刘春涛

(盘锦河海土木工程咨询有限公司,辽宁 盘锦 124000)

0 引 言

为了确保水利工程建设施工质量以及水利工程后续的安全运行,要充分做好水利工程中的大坝变形监测,并根据监测结果,制定适宜的维护策略[1]。据统计,我国已建大坝超过10万座,但自1954-2009年就有3 504座水库溃坝,其中较为严重的是1975年河南板桥水库溃坝,导致重大的人员伤亡和巨大的经济损失,在大坝安全管理中造成严重影响[2]。针对大坝安全性能问题,20世纪50年代我国开始了最早的水库大坝监测,包括水平位移、垂直位移和降低浸润线等项目,较大程度上保障了水库安全,也为水利事业的进一步发展提供了技术依据。

本文通过对某水库大坝的表面观测,对大坝的位移变化进行监测、计算,并对监测数据进行分析处理,得出大坝位移的年变化率。研究数据监测方式采用自动化检测技术、光纤传感技术、CT技术、测量机器人等,这些新型技术精确、稳定、可靠[3]。研究成果可为类似大坝变形监测提供参考与借鉴。

1 项目概述

1.1 工程概况

本文所研究的水库为小(I)型水库,水库所在地区有农村公路贯穿,外运方便。大坝为混凝土面板堆石坝,大坝高程866.5m,最大坝高61m,坝顶长245m,坝宽8m,坝顶上游设置高2.65m的T形防波堤,上游坝坡1:1.40,下游坝坡1:1.40,下游坝坡长845 m,高程825m,设置宽2m护堤,坝底最大宽度202.33m,上游混凝土防渗板厚0.45m,垫层面积3 m,垫层区后设置过渡区,水平宽度4m,主要堆石区为过渡区。下游为次堆石区,下游坝面为混凝土预制块护坡,面板与河床及两侧基础的接口处设底板,底板厚0.5m,宽5m。

1.2 观测资料精度指标

根据相关规程规范,结合本工程水库大坝实际情况,平面位移监测按《国家三角测量规范》(GB/T 17942-2000)中的三等三角网要求执行[4],沉降监测按《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006)二等水准测量要求执行[5]。

从2020年11月15日至2021年11月1日,共计监测12次,观测误差及规范允许误差统计见表1。

表1 观测误差和允许误差

1.3 采用的仪器与设备

1.3.1 主要仪器及设备

见表2。

1.3.2 仪器使用规范

所有测绘仪器均在检验合格有效期内使用,且测量仪器需由专人保管。施工回来时,要仔细清点,避免遗失和损坏。

1.4 大坝外部监测点位

在一年的观测时间阶段,分别对1#、2#、3#进行观测,然后根据观测结果进行分析。

2 大坝变形监测实施

针对某水库大坝的变形问题,定期开展大坝在水平面和垂直面上的实际水平位移量与沉降量监测。对大坝外部分别进行蓄水前和蓄水后两种情况的水平位移和垂直位移监测,并得出监测结果。

2.1 监测方法

2.1.1 水平位移监测方法

根据教学设计及相关技术规程规范,对大坝外部进行变形监测,坝体水平相对位移采用的方法是交汇测量法。

在水库坝顶和下游斜坡上布设两个视准线,共4个视准线,观测水库的水平位置。在水库左右边缘设置8个水平位移基准点,形成二级边角网,测定观测室和检测点的位置。基准网、监测点观测分别按照《水利水电工程测量规范》(SL 217-2013)中的二等、三等精度要求执行。水平位移观测数据由徕卡TS50测量机器人自动观测,采用徕卡公司DAM数据处理软件,对边长进行加常数、乘常数、温度、气压、大气折光、地球曲率高程投影等改正,然后由《科傻地面控制测量数据处理系统》对观测数据进行平差计算,并打印成果及精度。水平位移监测网坐标系统采用独立坐标系统,高程由坝顶高程联测而得。

边长改正参数如下:加常数a=0.73mm,乘常数b=-2.03,折光系数k=0.1,地球曲率半径R=6378245m,投影面高程为635m。

2.1.2 垂直位移监测方法

坝顶垂直位移采用的方法是精密水准测量法。

根据水库大坝现场实际情况,在距离大坝1.5km的水库下游外基岩上埋设3个水准点,组成水准基点组(点号分别为LE1、LE2、LE3),在大坝左右岸分别埋设工作基点2个(点号分别为BM1、BM2),通过水准基点组校核工作基点的稳定性,日常观测从工作基点进行引测。大坝垂直位移观测点均与水平位移观测点组成综合位移观测点,垂直位移观测按照《国家一、二等水准测量规范》(GB/T 12897-2006)中的二等精度要求执行。垂直位移观测数据由电子水准仪自动记录的数据导入到计算机上,经整理后使用《科傻地面控制测量数据处理系统》进行计算,并打印精度和成果。

2.2 监测点初始观测

记录各初始监测点的位置数据,为后期的观察做好铺垫。

2.3 监测点位下闸蓄水后观测

2020年1月中旬某水库下闸蓄水,2020年11月15日至2021年11月1日开始进行大坝外部变形监测。2020年11月15日至2021年11月1日,每月对大坝进行一次监测,共计对大坝外部进行12监测,并对每期观测结果进行记录。

2.3.1 水平位移监测

见表3、表4。

表3 某水库水平位移第一次监测成果表

表4 某水库水平位移第十二次监测成果表

2.3.2 垂直位移监测

见表5、表6。

表5 某水库垂直沉降第一次监测成果表

表6 某水库垂直沉降第十二次监测成果表

3 数据处理

观测数据通过电子水准仪和全站仪自动记录的数据导入计算机,然后使用《科傻地面控制测量数据处理系统》进行自动计算,将计算成果导出。

3.1 水准网平差

见表7。

表7 水准网平差结果表

3.2 二维网平差计算

见表8、表9。

表8 近似坐标

表9 平差后坐标

4 监测数据分析

4.1 混凝土面板堆石坝表面变形观测资料分析

坝顶测点编号依次为LD01-LD10,其中LD01-LD05为坝顶内侧,LD06-LD10为坝顶外侧,LD11-LD15为马道测点。水平位移符号规定:向下为正,向上为负;向左岸为正,向右岸为负。对水库坝顶的内侧和外侧进行检测记录。

本次观测资料从2020年11月15日至2021年10月30日,观测次数为每月一次,共计12次。

1)主要研究结果:根据各测点的位移规律分布,坝顶测点、马道测点的累积位移向下游移动,且随着坝面高程的增加,位移增大,符合一般混凝土面板堆石坝的变形规律。大坝进行左右位移变幅较小。

2)从每个测量点的位移方向来看,坝顶点、马道测点的位移方向基本相同,显示出位移变化的整体性,且各位移点相邻点的相对位移变化较小,因此大坝水平位移的整体变形协调性较好。

3)从各测点变化的主要影响因素来看,上游水库水位的升降对实测的坝体水平位移有一定的影响。库水位不断升高,测值增大,坝体向下游水平位移逐渐增大;水库水位降低,则测值减小,坝体向下游进行位移减小。

4)根据各测点的变化趋势图,点位位移无明显变化,年变化率也较小,位移相对变化平缓。

4.2 水平位移观测资料特征值分析

对大坝表面进行水平位移观测发现,坝顶向上游和向下游的位移最大值均集中在中间部分,其中最大为11mm,最小为2mm。由此可见,位移进行变形的最大水平位移点一般发生在坝顶中间坝段,整体的位移量和年变幅均较小,堆石体变形结构状态正常。

4.3 竖向位移观测资料分析

测点观测时间为2020年11月15日至2021年10月30日。各测点的垂直位移符号规定:向下为正,向上为负。

4.3.1 变形规律分析

大坝垂直位移量会随着时间的推移而逐渐增大,增大至一定峰值后又逐渐降低,最后趋于稳定。2021年4月,完成了对大坝的大部分沉降监测(2020年11月至2021年4月完成沉降量2～16mm)。2021年4-10月坝体沉降明显减小,一般在-0.05～2mm。随着时间的推移,坝体沉降将逐步趋于稳定,建议加强观测。相邻测点间不均匀沉降一般在1mm左右,整体变形协调良好,坝体出现裂缝的可能性较小。

4.3.2 竖向位移观测资料特征值分析

见表10。

表10 坝体表面竖向位移观测资料特征值表

由表10可知,截至2021年10月底,最大沉降量相对较小,分布在坝顶中间部位,坝顶两端沉降逐渐趋于减小。

5 结 论

通过对某水库大坝外部的监测,分析水平位移量和垂直位移量的变化规律。结论如下:

1)坝体表面邻近观测点的相对位移变化不明显,坝体水平位移总体变形协调性好,变形相对较小。各测点处位移无明显发展趋势性变化,年变化数据速率较小,位移发生变化平缓。

2)大坝的垂直位移量会随着时间的推移逐渐增大,但随着时间的推移,坝体沉降逐步趋于稳定。2021年4月,完成大坝大部分沉降量的监测(2020年11月至2021年4月完成,沉降量变化值为2～16mm)。2021年4月之后,坝体沉降速率明显减小。截至目前,坝顶最大沉降量为42.01 mm,为最大坝高的0.069%。