对江西山口岩水利枢纽大坝一期蓄水期安全监测资料分析

江西山口岩水利枢纽大坝一期蓄水期安全监测资料分析谢长江刘菊梅中国水利水电第八工程局有限公司山口岩安全监测项目部摘要：山口岩水利枢纽工程地处赣江一级支流袁河上游的萍乡市芦溪县境内，是一座以供水，防洪为主，兼顾发电、灌溉等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。安全监测包括巡视检查、变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测。关键词：山口岩；安全监测；资料分析0引言山口岩水利枢纽工程地处赣江一级支流袁河上游的萍乡市芦溪县境内，坝址位于芦溪县上埠镇山口岩村上游1km处，距芦溪县城7.6km，距萍乡市30km。是一座以供水，防洪为主，兼顾发电、灌溉等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。山口岩水利枢纽工程包括碾压混凝土双曲拱坝、引水隧洞、发电厂房等。本工程分两期蓄水，一期水库控制蓄水位为210.00m；在具备正常运行条件后，根据工程建设的进展情况，水库水位逐渐蓄至正常蓄水位244.00m。山口岩水利工程枢纽工程于2012年6月21日上午11时许实现一期下闸蓄水。1监测项目及测点布设在大坝选择3个典型监测横断面，桩号分别为0+141.323（A-A）、0+212.724（B-B）、0+070.494（C-C）。安全监测包括巡视检查、变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测、环境量监测。 1.1巡视检查监测巡视检查的项目包括坝体、坝基、坝肩及近坝库岸等部位的巡视检查。巡查检查的项目有变形（包括坝体分缝、坝基岩体及结合面处）、坝面裂缝、滑坡、渗漏等。1.2变形监测（1）位移监测监测方法：坝顶拱座和近坝区岸坡表面的水平位移采用三角形边角网法监测，坝体内水平位移采用垂线法监测；垂直位移采用精密几何水准法监测。（2）接缝及裂缝监测诱导缝监测布置：在碾压混凝土坝的诱导缝之间布设12支裂缝计，每隔一灌区布设一支，均布于灌区中心处。在碾压混凝土坝的诱导缝之间及异种砼之间共布设3支裂缝计。接缝监测布置：碾压砼大坝坝基（肩）砼与基岩接触的边界上共布置9支测缝计。横缝监测布置：在碾压砼坝的横缝之间布设8支测缝计，布于横缝中心处。（3）基岩变形监测在大坝0+141.323、0+212.724、0+070.494断面坝基岩体内各布设2个测点，共设6个测点，测点布于坝底上、下游部位，每个测点钻孔埋设1支10m长的单点式基岩变位计。1.3渗流监测监测横断面测点布置：在每个监测横断面上布置4个测点（共12个测点），从上游往下游测点依次布于：灌浆帷幕前（第1测点）、灌浆帷幕与排水孔之间（第2测点）、排水孔后（第3测点）、坝基下游部位。在每个监测横断面上，于第2、第3测点处将埋设钻孔加深至坝基以下4m，以布设深部渗透压力监测点（共设6个测点）。1.4应力应变及温度监测（1）坝体的应力和应变0+141.323监测断面：在154.5m、174.5m、199.5m高程面上各布置2个测点，在214.5m高程面上游侧布置1个测点，共布7个测点。 0+212.724、0+070.494监测断面：在178.5m、199.5m高程面上各布置2个测点，在214.5m高程面上游侧布置1个测点，共布10个测点。水平监测截面:在154.5m、199.5m、214.5m水平监测截面上，于两端拱座部位的上、下游处各设1个测点，共布12个测点。上、下游测点距上、下游坝面2m，每个测点布设1组五向应变计组及1支无应力计。无应力计布置于对应应变计左侧或右侧，在拱轴方向距应变计组1.5m。（2）钢筋应力测点布置：布设于大坝溢流坝左边墩及中墩支座附近钢筋上及牛腿钢筋上，共14支钢筋计。（3）砼温度及库水温度坝体温度：在0+141.323、0+212.724、0+070.494监测断面上，在布有应变计组各高程处，布置2～3支温度计，共布设温度计27支。水平监测截面：在154.5m、199.5m、214.5m水平监测截面上，于两端拱座部位的应变计组之间各设1支温度计，共布6个测点。在诱导缝、横缝处每间隔一灌区布置1支温度计，共布置16支。库水温度：在拱冠梁位置沿不同高程布置测点，从194.5m往上至244.5m高程，每隔10m布1个测点，从194.5m往下至154.5m高程，每隔20m布1个测点，共布8个测点。测点距上游坝面0.1m，每个测点处布置1支温度计。1.5环境量监测（1）水位：在放空孔布设1根59米搪瓷水尺；在左边墩布设1根13米搪瓷水尺；在引水隧洞布设1根32米铝板反光水尺。（2）降水量：在库（坝）区适当位置布置1个雨量站。（3）气温：在库（坝）区适当位置布置2个气温站。2施工期测试及仪器设备的选用各种观测仪器的计算皆为相对计算，其基准值的取值为监测仪器埋设安装后开始工作前的观测值。严格按照《混凝土大坝安全监测规范》（DL/T5178-2003、SL601-2013）以及《设计技术要求》进行施工期安全监测。为了保证观测成果的可靠性、准确性和真实性，以及资料的完整，在观测前均对读数仪进行率定；监测过程中，对有异常情况的仪器进行加密监 测。每次在仪器监测或巡视检测后随即对原始记录加以检查和整理，并及时作出的初步分析，确保仪器观测资料的误差均在设计、规范技术要求内。施工期观测严格做到“四无”（无缺测、无漏测、无不符精度、无违时），“四随”（随时观测、随时记录、随时计算、随时校核）和“四固定”（人员固定、仪器固定、测次固定、时间固定）。2.1巡视检查根据山口岩水利枢纽工程的实际情况，巡视检查分为日常巡视检查和特殊状况下的巡视检查。对于不同的巡视检查采用下列相应的巡检次数：（1）日常巡视检查：每天一次或二次。（2）特殊情况下的巡视检查：在坝区（其附近）发生有感地震、遭受大洪水或水位骤降、骤升，以及发生其他影响安全监测建筑物运用的特殊情况时，及时进行的巡视检查。结合山口岩水利枢纽工程特点，并根据《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003、SL601-2013）要求，施工期巡视检查内容如下：（1）坝体①坝体有无裂缝，坝坡有无滑动现象；②坝体排水是否正常，渗水水质和水量是否异常；（2）坝基和坝肩①基础岩体有无挤压、错动、松动和鼓出；②坝体与基岩（或岸坡）结合处有无错动、开裂、脱离及渗水等情况；③两岸坝肩区有无裂缝、滑坡、溶蚀及绕渗等情况；④基础排水及渗流监测设施的工作状况、渗漏水的漏水量及浑浊度有无变化。⑤坝肩区两岸地面有无裂缝、滑坡、岩体松动、上抬隆起与沉降等情况；⑥坝趾贴角混凝土位移、错动、开裂及渗水情况；（3）边坡①检查是否有裂缝出现，已有裂缝是否有发展趋势；②检查地下水的变化状况。（4）监测设施观测仪器电缆有无异常，保护是否完整。 检查的方法主要依靠目视、耳听、手摸、鼻嗅等直观方法，并辅以锤、钎、量尺、放大镜、望远镜、照相机、摄像机等工器具进行，将及时收集并掌握施工现场各种环境因素变化的有关信息，建立施工日志制度，并对水文气象、土建施工形象及其它的施工大事等，及时进行整理分析，发现异常情况同时向主管部门报告。2.2坝体挠度监测（水平位移监测）（1）倒垂线监测山口岩水利枢纽工程大坝坝基和坝肩岩体深层滑动位移，主要采用倒垂线法进行监测。由3条倒垂线4个测点组成，分别布设在大坝0+070.494断面、大坝0+141.323断面、大坝0+212.724断面。大坝0+070.494断面、大坝0+212.724断面倒垂线锚固点高程为▽144.5m，观测点设在大坝▽195m观测廊道内。大坝0+141.323断面倒垂线锚固点高程为▽118.5m，观测点设在大坝▽195m和▽163m观测廊道内。（2）正垂线监测山口岩水利枢纽工程大坝正垂线采用的是“一线多测站式”，主要监测坝体位移。由3条正垂线6个测点组成，分别布设在大坝0+070.494断面、大坝0+141.323断面、大坝0+212.724断面，观测点分别设在大坝▽195m和▽220m观测廊道内。本工程正垂线于2013年9月初完成安装，经过近2个月的稳定后于2013年10月25日开始进行监测，初始值以2013年10月25日为基准。由于目前处于施工期，自动化设备还未安装。当前的测试主要采用四川省飞翔测绘设备有限公司生产的ZBY-2A型光学垂线坐标仪进行人工观测，测次为每5天观测1次，雨天及洪水期适当加密测次。2.3坝体应力应变及温度监测（1）应变计组为五向应变计组，分别为悬臂梁断面布置4支（1#、3#、4#、5#）应变计、垂直悬臂梁方向布置1支（2#）应变计。在布置过程中，上游坝面应变计组中的1#应变计指向下游，下游坝面应变计组中的1#应变计指向上游。布置原理图如图2.3.-1。 图2.3-1应变计组安装埋设原理图无应力计安装埋设在距应变计组1.5米处，监测混凝土的自身体积变形。仪器设备采用为南京电力自动化设备总厂生产的差阻式应变计DI-15A（DI-15AG）、无应力计WYL-15A（WYL-15AG）。（2）山口岩水利枢纽大坝所埋设的各类温度计均为南京电力自动化设备总厂生产的差阻式温度计DW-1(DW-1G)型，其所测温度值按下式计算：T=a*(Rt-Ro)式中：T——温度计所测温度（℃）；a——温度常数（℃/Ω）；Rt——温度计所测电阻（Ω）；Ro——0℃时的电阻值（Ω）。（3）开合度监测主要包括诱导缝开合度监测、坝基深层开合度监测、坝体混凝土与基岩接触缝的开合度监测、拱圈接缝开合度监测，仪器设备均采用为南京电力自动化设备总厂生产的差阻式单向测缝计CF-40（CF-40G）、单向裂缝计CF-12（CF-12G）、基岩变位计JB-40（JB-40G）型仪器。以上差阻式仪器设备的测试均采用南京电力自动化设备厂生产的SQ-2A型数字电桥。2.4渗流渗压监测坝基孔隙水压力共安装埋设6支孔隙水压力计PA1～PA6测试坝基的扬压力。大坝0+070.494断面和大坝0+212.724断面12支孔隙压力计，其中PC1、PC6、PB1、PB6单独安装埋设在Φ110mm钻孔内，PC2、PC3、PC4、PC5、PB2、PB3、PB4、PB5一孔内安装埋设2支在Φ146mm钻孔内。仪器设备为基康仪器（北京）有限公司生产的振弦 式渗压计BGK-4500s型仪器，采用基康仪器（北京）有限公司生产的BGK-408型振弦式读数仪用于数据采集。3监测成果分析3.1变形监测分析（一）大坝坝基变形监测坝体混凝土与基岩接触缝的开合度是评价坝体和岩体整体作用的十分重要的观测项目，仪器主要布设在梁向断面的坝基安装埋设单向测缝计JA1，在▽174.5m拱向截面的拱座处安装埋设单向测缝计JB1、JC1。坝基深层开合度监测主要在大坝0+141.323断面、▽152.5m（MA1、MA2），大坝0+070.494断面、▽180.5m（MC1、MC2），大坝0+212.724断面、▽180.5m（MB1、MB2）分别布设2套单向基岩变位计测定坝基深部基岩的变形，分别布设在坝基上下游处。单向基岩变位计的灌浆锚栓与岩体牢固连接一体，当岩体沿钻孔轴线方向发生位移时，锚杆带动传递杆沿伸到钻孔孔口基准端，使得位于基准端的伸长测量仪表也随着位移产生相应的变化，随着锚点的位移，相对于基准端的伸长即可测出。安装埋设原理如图3.1-1。图3.1-1基岩变位计埋设图 从监测成果及曲线图分析：在大坝蓄水初期，由于坝体受库水压力的影响，在蓄水初期开合度变化以张拉态势发展，随着首蓄期的完成，开合度处于缓慢的闭合态势。目前坝体混凝土与基岩接触缝的开合度变化较小。从位移开合度、温度与时间过程线图可以看出，开合度的变化态势与库水位的升降、环境温度、大坝荷载有着密切的关系。当前深层基岩与坝体没有发生位移现象。埋设于拱冠部位的单向测缝计JA1、单点基岩变位计MA1、MA2开合度受库水位的逐渐下降，开合度处于缓慢的闭合态势并处于稳定状态；大坝0+212.724断面的单向测缝计JB1、单点基岩变位计MB1、MB2，开合度趋于缓慢的张裂态势；大坝0+070.494断面的单向测缝计JC1、单点基岩变位计MC1、MC2，开合度处于缓慢的闭合态势。（二）大坝诱导缝开合度监测 从对4条诱导缝开合度的观测值分析，受大坝放蓄水过程中库水位上升及下降影响，坝体水荷载也随着增大或减小，未进行封拱灌浆的部位诱导缝测值的变化表现为在库水位上升时，开合度呈张开态势；在库水位下降时，开合度呈闭合态势。已进行封拱灌浆部位诱导缝测值变化表现为稳定发展趋势，且大坝右岸B诱导缝后浇筑的常态混凝土开合度目前已有9.31mm。典型时序曲线见下图：（三）坝体挠度监测（水平位移监测）所谓坝体挠度是指坝体垂直面内各不同高程点对于底部基点的水平位移。大坝挠度的观测常采用垂线法进行。即用垂线作为基准线，测量坝体各不同高程点的水平位移，包括正垂线和倒垂线。（1）正垂线监测 正垂线是在坝体的观测井的上部悬挂带重锤的不锈钢丝，由于正锤的作用，当正垂线稳定时总是处于铅直状态，提供了一条基准线。在沿铅垂线不同高程的坝体上设置测点，就可测定测点与悬挂点之间的相对水平位移。由于垂线悬挂在坝体上，故随坝体变形而整条垂线也发生位移。正垂线于2013年10月25日开始进行监测，初始值以2013年10月25日为基准。从当前观测资料表明：受库水位的下降，大坝0+141.323断面的▽195m观测廊道内测点LPA1逆河流向当前变位4.95mm，▽220m观测廊道内测点LPA2逆河流向当前变位3.67mm；大坝0+070.494断面的▽195m观测廊道内测点LPB1逆河流向当前变位2.05mm，▽220m观测廊道内测点LPB2逆河流向当前变位1.68mm；大坝0+212.724断面的▽195m观测廊道内测点LPC1逆河流向当前变位1.51mm，▽220m观测廊道内测点LPC2逆河流向当前变位1.36mm。（2）倒垂线监测倒垂线是将垂线钢丝的下端用锚块埋设在大坝地基深层基岩内，而上端与浮托设备相连。在浮力的作用下，钢丝沿铅直方向被拉紧，只要底部锚块不动，那么钢丝始终将位于同一铅直位置上。沿倒垂线不同高程坝体设置测点，即可测出测点相对于垂线的水平位移。倒垂线初始值以2012年6月30日下闸蓄水前为基准计算。通过对3条倒垂线4个监测点的监测发现，3条在不同深度锚固的倒垂线测值均在设计要求范围之内，且坝基岩体内部变位较小，说明倒垂锚固点是稳定的。从观测资料表明：大坝0+141.323断面的▽195m观测廊道内测点IPA2顺河流向最大变位20.72mm（2013/12/2513:40测），▽163m观测廊道内测点IPA1顺河流向最大9.26mm（2013/12/2513:40测）。大坝0+070.494断面、大坝0+212.724断面的▽195m观测廊道内测点IPB1、IPC1最大变位为顺河流7.04mm与5.92mm。通过观测数据的定性性分析，水平位移的变化有如下规律：①水平位移受水荷载影响，上游水位高，位移向下游增加；②水平位移变化幅度与坝高有关，在相同结构条件下，坝体越高，位移变幅也就越大。拱冠部位测点值要大于两岸位移。③水平位移与气温情况有关。由于气温对坝温度的影响有一个传播的过程，且愈向坝体深处影响幅度愈小，因此受温度影响的位移变化之后与气温变化，且深部测点的温度位移年变幅比外部要小。④同一断面上水平位移与测点高程有关。水平位移最大变幅的位移可能位于坝顶，也可能位于坝体中部。从目前山口岩大坝监测资料分析，最大径向位移出现在拱冠▽195m观测廊道内。 3.2应力应变及温度监测分析（一）坝体混凝土温度监测坝体混凝土温度的变化，会引起温度应力和温度变形。分析坝的应力、水平位移、垂直位移、挠度、接缝开合度及裂缝的出现和开展等问题，必须掌握坝体的温度情况。坝体温度变化引起的缝的开合还影响到坝的渗漏。分析渗漏问题，也需要了解坝体的温度情况。因此，坝体混凝土温度资料是反映大坝工作条件的一项基本资料。影响混凝土温度变化的因素有三个方面：①施工因素、②外部边界条件、③内部热物理性能。施工因素：混凝土在入仓时温度与周围介质的温度（气温、基础或下部混凝土温度、邻近坝块温度）不同，存在温差，致使混凝土温度发生变化；混凝土在水泥硬化期中所散发的水化热时自身温度有较大升幅；施工中为了控制温度而采取的人工措施如通冷却水管、冬季保温等，又可使混凝土温度较低或升高。外部边界条件：混凝土坝周围和外部介质（空气、水、地基）相接触，互相间不断发生热交换，这些介质的温度状况和热源的变化影响着他们和混凝土之间热量的传导，因而影响混凝土温度的变化。内部热物理性能：坝的热传导性能，不仅与混凝土的热物理性能，即混凝土的蓄热和导热的性能有关，而且与坝的几何特性有关。典型时序曲线图如下： 观测资料表明，混凝土温度、库水温变化有如下趋势：①在▽154.5m、▽163.45m、▽174.5m、▽195m、▽204.5m、▽234.5m、▽244.5m分别安装的库水温度计TA5、TAZ4、TA9、TA13、TA17、TA21、TA22、TA23。随着库水高程的升高，库水温度计开始随着库水的升高温度随库水变化，趋于稳定状态，且温度变幅在表面最大，愈深处愈小。②为了解基岩内部的散热情况及地温分布状况，在大坝拱冠梁0+141.323基础基岩内，沿不同深度铅直布置了4支基岩温度计（TA1、TA2、TA3、TA4基岩温度计）。观测资料表明：由于混凝土坝地基处于混凝土之下，不受气温直接影响，基岩内温度处于温度状态。③从混凝土温度监测成果表中可以看出，混凝土温度变化缓慢。且混凝土温度变化滞后于气温和水温，水下愈深处及内部愈深处滞后时间愈长；表面混凝土温度变幅大于气温变幅，深处混凝土温度变幅均小于温度变幅及水温变幅。（二）应力应变监测由于山口岩大坝在不同断面、不同高程工埋设了29组五向应变计组，若逐一分析难度较大，且资料较多，因此选取拱冠部位靠上游面的1组对坝体应力应变进行简要分析，典型时序曲线图如下： 水库水位变化时，作用于坝体的荷载发生变化，坝体各点的应变和应力亦发生变化。从典型时序曲线可以得出如下结论：由于拱坝主要是拱来承受荷载，靠上游侧的测点应力随水位上升向增大 压应力方向发展，靠下游侧的测点应力则随水位升高向减小拉应力方向发展；水平正应力不论测点位于何处，均随水位降低向减小压应力方向发展。受库水位上升与下降影响，变化规律正好相反。3.3渗流渗压监测分析坝基渗流监测主要在大坝0+141.323断面、▽148.50m以下布设孔隙压力计6支（PA1~PA6），大坝0+070.494断面、▽174.50m以下布设孔隙压力计6支（PC1～PC6），大坝0+212.724断面、▽174.50m以下布设孔隙压力计6支（PB1～PB6）。PA1、PB1、PC1均位于帷幕线前，其余仪器均不设在帷幕线以后。典型时序曲线主要以拱冠为主，选取如下：从观测值看出，坝基渗流量与库水位的变化成正向变化的态势。即库水位升高，坝基孔隙水压力增加，库水位降低，坝基孔隙水压力随即减小。4结语综上所述，山口岩水利枢纽工程大坝设置了规范所要求的监测项目。监测仪器的安装埋设合格率较高，仪器成活率高，在碾压混凝土大坝仪器安装中达到了较高的水准。观测资料准确、详实、观测连续完整。资料和分析成果主要起到了如下作用：（1）提供各类接缝间的开合度，了解砼间或砼与岩体间的接缝开合情况，为施工单位进行灌浆提供依据，指导灌浆工作的进行。 （2）结合现场施工情况，根据施工期监测数据分析，了解各个施工环节对主体建筑物的影响程度，为相同项目的施工提供经验。例在坝体内混凝土的温度监测，了解在高低温季节混凝土内温升的变化情况，总结经验，为大坝混凝土的温度控制提供一定的经验。（3）通过检查观测掌握建筑物状态变化，及时发现异常并采取加固补强措施，确保工程安全。（4）通过检查观测可以验证设计中所用公式和参数的正确性，从而提高设计水平。（5）鉴定施工质量。（6）为科学提供研究资料。