2　安全监测系统布置

　　铜街子水电站枢纽工程地质条件十分复杂、坝型多样,为了能及时了解和掌握大坝工作状况,监测大坝安全运行以及检验设计和施工中采用新技术后运行的效果如何,因此,该工程布置了较为系统的安全监测设施。

2.1　变形监测

2.1.1　平面监测网
　　用引张线和视准线方法进行监测,该法是以倒垂线作为基准点的,为监测两条倒垂线锚固点的稳定性,布置了平面监测网。该网由8点组成较强的边角网,编号为T₀₁～T₀₈,其中T₀₃、T₀₈两点是和正倒垂线相联系的观测墩,设在坝顶引张线的同一位置上。
　　边角网的边长是用DI₂₀₀₀测距仪观测,角度用T₃₀₀₀电子经纬仪观测。要求测角中误差≤0.7″。
2.1.2　坝顶及廊道的水平位移监测
　　大坝的水平位移监测包括坝体倾斜和滑动引起的水平方向的变形测量,分别采用以下办法进行监测。
2.1.2.1　引张线法
　　在N₄～N₂₀坝段之间的坝顶处及高程423.00m观测廊道内分别设有引张线,以观测坝体顶部及基础部位的水平位移。两端点用倒垂线控制。
2.1.2.2　视准线法
　　在坝顶引张线两端的延长线上,各设有一条视准线,分别观测N₁～N₄、N₂₁～N₂₄坝段坝顶的水平位移。右岸堆石坝的水平位移测量,是由设在坝顶上下游坡的3条视准线观测。视准线法采用活动觇标固定端点设站法观测。水平位移观测精度包括受大气折光影响因素,定为±1mm。
2.1.2.3　不观测定向角的精密导线法
　　左岸堆石坝的水平位移量测是由坝顶及下游马道处的两条不规则定向角的精密导线法观测。折角用T₃₀₀₀电子经纬仪观测,边长用DI₂₀₀₀测距仪观测。水平位移量测中误差均应＜2mm。
2.1.3　坝顶及廊道的垂直位移监测
　　垂直位移观测亦称沉陷观测。用N₃精密水准仪按一等水准测量的操作规程进行观测。
2.1.3.1　基准点观测
　　Ⅰ等水准环线由水准基点、工作基点、位移测点等三级点所组成。水准基点组设在大坝下游2.2km处,在1号坝段右岸灌浆廊道内各设2个工作基点。环线全长7.7km,经估算两组工作基点测量中误差分别为±0.96mm和0.98mm。达到了规范规定的≤±1mm的要求。
2.1.3.2　位移监测点的布置
　　在坝顶及廊道内布置有位移监测点,组成以左右岸工作基点为起闭点的水准网。一般在每个坝段坝顶及廊道内都设有测点,另外,在厂房、溢流坝、筏闸两侧及下游部位增设了若干测点,以了解坝体倾斜变化情况。为保证与提高垂直位移的观测精度,在N₄坝段,1号坝下游处设有高程传递孔,采用铟瓦带尺将坝顶高程传到廊道测点处,以减少环线长度,提高观测精度。
2.1.4　左岸堆石坝混凝土防渗墙及明渠挡墙变形监测
　　为了解左岸堆石坝基岩深埋谷基础防渗墙与明渠挡墙墙体的应力状态及变形情况,在1号、2号墙体内布置了两根测斜管,采用美国西雅图测斜仪公司生产的数字式测斜仪进行观测。为了解防渗墙与明渠挡墙之间的相对位移,在挡墙436.00m高程的灌浆廊道以及混凝土防渗墙上共布置了4个位移测点,这样可以分别观测混凝土防渗墙和明渠挡墙的位移及相对位移。另外,在防渗墙内埋设了应变计、钢筋计,无应力计等监测仪器。
　　墙体既能防渗又能承重是水电建设地下连续墙中一种新的结构型式。是国家“六五”科技改关“深厚复盖层建坝研究”中的一项课题。“观测设计及仪器埋设研究”是其中的一项子课题。为此目的,需通过对埋设在墙体内的监测仪器的原型观测资料进行分析,可以进一步了解墙体的实际工作状态,为保证墙体安全运行,完善设计理论提供了重要依据,也为推动防渗墙施工技术的发展,奠定了基础。
2.1.5　左岸堆石坝钢筋混凝土面板变形监测
　　在左岸钢筋混凝土面板堆石坝上游与导流明渠混凝土左挡墙联接处,和堆石坝上游坡面处,采用钢筋混凝土面板防渗。由于堆石坝座落在深厚覆盖层上,为及时了解面板与面板、面板与左挡水坝段、面板与明渠挡墙之间在相对3个方向上,坝体可能发生不均匀沉陷后所引起的相互间变形,确保工程安全运行,需要在面板的周边缝、伸缩缝上共布置10组3DM-20型大量程三向测缝计。布置详见图1。

图1　左岸堆石坝钢筋混凝土面板观测仪器平面布置图

2.2　渗流监测

　　渗流监测包括坝基扬压力测量、坝体渗透压力测量、坝体和坝基渗流量测量、水质分析,以及土石坝的坝体浸润线监测等内容。坝基渗流量测是比较复杂的问题。铜街子电站坝区地质条件十分复杂,左右深槽和不同角度的多条断层互相交会,且有沿水流方向的C₄、C₅水平向层间软弱夹层等构成了控制大坝抗滑稳定的主要影响因素。坝基存在结构复杂的渗流场,地下水又具有明显的承压特性。因此基础处理及大坝抗滑稳定是铜街子水电站设计和施工的重点研究内容。
2.2.1　坝基渗流量监测
　　坝基渗流量的测定是以量测单孔涌水量为主,采用容积法监测。部分坝段设置量水堰进行监测。为监测坝基渗流量,在各坝段灌浆廊道内设置了一排主排水孔,在坝下游纵向廊道内N₅～N₉坝段设一排副排水孔,在N₁₀～N₁₃、N₁₅～N₁₉坝段设两排副排水孔,另外在N₅、N₆、N₉、N₁₃、N₁₅、N₁₆、N₁₈、N20坝段横向廊道内设一排副排水孔。为监测各坝段间的总的坝基渗流量,分别在以下部位设置量水堰。N₄坝段是监测该坝段以左4个坝段和左岸堆石坝;N₁₀坝段是监测N5～N₁₀坝段;N₂₀坝段是监测N₂₀坝段以右及右岸堆石坝段;N₁₄坝段是监测4个厂房坝段内第一排排水孔渗流量。N₂₀坝段设集水井量水堰是监测厂房坝段第一排排水孔和右岸堆石坝以及N₁₅～N₂₃坝段间总的渗流量。
2.2.2　坝基扬压力监测
　　坝基扬压力监测的目的是了解防渗帷幕灌浆效果,如坝基扬压力超过设计允许值,将会直接危及大坝安全需采取工程措施。设计时坝基扬压力计算采用如图2所示图形。

图2　坝基扬压力计算图形

　　坝基扬压力监测以布置在纵向各坝段灌浆廊道中部帷幕灌浆线后和重点坝段横向处,主要是以布置测压管为主,这样便于读取压力表压力值,进而可以计算扬压力值。具体布置为:在N4～N₂₁各坝段廊道中部设一测压管,在N₁₀、N₁₃、N₁₅、N₁₇、N₁₉坝段的第2～4排排水廊道内,各增设2～3个测压管,总共设测压管33个。另外在N₁₇坝段中间剖面位置布置5支渗压计,了解三排排水孔的涌水压力,用以监测和判断防渗帷幕的防渗效果和排水孔的排水效果。

2.3　水质分析和水温监测

　　水质分析和水温监测的主要目的是了解大坝蓄水后,排水孔涌水的水质和水温所发生的变化。通过对排水孔的涌水分析,可以与库区水进行水质对比和温差对比,查清水源,即涌水是库区水,浅表水,深部承压水,还是混合水?这样便于了解大坝基础帷幕灌浆的防渗效果是否达到设计要求。
　　水质分析的项目有:PH值、钙、镁、钾、钠、氯离子、硫酸根离子、重碳酸根离子、碳酸根离子和硫化氢等项目。其中,对硫化氢需现场取样固定,才能进行室内分析。另外,还需对大坝基础开挖后基坑进水,库水位在不同高程时的库水取样进行水质分析。
　　对水质分析一般采用综合评价方法,即用实测离子的浓度与标准离子浓度之比,此比值定为单因子评价指数,它表示离子浓度的变化大小,数学表达式为:

　　综合评价指数取单因子评价指数的平均值,其表达式为:

式中　K_i为单因子评价指数;P为综合评价指数。深部承压水为1,河水为0.43,浅部地下水为0.54。接近此数字即为合格值。
　　此外,选取部分有代表性的排水孔,分别盐化单孔地下水,随即多测次测试井液视电阻率,点绘出孔深与井液视电阻率值变化的关系曲线,以探测和判别孔内的涌水位置。
　　库区水和排水孔涌水的水温监测方法为:在同一观测时间内,对大坝蓄水前后库水水温及坝基排水孔涌水水温进行监测。通过对两种水温的对比,可以查明判别地下水的补给来源情况。根据地勘资料,深部地下水水温一般在20℃左右,不同深度的库水位水温是通过埋设在N₁₇溢流坝段坝体表面的5支温度计观测得到的,一般深部水温约在8.5～11℃之间变化。地下水温又可通过两种办法观测得到,一是对排水孔涌水水温量测;二是通过埋设在N₁₇溢流坝坝基不同深度的4支温度计观测的。

2.4　坝体内部观测

　　内部观测设计的主要目的是监测水工建筑物的运行安全情况,指导工程施工、验证设计并为“六五”、“七五”国家科技攻关的科研提供资料。共设观测断面24个。分别在左岸堆石坝防渗墙。1号坝,N₃、N₄、N₁₀、N₁₃、N₁₇、N₂₀坝段、筏闸及右岸堆石坝钢筋混凝土心墙内,共埋设各种观测仪器,以便对坝体温度、应力、应变、接缝开合度、钢筋应力、坝基变形、坝基扬压力、面板变形等项目进行一系列观测。其中以防渗墙左岸堆石坝面板、N₁₀、N₁₃、N₁₇坝段作为典型坝段进行监测和今后的观测资料分析。
2.4.1　坝体应力应变观测
　　在1号坝、左岸钢筋混凝土面板堆石坝、防渗墙、N₄、N₁₀、N₁₃、N₁₇等坝段布置了单向、双向、三向、五向、九向应变计组和无应力计等仪器,以量测和了解坝体应力分布规律、从而可以和有限元计算成果加以比较。在N₁₀、N₁₃坝段坝踵、坝址处布置压应力计,以便监测坝踵、坝址处混凝土压应力变化情况。
2.4.2　坝体温度观测
　　为了解由于混凝土水化热、水温、气温等在坝体内部的分布变化情况,在1号坝、N₃、N13、N₁₇等坝段布置了电阻温度计及差动电电阻式仪器进行观测。对N₁₇坝段作为碾压混凝土筑坝攻关科研研究对象,专门在该坝段内设置3个观测断面,除坝体中间部位设置了各种差动电阻式仪器观测坝体温度外,另外,在两侧各设1个断面,分别布置差动电阻式温度计。这样可以充分了解碾压混凝土坝体内温度分布规律和坝体温度场与有限元计算结果相比较,以便为今后碾压混凝土筑坝技术提供科学依据。
2.4.3　钢筋应力观测
　　在1号、2号混凝土防渗墙、右岸堆石坝钢筋混凝土心墙、N₁₀、N₁₃厂房坝段的进水口及尾水管附近、筏闸各坝段布置钢筋计,以观测和了解这些部位的钢筋受力情况,并结合钢筋计附近布置的应变计、无应力计等所测定的观测资料,可以分析结构的受力状况。
2.4.4　接缝开合度观测
　　在N₄、N₁₇、N₂₀碾压混凝土与常态混凝土口卸接处布置裂缝计,以便了解两种介质的粘合情况。在N₁₀、N₁₃坝段的临时施工缝、厂坝宽槽等接缝处布置测缝计,以便了解接缝开合度。
2.4.5　基础变形观测
　　在N₁₃、N₁₇、N₂₀筏间等坝段基岩与混凝土接触面处及基础面以下,布置了用测缝计和应变计改装的基岩变形计、基岩应变计,以监测基岩与混凝土接触面和基岩的变形受力情况。另外,在N₁₃坝段集水井下与C₅夹层交接处,埋设错动变形计2支,以监测C₅夹层上下盘的错动情况。N₁₀、N₁₃坝段观测仪器布置见图3,图4。

图3　N₁₀坝段(1号机)观测仪器布置图

图4　N₁₇坝段(3号溢流坝)观测仪器布置图

2.5　水库诱发地震监测

　　铜街子水电站库区周围地质情况复杂,坝区内出露地层主要为上二迭系峨眉山玄武岩和沙湾组页岩。坝区为峨眉山玄武岩,总厚度约200m。由5层喷溢轮回形成5大层,坝基在第五层上。除第二层较薄以外,其余各层层厚为30～60m。各大层的特点是:顶部是较软弱的凝灰岩和中等坚硬的玄武岩,中、底部为硬玄武岩。沙湾组砂页岩系一套内陆湖沼相沉积,总厚度为150m,为砂页岩互层,其间常夹有薄煤层、煤线及不稳定之铁质富集层、岩性、岩相变化很大。粘土岩、页岩质地软弱,易风化崩解,砂岩因胶结结构不同而造成软硬差异较大。
　　库坝区的这些岩性特征是水库诱发地震产生的基本因素。自1992年4月5日施工导流底孔封堵开始蓄水以后,随着库水位的增高,库坝区地震活动的频度和强度逐渐增加。为了更好地监测库坝区的这些地震活动,先后组织了三期地震监测台网的监测。分别布置在不同地方,采用了不同型号的监测仪器。
　　综上所述,1994年4月,原水利电力部成都勘测设计研究院水工一处承担了铜街子水电站拦河坝安全监测原型观测资料分析任务,并于1995年10月提交了总报告。本文系根据上述报告内容,主要介绍原型观测的设计部分。有关原型观测资料的分析部分将另撰文阐述。

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