岸地形坡度40°～50°，局部為陡崖，自峽谷頂部(1360m)以上一般為緩坡平臺及開闊槽谷地形。壩址巖層傾向上游或下游，從背斜核部向兩翼依次出露地層巖性為T1y上部紫紅色、灰黃色、黃綠色厚層砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖;中部灰色、淺灰色中厚層灰?guī)r夾少量砂泥巖;下部紫紅色、灰黃色、黃綠色厚層砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖。巖層傾角北陡南緩，壩區(qū)大部分巖層傾角為15°～25°。本工程大壩地處喀斯特發(fā)育的深切河谷中，與常規(guī)的面板堆石壩比較，壩體沉降的拱效應使堆石體施工期的沉降往往較小，而變形穩(wěn)定的時間卻較長，這也導致了面板的工作性態(tài)極為復雜，面板豎直縫受拉或受壓區(qū)域不明確，設計計算也難以準確模擬，直接影響了工程的運行安全。加之工程區(qū)的喀斯特極為發(fā)育，有KS3、KS4和KS8等喀斯特系統(tǒng)分布，防滲處理的效果也是工程成敗的關鍵，對防滲效果的觀測也是工程重點內(nèi)容。因此，設置大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)客觀反映壩體、面板的工作性態(tài)，施工期控制施工質(zhì)量，運行期監(jiān)控安全，并為該類地形地質(zhì)條件上修建高面板堆石壩的設計、施工總結(jié)經(jīng)驗，提高設計、施工水平，是十分必要的，特別是對堆石體的變形、面板接縫、防滲效果觀測是該工程安全監(jiān)測設計的重中之重。2大壩安全監(jiān)測設計的原則平寨水庫大壩安全監(jiān)測設計遵循的原則如下:(1)監(jiān)測目的應明確，既突出重點，又兼顧全面。以監(jiān)控工程的安全為主要目的，兼顧為設計積累資料，對面板接縫、防滲效果針對性地布置監(jiān)測儀器。(2)監(jiān)測項目的選定應從施工期、首次蓄水期、運行期全過程考慮，相互兼顧，將結(jié)構(gòu)設計關注的重點也作為觀測設計的重點。(3)監(jiān)測儀器設備應具有耐久性、穩(wěn)定性、適應性，并滿足精度要求，同時也為后期接入自動化系統(tǒng)提供方便。(4)監(jiān)測儀器布置合理，除按有關規(guī)范外，還結(jié)合工程具體情況進行監(jiān)測設計。3監(jiān)測項目根據(jù)規(guī)范規(guī)定、工程地質(zhì)條件、大壩結(jié)構(gòu)特點等選定監(jiān)測項目，見表1。表1黔中水利樞紐水源工程平寨水庫大壩安全監(jiān)測項目匯總△項為工程監(jiān)測的特別關注項目。4監(jiān)測布置4.1監(jiān)測控制網(wǎng)監(jiān)測基準網(wǎng)包括平面位移控制網(wǎng)和精密水準控制網(wǎng)，是工程樞紐變形觀測的基準。工程規(guī)模為大(1)型，采用一等平面監(jiān)測基準網(wǎng)和一等精密水準基準網(wǎng)。4.1.1平面位移監(jiān)測基準網(wǎng)由左岸4個控制點、右岸4個控制點共8個控制點組成多個四邊形，為一等邊角全測基準網(wǎng)。估算測角中誤差為0.54″，最弱點位中誤差1.61mm，最弱邊相對中誤差為1/35.3萬，方向觀測和邊長觀測的可靠性因子(γ)均大于0.2，滿足國家一等三角網(wǎng)的精度要求。4.1.2垂直位移監(jiān)測基準網(wǎng)在大壩右岸下游約2.5km的村寨附近基巖埋設1組水準基點(3個固定點)。沿右岸上壩公路經(jīng)交通洞、大壩壩頂、大壩下游面公路到廠房公路橋，沿河邊施工公路再閉合到水準基點上，全長約9km。沿途設6個聯(lián)系點(水準點)，進行往返觀測。要求觀測精度為每公里偶然中誤差m△不超過0.45mm，每公里全中誤差mw不超過1.0mm。4.2壩體表面變形監(jiān)測壩體表面水平位移采用視準線法，沉降觀測采用精密水準法，共布置7個橫斷面，9條視準線。視準線L1位于上游壩面1244.0m高程墊層料中，測點4個;視準線L2位于Ⅰ期面板頂部，測點4個;視準線L3位于壩頂上游面墊層料頂部，測點7個;視準線L4位于壩頂上游面面板頂部，測點7個;視準線L5位于壩頂下游側(cè)，測點7個。下游壩坡布置4條視維線:視準線L6位于高程1303.64m，測點6個;視準線L7位于高程1273.64m，測點4個;視準線L8位于高程1239.0m，測點3個;視準線L9位于高程1204.0m，測點3個。下游壩坡的視準線均通過下游永久觀測房，在觀測房頂設1個標點，觀測其水平位移，測點共計45個，其中視準線L1、L2、L3為施工期觀測，收集施工期上游壩坡的變形結(jié)果，L1、L3布置于墊層料中待面板開始澆筑后拆除停止觀測，L2布置于Ⅰ期面板頂部，待水庫蓄水后停止觀測，其余均為永久監(jiān)測。每個測點均設置綜合標點，安裝強制對中基座和水準標點。各條視準線的工作基點建立在視準線的端點，工作基點由平面控制網(wǎng)點校測。水平位移工作基點共計18個。在每條視準線的兩端岸坡各設1個沉降工作基點，對位移標點進行沉降觀測。工作基點穩(wěn)定性利用精密水準網(wǎng)進行校測。4.3堆石體內(nèi)部變形監(jiān)測壩體內(nèi)部變形設置3個橫斷面，分別為橫0-007.5m、橫0+065m及橫0-100m斷面。沉降測點:在橫0-007.5m斷面布設4條測線，高程分別為1204.00，1239.00，1273.64，1303.64m;在橫0+065m斷面布置3條測線，高程分別為1239.00，1273.64，1303.64m;在橫0－100m斷面布置2條測線，高程分別為1273.64，1303.64m。每條測線不同高程的沉降測點布置在同一垂線上，以便確定2測點之間堆石體的壓縮變形模量，總計沉降測點47個。為避免水管式沉降儀的水管形成倒坡，垂直水平位移計條帶預設坡度為1%～3%。水平位移測點:每條測線上從墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)、次堆石區(qū)各布置1個測點，監(jiān)測壩體不同填料及不同高程的水平位移變化情況，測點共35個。4.4大壩滲流滲壓及帷幕監(jiān)測滲流滲壓監(jiān)測分為壩體滲透壓力、周邊縫止水效果、滲流量及帷幕防滲效果監(jiān)測。4.4.1壩體滲透壓力監(jiān)測在壩體最大剖面0-007.50m浸潤面高程布設滲壓計，分別設在面板底部、墊層區(qū)、過渡層區(qū)、主堆石區(qū)以及次堆石區(qū)，以觀測壩基滲壓情況和下游水位變化情況，共計滲壓計9支。4.4.2周邊縫及豎直縫止水效果監(jiān)測在布設測縫計的周邊縫下游墊層料中對應布設坑式滲壓計，以判斷周邊縫止水效果，共計布設滲壓計11支。在壩體最大剖面0-007.50m的1204.00，1239.00，1273.64m面板墊層料中布設坑式滲壓計1支，對面板豎直縫止水效果進行監(jiān)測。4.4.3滲流量監(jiān)測根據(jù)壩址實際的地形和建筑物布置情況，在下游壩腳處設置混凝土截流墻，將壩體及壩基滲水截住后沿著指定位置流出，設置量水堰監(jiān)測壩體和壩基的滲流量。4.4.4帷幕防滲效果監(jiān)測根據(jù)帷幕設計和地質(zhì)情況布置測點，在左右岸各灌漿廊道的帷幕后布設水位孔，并在水位孔內(nèi)設置滲壓計進行觀測。帷幕近端測點布置較密，帷幕遠端較疏，主要布置在不良地質(zhì)情況(如斷層夾泥層、溶洞)等部位。左岸帷幕監(jiān)測布置:在1201.0m高程的ZPD4平洞內(nèi)布置4個滲壓測點，在1244.0m高程的ZPD3平洞內(nèi)布置6個滲壓測點，在1285.0m高程的ZPD2平洞內(nèi)布置5個滲壓測點，左岸測壓孔共計15個。右岸帷幕監(jiān)測布置:在1224.0m高程的YPD3平洞內(nèi)布置2個滲壓測點，在1279.0m高程的YPD2平洞內(nèi)布置3個滲壓測點，在1331.85m高程的YPD1平洞內(nèi)布置1個滲壓測點，右岸測壓孔共計6個。為監(jiān)測各高程廊道滲水的變化情況，在左右岸各高程廊道排水溝內(nèi)布置量水堰計，共布置量水堰計7套。4.5面板撓度及周邊縫、豎直縫開合度監(jiān)測4.5.1面板撓度監(jiān)測選取面板橫0-007.50m作為監(jiān)測斷面，采用電平器進行觀測。根據(jù)應力變形計算成果、面板在竣工期和蓄水期的變形狀態(tài)來布置測點位置，測點間距在加密區(qū)相距高程約5m左右，其他為10m，測點共計20個。4.5.2面板周邊縫、豎直縫開合度監(jiān)測根據(jù)設計計算成果，1/3壩高位置的周邊縫變形相對較大。在河床中部、兩岸起坡處各布設1個測點，在兩岸坡約1/3、1/2、2/3以及岸坡突變及地質(zhì)條件差的部位各布置1個測點，測點的分布覆蓋整個周邊縫。兩岸坡測點采用三向測縫計，河床部位的測點選用兩向測縫計，以監(jiān)測面板和趾板之間的剪切位移、沉降、開合度，共布置兩向測縫計3組，三向測縫計8組。為監(jiān)測豎直縫開合度，判斷縫間的止水設施是否破壞，在1275.3，1295.76，1327，1318.5m高程的不同位置豎直縫布置單向測縫計;因大壩布置于深切河谷中，張性縫與壓性縫的分區(qū)位置與常規(guī)面板壩不同，為掌握豎直縫的分布規(guī)律，故在1295.76m高程每隔2條豎直逢布置1支單向測縫計，以了解面板的工作性態(tài)，單向測縫計共31支。4.5.3面板與墊層料之間脫空觀測根據(jù)面板施工安排，在Ⅰ期和Ⅱ期面板的面板與墊層料之間進行測點布置，主要分布如下:在Ⅰ期面板橫0-007.50m斷面的1204.00，1239.00m高程各布置1組面板脫空計;在橫0+028.00m斷面和橫0-50.00m斷面的1239.00m各布置1組面板脫空計，監(jiān)測Ⅰ期面板與墊層料之間的脫空情況。在Ⅱ期面板橫0-007.500m斷面的1273.64，1327.00m高程各布置1組面板脫空計;在橫0+065.000m斷面和橫0-100.00m斷面的1327.00m高程各布置1組面板脫空計，監(jiān)測Ⅱ期面板與墊層料之間的脫空情況。脫空計共布置8組。4.6面板應力應變選取橫0-007.5m、橫0+065.0m以及橫0-100.0m三個斷面為面板應力應變的觀測斷面，進行溫度應力、鋼筋應力、自身體積變形等項目的觀測。面板混凝土應力觀測應變計組結(jié)合無應力計進行，靠近周邊縫附近采用三向應變計組，其余為雙向應變計組，每組應變計組旁均配1套無應力計。橫0+065.0m以及橫0-100.0m觀測斷面均在1273.64，1303.6，1327.0m三個高程上布置儀器;在橫0-007.5m觀測斷面1213.64，1273.64，1327.0m三個高程上布置儀器。共布置三向應變計組6組，雙向應變計3組，無應力計9套。面板鋼筋應力通過布置鋼筋計進行觀測，在布置應變計組的附近同一高程上布設1組順坡向和水平向的鋼筋計，河床最大斷面鋼筋計按雙層布置，其他斷面以單層布置。同時在Ⅰ期面板的1220.0，1239.0m高程和Ⅱ期面板的1249.0m高程各布設1組順坡向和水平向的鋼筋計，最大斷面處按雙層、雙向布置。鋼筋計共計50支。溫度變化對面板混凝土應力應變影響較大，在橫0-016.0m斷面按下疏上密的原則布設溫度計，運行期同時還兼作庫水溫度監(jiān)測。共布置溫度計13支。4.7堆石體土壓力和接觸土壓力監(jiān)測4.7.1堆石土壓力選取最大壩高斷面(橫0-007.5m)與堆石體變形監(jiān)測同一斷面同一高程，在墊層料中各布置兩向土壓力測點，共計4組兩向土壓力計。4.7.2接觸土壓力選取最大壩高斷面作為堆石體壓力監(jiān)測斷面，在基礎布置土壓力計2支，以監(jiān)測壩基土壓力變化情況。4.8地震監(jiān)測選取最大壩高部位監(jiān)測斷面下游壩面各高程觀測房內(nèi)、壩頂以及兩壩肩的基巖上各布置1個測點，為排除壩體的庫水反饋震動影響，取得壩體實際地震輸入，在大壩下游離壩址350m處的基巖上布置1個測點，共計8套強震儀。5小結(jié)(1)黔中水利樞紐水源工程平寨水庫大壩工程監(jiān)測設計根據(jù)規(guī)范要求，結(jié)合平寨水庫大壩的特點進行，系統(tǒng)地設置了壩體變形、面板接縫、滲流滲壓、應力應變及溫度觀測等項目，能夠滿足實時監(jiān)測工程施工及運行安全的目的。(2)深切峽谷修建的面板堆石壩堆石體變形在施工期較小，但變形穩(wěn)定所需的時間較長，導致面板的工作性