柔性测斜仪在300 m级高坝中的应用

陶 子 傲， 代 乔 亨

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

两河口水电站坝址控制流域面积为6.57万km2，坝址处多年平均流量为666 m3/s。水库正常蓄水位高程2 865 m，相应库容107.67亿m3，调节库容65.6亿m3，具有多年调节能力。该工程为一等大(1)型工程，枢纽建筑物由土质心墙堆石坝、溢洪道、泄洪洞、放空洞、发电厂房、引水及尾水建筑物等组成。心墙堆石坝最大坝高295 m，发电厂房为地下式，厂内安装6台混流式水轮发电机组[1，2]。

该工程的安全监测设计遵循“有效合理可靠监控工程的安全可靠运行以及必要的设计反馈研究”的原则，并为建设更多更好的超高级土石坝提供宝贵的原型资料及分析成果。

中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司(以下简称“成都院”)自2015年即开始进行柔性测斜仪在高土石坝中的应用研究工作，经过近2年多时间的跟踪研究及调研，提出了两河口水电站300 m高土石坝柔性测斜仪监测设计方案及其安装埋设保护技术方案并付之应用。

2 研究的目的和意义

近年来，中国水电工程建设技术发展迅速，以双江口(坝高312 m)、两河口(坝高295 m)、糯扎渡(坝高261.5 m)、长河坝(坝高240 m)等水电站为代表的一批典型工程将砾石土心墙堆石坝的坝高逐步由100 m级提升至300 m级，使我国土石坝的设计理论及施工技术达到国际先进水平。但有关土石坝安全监测技术的发展及应用明显滞后于土石坝筑坝技术。目前，国内外通常采用沉降环、水管式沉降仪进行大坝内部垂直位移的监测，采用引张线式水平位移计或活动式测斜孔进行大坝内部水平位移的监测。这些传统的监测仪器主要针对100 m级坝高的水电工程进行开发和研制，其适应性已不能完全满足300 m级超高土石坝对变形监测的要求，导致当前高土石坝变形监测仪器的存活率普遍偏低。而高土石坝的变形情况一直是工程关注的重点，直接关系到大坝能否安全稳定运行。

因此，针对300 m级超高土石坝工程寻找更适宜的安全监测仪器、研究更有效的监测方法就显得特别有意义，而柔性测斜仪就是在这种情况下诞生并越来越多地被投入使用[3，4]。

3 仪器简介、技术特点及主要参数

3.1 仪器简介

北京盛科瑞科技有限公司代理的韩国3D GBMS三维连续型变形监测系统(柔性测斜仪)由一系列连续相接的MEMS加速度计倾斜仪构成，系统可自动确定每个倾斜仪单元的空间形态，从而实现对目标物的三维变形监测。三维连续型变形监测系统(柔性测斜仪)是一款新型地面变形监测仪器，既可安装于钻孔中监测沿地层深度的土体变形，也可安装于建筑物表面监测其变形特性，如隧洞、地下空间断面收敛；油罐地基、轨道沉降；桥梁、挡土墙、轨道扭曲等三维建筑物的变形特征[5]。

盛科瑞三维连续型变形监测系统的外径最大为25 mm，三维连续型变形监测系统(柔性测斜仪)由MEMS加速度计三维传感器、内置电路板、标准测量单元、特殊不锈钢外包护套等部件构成。监测数据既可通过连接笔记本电脑现场采集方式，也可由自动采集设备采集并通过远程通讯方式(RS485，3G或4G通讯网络，LAN等方式)获得。安装于笔记本电脑的采集软件可用于实时处理从CDS获取的变形测量数据、可视化变形曲线，可将监测目标的变形状态及变形量实时显示到计算机屏幕。

3.2 主要技术特点

盛科瑞三维连续型变形监测系统(柔性测斜仪)的主要技术特点为：

(1)节省成本，安装简便。在钻孔中安装时，无需使用传统导槽型测斜管，仅使用普通30 mm小直径PVC导管加以保护即可，相较传统固定测斜仪可大幅减少钻孔与测斜管成本，安装简便。

(2)监测精度大幅提升。每个三维连续型变形测量单元长度为0.5 m或1 m，相较于传统固定式测斜仪2～3 m的测量标距，测点数量增加了4～6倍，从而大大提高了变形监测精度。

(3)安装方式灵活，应用广泛。可竖直、水平、任意角度安装，可获得三维变形数据，可应用于隧洞、路基、桥梁的变形监测，应用范围广泛。

(4)数据采集、处理方便，节省工作量。系统配置包括自动数据采集与实时处理软件，可将监测目标的变形状态及变形量实时显示到计算机屏幕、记录到文件并快速形成报告格式的打印图表，从而大大减少了技术人员的数据处理、分析时间与工作量。

4 监测仪器的布置

两河口水电站砾石土心墙坝共计布置了12套柔性测斜仪，仪器总长度为1 097 m。具体布置情况为：

(1)在左右岸混凝土盖板高程2 641 m、桩号(坝)0+001.2处沿大坝心墙轴线各布置了1套柔性测斜仪，仪器编号分别为IN-R1、IN-R2，每套长度为40 m，兼顾开展监测仪器性能测试和埋设试验。

(2)在左右岸混凝土盖板高程2 701 m、桩号(坝)0+001.2处沿大坝心墙轴线各布置了1套柔性测斜仪，仪器编号分别为IN-R3、IN-R4，每套长度为132 m，2套仪器在河床中心的搭接长度约为2 m。

(3)在左岸混凝土盖板高程2 761 m、桩号(坝)0+001.2处沿大坝心墙轴线布置了1套柔性测斜仪，仪器编号为IN-R5，仪器长度为200 m；在右岸混凝土盖板高程2 761 m、桩号(坝)0+001.2处沿大坝心墙轴线布置了1套柔性测斜仪，仪器编号为IN-R6，仪器长度为100 m；在两套柔性测斜仪之间沿坝轴线布置了1套柔性测斜仪，仪器编号为IN-R7，仪器长度为100 m；3套柔性测斜仪之间的搭接长度均为4 m。

(4)在大坝上游堆石区3-3监测剖面高程2 790 m的L3水管式沉降仪监测条带沟槽内，沿监测条带近水平布置了3套水平柔性测斜仪，在上游坝坡至反滤层布设的3套柔性测斜仪仪器编号依次为IN-R8、IN-R9和IN-R10，每套长度为51 m。相邻2套柔性测斜仪采用厂家专用的配套接头进行连接。

(5)在大坝3-3监测剖面上游堆石区高程2 790 m马道打铅垂钻孔并埋设PE导管和柔性测斜仪，对施工期和初蓄期上游堆石区水平位移进行监测。仪器编号为IN-R11，长度为100 m。

(6)在大坝心墙3-3监测剖面坝轴线处高程2 775 m竖向预埋了1根φ85 mm测斜管，施工期测斜管随心墙的填筑预埋安装并对测斜管外套PE管和伸缩接头进行保护，待填筑至坝顶高程后，在管内竖向安装了1套柔性测斜仪，仪器编号为IN-R12，长度为100 m。

5 监测数据分析

截止目前，两河水电站已安装完成并取得基准值的柔性测斜仪共计10套，监测数据自2017年延续至今，文中主要对布置在枢纽建筑物心墙等主要部位的柔性测斜仪监测成果进行分析。

(1)2 641 m高程柔性测斜仪。布置在右岸2 641 m高程的柔性测斜仪IN-R2实测蓄水前大坝心墙累积沉降量在714.9 mm以内，一期蓄水期间沉降增幅在40.4 mm以内，二期蓄水期间沉降增幅在13.7 mm以内，当前累积沉降量在778.7 mm以内，沉降已基本趋于平缓。布置在右岸2 641 m高程的柔性测斜仪IN-R2各高程安装的测点累计沉降量见表1，心墙左岸2 641 m高程柔性测斜仪IN-R2特征点沉降分布过程线见图1。

(2)2 700 m高程柔性测斜仪。在大坝心墙2 700 m高程(坝)0+001.2桩号左、右岸各埋设了一套柔性测斜仪，左岸的设计编号为IN-R3，右岸的设计编号为IN-R4。

左岸柔性测斜仪IN-R3实测蓄水前大坝心墙累积沉降量在2 063.3 mm以内，一期蓄水期间沉降增幅在169.4 mm以内，二期蓄水期间沉降增幅在46.5 mm以内，当前累积沉降量在2 317.6 mm以内，沉降逐渐趋于平缓。

IN-R3柔性测斜仪132 m测点的测值为2 317.6 mm，同部位附近电磁沉降环DC4-25的测值为2 336.5 mm，两者沉降量值基本相当。心墙左岸2 700 m高程柔性测斜仪IN-R3特征点沉降分布过程线见图2。

表1 柔性测斜仪IN-R2沉降量监测成果表

(3)2 761 m高程柔性测斜仪。在大坝2 761 m高程心墙河床中部及左右岸各布设了一套柔性测斜仪，左岸测点编号为IN-R5(长度200 m)，右岸测点编号为IN-R6(长度100 m)，河床中部测点编号为IN-R7(长度100 m)。

图1 心墙左岸2 641 m高程柔性测斜仪IN-R2特征点沉降分布过程线

图2 心墙左岸2 700 m高程柔性测斜仪IN-R3特征点沉降分布过程线

左岸柔性测斜仪IN-R5实测蓄水前大坝心墙累积沉降量在2 354.2 mm以内，一期蓄水期间沉降增幅在252.1 mm以内，二期蓄水期间沉降增幅在154.9 mm以内，当前累积沉降量在2 820 mm以内，心墙左岸2 761 m高程柔性测斜仪IN-R5特征点沉降历时过程线见图3。

IN-R6与IN-R7两套柔性测斜仪沉降量累加后，实测蓄水前心墙累积沉降量在2 109.7 mm以内；一期蓄水期间沉降增幅在517.1 mm以内，二期蓄水期间沉降增幅在143.9 mm以内，当前累积沉降量在2 837.1 mm以内，左右岸沉降变形基本沿坝轴线成对称分布，左右岸柔性测斜仪的最大测值基本相当。心墙右岸2 761 m高程柔性测斜仪IN-R6与IN-R7特征点沉降历时过程线见图4。

6 结 语

长期以来，土石坝的沉降变形监测主要依靠沉降环、水管式沉降仪、横梁式沉降仪等常规监测仪器进行，但其缺陷明显；而柔性测斜仪普遍具有高精度、高稳定性、可重复利用性、大量程、持久稳定性、数据自动采集及存储等技术优势，柔性测斜仪通过在两河口工程中的应用，成功地实现了在大坝心墙坝轴线贯通埋设柔性测斜仪(最大安装长度达400 m，单根最大埋设长度达200 m)，这是国内首次实现大坝心墙全断面连续线性沉降监测手段，在国际上亦属首创。

图3 心墙左岸2 761 m高程柔性测斜仪IN-R5特征点沉降历时过程线图

图4 心墙右岸2 761 m高程柔性测斜仪IN-R6、IN-R7特征点沉降历时过程线图

实践与论证表明：柔性测斜仪可以较好地应用于各类土建工程，甚至是300 m级高堆石坝等超级工程，其监测成果亦能真实反映所观测部位的变形情况。可以认为：柔性测斜仪在性能方面总体满足300 m级高土石坝变形监测的需要。