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堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析

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贺爱军,等:堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析 堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析 贺爱军 ,张利军 ,王彦华2 7刘凤成 (1.北京翔鲲水务建设有限公司,北京,100192; 2.中国电建集团北京勘测设计研究院有限公司,北京,100024) 摘要:介绍了振弦式分层沉降仪和电磁式沉降仪的坝体沉降监测方法,进行了监测成果分析及与计算结果的对 比分析,总结了两种监测方法在工程上的应用。 关键词:堆石坝;坝体沉降;监测方法;振弦式分层沉降仪;电磁式沉降仪;对比分析 Title:Comparative analysis of settlement monitoring methods for rockfill dam//by HE Ai-iun,ZHANG WANG Yan—hua and 凡g—cheng//Beijing Xiangkun Water Construction Co.,Ltd. Abstract:This paper introduces settlement monitoring methods of VW settlement sensor and electro— magnetic settlement sensor.Monitoring result analysis and comparison with the calculation result are carried out to sum up the application of these two monitoring methods. Key words:rockfill dam;dam settlement;monitoring method;VW settlement sensor;electromagnetic settlement sensor;comparative analysis 中图分类号:TV698.1 文献标志码:A 文章编号:1671—1092(2015)02—0047—06 坝体沉降监测方法 中国的面板堆石坝内部沉降变形多采用水管 单,安装监测方便,可实现自动化监测。 1_2电磁式沉降仪 式沉降仪监测,自公伯峡水电站面板堆石坝首次引 进了水管式沉降仪和电磁式沉降仪相结合的方法 监测坝体内部沉降变形后,目前越来越多的面板堆 石工程采用了该方法…。随着振弦式仪器在工程 上的普遍应用,坝体沉降监测方法也采用振弦式分 层沉降仪,同时结合布置电磁式沉降仪。 1.1振弦式分层沉降仪 电磁式沉降仪利用沉降测斜管和管外磁环,在 孔中监测坝体不同高程点处的沉降变形。电磁式 沉降仪包括:ABS沉降测斜管、伸缩节和测量装 置。沉降测斜管在岩基以下采用钻孔方式,孔底深 入基岩以下I>3.5 m,坝基高程以上随坝体填筑施工 不断向上接长测斜管,采用坝面埋设法(非坑式埋 设)。磁环有各种不同的类型可供选择,有适合钻 振弦式分层沉降仪用来测量不同点之间的沉 降。振弦式分层沉降仪采用挖沟槽方法埋设,电缆 和通液管应各自单独埋设。振弦式分层沉降仪的 压力传感器安装到位于沉降区域的沉降盘上,传感 器通过两根充液管连接到一个固定在远离沉降区 域的储液灌(基准点)上,传感器再通过通液管感应 液体的压力并且换算为液柱的高度,由此可以实现 孔安装的沉降环和适合填筑埋设的沉降盘。它们 都是按规定的间隔(取决于地质条件)安装在测斜 管上,伸缩节上面有固定的凹槽可适合测斜管轴向 的位移。每一块沉降板为一个带有永久磁铁的锚 固点,磁性位移计穿过一条易接近的测量孑L导管的 轴线,一个读数开关放人这管道中,在有刻度钢尺 的末端,也带有两个导体,当探头通过每个锚固点 时,将会使读数开关闭合,然后会引起在地表的钢 尺转轴上的蜂鸣器发音。当蜂鸣器发音时,通过读 取管道上边对面的有刻度的钢尺上的读数来得到 锚固点的深度。钻孔底部的沉降板位于基岩内,并 在储液罐和传感器之间测量出不同高程的任意测 点的高度,即测点相对于观测房储液罐的沉降量, 传感器通过电缆延伸到读数处的方式来读取数 字。再通过外部变形观测测出观测房的沉降量,就 可计算出测点的实际沉降量。该方法测量原理简 通过灌浆将其固定,从而提供了一个稳定的水准 点,使其他的锚固点可以用相对于基准点的绝对位 http://magtech.dam.com.CR Bv HE Ai-jun:Comparative analysis of settlement monitoring methods for rockfill dam 移(即沉降量)来计算。电磁式沉降管测点沿垂线 石(3E区)。主坝分区布置见图1。 方向布置,可以监测到坝体和覆盖层沉降变形。该 2.1.2.1振弦式分层沉降仪 方法测量方法简单,受环境影响较小,较易获得沉 降全变形。 振弦式分层沉降仪实测坝体填筑完成时的主 坝坝体沉降变形过程曲线见图2。最大沉降部位位 2坝体沉降监测方法的对比分析 于坝轴线最大坝高处坝体中部附近,对应坝体高 程为1 472 rn,填筑完成时最大沉降值265.3 n'lm 2.1岩石坝基堆石坝 (TC3—4),沉降变形主要发生在坝体填筑期。 2.1.1工程概况 2.1.2.2电磁式沉降仪 某电站装机容量为1 200 Mw(4 X 300 Mw), 电磁式沉降仪实测主坝坝体测点沉降变形过 上水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,坝顶高程 程曲线和沉降值随高程的分布图见图3。观测到 1 494.5 m,坝顶轴线长度401.16 m,最大坝高50 m, 的坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体 坝顶宽度10 m,上游坝坡1:2,下游坝坡1:1.7,最大 中部附近,对应坝体高程为l 470.14 m,与振弦式 横断面底宽约200 m。主坝填筑分区有排水棱体、 分层沉降仪对应时间即坝体填筑完成时的最大 主堆石、下游堆石、过渡层、碎石垫层、下游坝面干 沉降值354 him(ES1—7),目前最大沉降值692mm 砌石护坡等项目。 (ES1—7)。沉降变形主要发生在坝体填筑期及稳定初 主坝堆石体内部竖向位移采用振弦式分层沉降 期,沉降变形与库水位无明显相关性,进入初蓄期和 仪观测,选择主坝最大坝高断面桩号0+086.000]rn, 运行期,坝体沉降变化减小,逐渐呈现收敛趋势。 沿高程l 448.0 m、1 460.0 m、1 472.0 m和1 485.0 m 2.1.2-3平面二维计算结果 设四层;在主坝坝顶下游侧设置1根沉降测斜管,用 计算分析的目的是通过坝体和面板的平面和 于电磁式沉降仪观测,选择主坝平行坝轴线桩号为 三维应力、应变分析,论证筑坝材料的允许范围,为 0+006.200 m、垂直坝轴线桩号为0+092.000 m位置 坝基开挖、坝体结构设计、筑坝料分区及填筑标准、 设置。 防渗结构设计等提供设计参考依据,其中计算分析 2.1.2坝体沉降监测成果分析 研究的重点是上水库防渗护面下岩层软硬相间情 上水库主坝上、下游堆石料主要利用库区开挖 况和坝基溶洞对防渗护面结构应力、变形的影响。 的灰岩和少量白云岩,坝体从上游到下游依次分为 图4为离分层沉降仪器布置很近的一个剖面的平 垫层区(2A区)、过渡层(3A区)、上游堆石(3B区)、 面二维分析计算结果,从图中可看出最大沉降发生 下游堆石(3c区)和坝基过渡排水区(3F区)、下游 在整个坝轴线最大坝高处的中部附近。 坝坡干砌石护坡(30区)及下游主沟部位的下游堆 2.1.2.4沉降监测方法对比分析 图1上水库主坝分区布置 Fjg.1 Layoutofmaindamofthe upper reservoir http://magtech.dam.COrn.cn 贺爱军,等:堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析 。’。‘一。。‘ 一‘。。’。。。.一一. .- _J ‘ , --, (.: .●:^- …...・. .._r・:一。_。 r , -.’ -一・●._,’ ... , 。.jr’. ’’ /、、一 ,一…・■■。。。。。。。_一 一一 ・ .:,J: 一’,一一一一。 ・ 一, 厂 , ‘, ,一:-.・ P一一-—,’———。  一 一 //  ,_,一:=: _.厂-, 一…代3—1 —— 一一一一TC3—2 …….TC3—3 . 一…_Tc .4 . 一观测 一.一 一一填筑高程时间 . 图2上水库坝体振弦式分层沉降仪沉降变形曲线 Fjg.2Deformationofupper ̄servokdammeasuredbyVWsettlementsensor 填筑高程,m 2004l119 20060403 20o7OBl6 20081228 20100512 2Ol10924 20130205 2014O62O 图3上水库坝体测点沉降分布和变形过程曲线 F|g.3Settlementdistributionanddeformationprocessofanobservationpointonupper reservoirdam 图4上水库坝体沉降平面二维计算gg(m) Fig.42一Dcalculatingdiagramofsettlementplaneofupper reservo.fdam (1)振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪: 仪观测到的最大沉降值略大于振弦式分层沉降仪 观测到的最大沉降值,具体比较见表l。从表中可 以看出,电磁式沉降仪埋设及监测时机较振弦式分 ①沉降值分布规律:两种监测方法观测的沉降 值沿高程分布规律一致,坝体最大沉降点位于坝轴 线最大坝高处坝体中部附近。 ②沉降值大小:坝体填筑完成时,电磁式沉降 层沉降仪要早闭,较易获得全变形,振弦式分层沉降 仪开始工作时电磁式沉降仪已经监测到坝体沉降 http://magtech.dam.com.ca Bv HE Ai—jun:Comparative analysis of settlement monitoring methods for rockfill dam 表1上水库坝振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪沉降值比较表 Table 7 Comparison between the measured values by VW settlement sensor and electromagnetic settlement sensor for upper reser- VOirdam 振弦式分层沉降仪开始工作时 坝体填筑完成时 坝体沉降监测方法 时间 沉降值,mm 时间 沉降值,mm 振弦式分层沉降仪 2005年4月13日 0 2005年8月10日 265.3 电磁式沉降仪 2005年4月9日 107 2005年8月9日 354 107 mill;同期两种仪器监测沉降值基本相当。 于电磁式沉降仪观测。 (2)实测与计算成果:实测沉降值沿高程分布 2.2.2坝体沉降监测成果分析 规律是最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中 部附近,计算结果最大沉降也是发生在整个坝高的 下库主坝坝体从上游到下游依次分为垫层区 中部附近,实测与计算结果一致。 (2A区)、过渡层(3A区)、上游堆石(3B区)、下游堆 2.2覆盖层坝基堆石坝 石(3C区)和坝基过渡排水区(3F区)、下游坝坡干 砌石护坡(3D区)及下游主沟部位的下游堆石(3E 2.2.1工程简况 区)。下库主坝分区布置见图5。 某电站装机容量为1 200 MW(4 X 300 MW),下 2.2.2.I振弦式分层沉降仪 水库主坝为沥青混凝土面板堆石坝,库区范围大面 振弦式分层沉降仪实测主坝坝体沉降变形过 积为第四系崩坡积、冲洪积覆盖层,开挖后厚度一 程曲线见图6。观测到的坝体最大沉降部位位于坝 般为10~70 rn。坝顶高程840.0 m,坝顶宽1O m,上 轴线最大坝高处坝体中部附近,对应坝体高程为 游坝坡1:2,下游坝坡1:1.7,最大坝高97 in,堆石坝 783~802 rll高程,坝体填筑完成时最大沉降值为 坝顶轴线长537 m,库顶轴线长1 722 in。 1 259 mm(TC II 2—5),目前最大沉降值l 259 mm(TC 下水库主坝选择坝体0+238.0 rn和0+365.0 rll Ⅱ2—5)。沉降变形主要发生在坝体填筑期和蓄水 断面(最大坝高及坝基深覆盖层),沿不同高程各设 前,沉降变形与库水位无明显相关I生,进入初蓄期和 置4层振弦式分层沉降仪和水平位移计,测量坝体 运行期,坝体沉降变化减小,逐渐呈现收敛趋势。 堆石体内部沉降变形和水平位移,联合构成水平垂 直位移计;选择坝体0+244.5 ITI和0+357.8 rfl桩号坝 2.2.2.2电磁式沉降仪 顶下游侧各设置3根沉降测斜管,同时在0+512.0 in 电磁式沉降仪实测主坝坝体测点沉降变形过 桩号坝下游靠近坝顶部位设置l根沉降测斜管,用 程曲线和沉降值随高程的分布图见图7,观测到的 图5下水库主坝分区布置 FIg.5 Layout ofmain dam oflower reservoir http://magtech.dam.com.cn 贺爱军,等:堆石坝坝体沉降监测方法的对比分析 - . 一一 一——…——一.. — .1 I厂 — 厂一 一一。。一\’ TrⅡ,一‘ /| /\ 二 时阊 l J/ 图6下水库坝体振弦式分层沉降仪沉降变形曲线 Fig 6Deformationoflower reservoirdammeasuredby VWsettlementsensor 图7下水库坝体测点沉降分布和变形过程曲线 Fig.7Settlementdistributionanddeformationprocessofthe observationpointonlower reservoirdam 坝体最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部 附近,对应坝体高程为781~801 m,目前最大沉降 值1 314 mm(ES一4—18),其中坝基覆盖层的沉降量 情况进行计算。下库主坝最大断面竣工期坝体沉 降等值线图见图8,坝体在竣工期的最大沉降为 1 490 mm,蓄水期的最大沉降位置不变,最大沉降 为l 500 mm,最大沉降受覆盖层厚度的影响,接近 坝体的中部。 2.2.2.4沉降监测方法对比分析 为251 mm,占总沉降量的19%。2006年9月30日 刚填筑完成时观测到的沉降量为914 mm、2008年5 月28日蓄水时观测到的沉降量为1 089 mm、2010 年9月1日蓄水完成时观测到的坝体沉降量为 1 250 mm,沉降变形主要发生在坝体填筑期和蓄水 前,沉降变形与库水位无明显相关性,进入初蓄期 和运行期,坝体沉降变化减小,逐渐呈现收敛趋势。 2.2.2.3平面二维计算结果 大坝填筑结束后,对下水库沥青混凝土面板主 堆石坝进行了二维的非线性应力变形静力分析,坝 体堆石料、覆盖层碎石土料及沥青混凝土面板计算 模型采用邓肯E—B模型,地基中的各类岩石材料采 用线弹性模型,二维静力计算均对堆石坝竣工情况 与库内蓄水位为正常运行时的最高蓄水位838 m (1)振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪: ①沉降值分布规律:两种监测方法观测的沉降 值沿高程分布规律一致,坝体最大沉降点位于坝轴 线最大坝高处坝体中部附近;两种监测方法观测的 沉降值随时间的变化过程基本一致,沉降变形主要 发生在坝体填筑期和蓄水前,沉降变形与库水位无 明显相关性,进人初蓄期和运行期,坝体沉降变化 减小,逐渐呈现收敛趋势。 ②沉降值大小:电磁式沉降仪观测到的蓄水 时、目前的最大沉降值略大于振弦式分层沉降仪观 测到的最大沉降值,具体比较见表2。 http:Emagtech.dam.com.ca Bv HE Ai-jun:Comparative analysis of settlement monitoring methods for rockfill dam 图8下水库坝最大断面竣工期坝体沉降初步计算图(单位:m) Fig.8 Initial calculation of settlement on the largest sec ̄on of lower reservoir main dam h7 completion period 表2下水库坝振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪沉降值比较表 Table 2 Comparison between the measured values by VW settlement sensor and electromagnetic settlement sensor for lower reser— voirdam 振弦式分层沉降仪开始工作时 蓄水时 目前 坝体沉降监测方法 时间 沉降值/arm 时间 沉降t ̄dmm 时间 沉降值,mm 振弦式分层沉降仪 2005年8月23日 0 2008年5月27 El 961.36 20l3年12月27日 1 259 电磁式沉降仪 2005年8月25日 0 2008年5月28日 1 089 2013年12月27日 1 297 (2)实测与计算成果 沉降仪沿平面布置,需要大量开挖和回填,在范围 ①沉降值分布规律:实测沉降值沿高程分布规 上受施工影响较多。 律是最大沉降点位于坝轴线最大坝高处坝体中部 (3)振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪监测方 附近,计算结果是坝体在竣工期的最大沉降值受覆 法同时应用在堆石坝坝体沉降监测,监测到的坝体 盖层厚度的影响,接近坝体中部。实测最大沉降点 沉降分布规律基本一致;基于同部位电磁式沉降仪 位置比计算结果略高,规律性基本一致。 的埋设时机早于振弦式分层沉降仪,扣除时间因素 ②沉降值大小:实测坝体最大沉降值1 314 mm, 影响,两种方法监测的沉降值基本相当。 计算坝体最大沉降值1 490 mm,实测沉降值小于计 (4)电磁式沉降仪随坝体填筑而埋设沉降环, 算结果最大沉降值。 埋设及监测时机较振弦式分层沉降仪要早,较易获 得全变形。 3结语 (5)振弦式分层沉降仪能实现自动化监测,电 磁式沉降仪目前不能实现自动化监测,但电磁式沉 通过对振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪监 降仪测量相对较简单。 ■ 测成果及与计算结果的对比分析,归纳主要结论 如下: 参考文献: (1)振弦式分层沉降仪与电磁式沉降仪作为坝 [1】陈念水,陈树联,王卫国.电磁式沉降管在公伯峡面板堆 体沉降监测手段,振弦式分层沉降仪在平面上布置 石坝变形观测中的应用[J].西北水电,2007,0):82—86. 测点较多,电磁式沉降仪在高程上布置测点较多。 [2]顾永明,陈树联,王伟.面板堆石坝坝体沉降监测方法技 术总结[J].西北水电,201 1,(1):67—70. 在同一工程上相结合布置的方式,能对面板堆石坝 坝体沉降进行全方位监测,可获得较完整、全面的 收稿日期:2014—07—18 监测资料,并且监测结果之间可相互校验、互补。 作者简介:贺爱军(1968一),男,北京人,工程师,主要从事 (2)电磁式沉降仪沿高程布置,随坝体填筑埋 水利工程建设工作。 设沉降环,在时间上受施工影响较多;振弦式分层 作者邮箱:hemjun6803@sina.tom http://magtech.dam.com.cn 

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