胡灵芝 张 帅 覃珊珊
(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)
黄登水电站超高碾压混凝土重力坝安全监测设计
胡灵芝 张 帅 覃珊珊
(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)
为了确保黄登水电站超高碾压混凝土重力坝的安全性，对该大坝布置了相对完善和有针对性的安全监测体系，并阐述了大坝监测设计的主要内容和项目，介绍了几种监测新技术，提高了监测的精度及效率。
水电站，安全监测体系，坝基，应力
1 概述
黄登水电站位于云南省兰坪县境内的澜沧江上游河段，是一座以发电为主，兼有防洪、灌溉、供水、水土保持和旅游等综合效益的大型水利水电工程。水库正常蓄水位为1 619.00 m，其相应库容为15.49×108m3，校核洪水位为1 622.73 m，其相应库容为16.70×108m3，调节库容为8.28×108m3，水库具有季调节性能，电站装机容量1 900 MW(4×475 MW)。工程主要由碾压混凝土重力坝、坝身泄洪表孔、泄洪放空底孔、左岸折线坝身进水口及地下引水发电系统等部分组成。
黄登水电站大坝为世界在建的最高碾压混凝土重力坝，坝高203 m，工程地形地质条件复杂、坝高、泄洪功率大、技术难度高，存在很多超越现有规程规范的技术应用，其管理和运行均无经验可循。针对以上特点，黄登安全监测设计工作开展了大量的研究分析和论证工作，对大坝布置了相对完善和有针对性的安全监测体系，为全面有效的监控大坝安全以及工程科学调度奠定了重要的基础。
2 设计布置原则和重点、难点
2.1 设计布置原则
安全监测体系主要目的是监控建筑物安全、为信息化设计提供基础参数、掌握运行规律、指导施工和运行、反馈设计[1]。大坝安全监测布置以监控大坝实际安全为主，同时兼顾设计、施工、科研的需要。监测项目的选择和监测仪器布置，紧密结合工程特点及实际情况，突出重点，统筹考虑，配合布置，尽可能满足安全监测资料成果分析、反馈的要求。
选用的监测仪器设备应耐久、可靠、实用、有效和先进。
2.2 设计布置的重点和难点
黄登水电站大坝是位于高山峡谷区的200 m级超高碾压混凝土重力坝，河谷狭窄、两岸岸坡陡峻[2]，坝基开挖复杂且侧向坡比较大，故对坝体变形及其变形协调性、渗流、抗震、侧向稳定、应力以及混凝土温控的监测布置作为监测设计的重点和难点。
同时，黄登水电站校核洪水标准为挡水建筑物最大下泄流量约13 854 m3/s，总泄洪功率约17 500 MW，最大单宽流量约250 m3/(m·s)，具有河谷窄、水头高、大流量、高流速等特点。故将泄洪消能建筑物的结构及水力学监测作为监测设计的重点之一。
3 安全监测体系布置
3.1 环境量监测
1)上下游水位。在水库上游水流平稳坝段和下游尾水后分别设置水尺和自记水位计，对水库上下游水位的变化情况进行监测。
2)水温。在重点监测坝段上游坝面沿水深上密下疏布置温度计监测水库水温变化。在尾水出口混凝土衬砌表面布置4支温度计，监测尾水出口水温。
3)气象监测。在坝区左右岸各设置1座简易气象监测站，采用自动化监测坝区气温、降水量等气象条件。
4)坝前淤积和坝后冲刷。坝前淤积地形测量范围：大坝上游面至上游索道桥的上游200 m，高程1 625 m以下的区域(包含河流水下地形)，河道长度约1.0 km，地形测量面积约0.5 km2。
下游河道冲刷测量范围：坝后水垫塘至黄登大桥下游100 m，高程测至两岸底线公路，河道长度约1.0 km，地形测量面积约0.25 km2。
地形图测量比例尺为1∶500。
3.2 枢纽区变形监测网
1)平面位移监测网。平面位移监测网共由21个平面网点组成，包括6个基准点组和13个工作基点组，监测网等级为专一等，测角中误差为±0.5″，测距精度为±(1.0 mm+1.0 ppm×D)。
2)垂直位移监测网。垂直位移监测网由19个水准点组成，包含3个平硐基准点、16个水准点。等级为一等，水准测量的偶然中误差为±0.45 mm/km，水准测量的全中误差为±1.0 mm/km。
3.3 变形监测
大坝变形监控系统采用“7竖3横”的布置方式：“7竖”为7个重点监测断面(右坝肩，6号，8号，11号，14号，17号，左坝肩)，“3横”为1 479 m高程检查廊道、1 532 m高程检查廊道和坝顶。
1)水平位移。在重点监测坝段布置正倒垂线组，左岸坝肩布置倒垂线。同时考虑14号坝段为转折坝段，并兼顾其他监测设施的布置，大坝坝顶从右至左共布置了2套真空激光准直系统，监测坝顶水平位移和垂直位移。
在中间高程检查廊道各布置1条引张线，监测坝体顺河向位移。
为满足人工比测、施工期监测和特殊条件下人工辅助监测的要求，在每个坝段的坝顶和1 581 m高程坝后马道各布置1个表面变形监测点。
2)垂直位移。在每个坝段坝顶、1 532 m高程廊道及坝基帷幕灌浆廊道内各布置1个水准点监测坝体坝基垂直位移，根据真空激光准直系统、静力水准的布置，在右岸坝肩，8号，14号，17号坝段及左岸坝肩倒垂孔旁布置双金属标。
在8号～14号坝段1 479 m高程检查廊道、8号～17号坝段的1 532 m高程检查廊道内，分别布置1套横河向静力水准，监测坝体不同坝段和不同高程的垂直位移。
3)坝基变形。坝基深部压缩变形主要采用多点位移计和基岩变形计，根据坝基岩体分布和坝段特点，选择典型坝段的坝踵、坝中、坝趾处分别布置1套多点位移计；以及坝踵、坝趾处分别布置1套基岩变位计，监测基岩的深部变形。
4)坝体接缝及裂缝。在重点监测坝段的坝踵、坝趾的混凝土与基岩接触面布置测缝计，监测接缝开合度变化情况。在大坝坝踵重点部位布置裂缝计，对运行期坝体混凝土可能的开裂情况进行监测。
在侧向坡比较大的坝段基础和坝体接触面上布置单向测缝计，监测接缝开合度变化情况，评价坝段的侧向稳定问题。
3.4 渗流监测
1)坝基扬压力。沿上游基础灌浆及排水基础廊道每个坝段的排水幕上，分别布置1支坝基测压管构成扬压力第一纵向监测主断面，监测上游坝基帷幕的防渗情况；沿下游侧帷幕灌浆及排水廊道在每个坝段的排水幕前，分别布置1支坝基测压管构成扬压力第二纵向监测主断面，监测下游坝基帷幕的防渗情况。
在监测坝段坝基利用横向排水廊道布置3支以上测压管或者沿建基面顺河向在帷幕前后分别布置多支渗压计，构成扬压力监测横断面，监测大坝蓄水后扬压力实际分布情况。
2)渗透压力。选择在重点监测坝段1 550 m高程以下，高程上间隔30 m～50 m，在坝体上游侧竖向排水管前后的碾压混凝土浇筑层面上埋设渗压计，监测混凝土施工缝上的层间渗水压力，评价混凝土的施工质量和防渗效果。
3)渗流量。在大坝坝基坝体排水廊道、坝基集水井前和两岸灌浆、排水洞出口处建三角形量水堰，分区测量坝体及坝基渗水流量，评价坝基和坝体防渗情况。
4)绕坝渗流。在左右坝肩边坡各布置12个～13个水位孔、在两岸各层灌浆洞内共埋设12个测压管监测两岸绕坝渗流状况。
5)水质监测。库区水质监测取样点选择河床坝段、左右岸泄洪放空底孔及溢流坝段、下游尾水和两岸灌浆洞内，以监测坝体、坝基及岸坡的水质变化，分析库区水质化学成分和坝基渗漏水水质分析进行综合比较判别。
3.5 应力应变及温度监测
1)应力应变。选择在重点监测坝段，沿高程方向间隔约40 m布置一个监测截面，在监测断面的坝体上游、坝中、下游部位布置五向应变计组，监测坝体混凝土的应力应变大小；在典型坝段受力条件较为明确的低高程坝踵和坝趾布置单向应变计组，监测其应变大小。
在布置坝体应力应变的相同监测坝段的坝踵、坝中、坝趾建基面上布置压应力计，监测坝踵、坝中、坝趾处的压应力大小和变化。
2)温度。在重点监测坝段断面，沿高程方向间隔约20 m～25 m布置一个监测截面，在监测截面上以15 m～20 m左右间距呈网格状布置温度计，监测大坝的温度场。在各重点观测断面下游坝坡布置表面温度计观测坡面混凝土温度的变化。
在重点监测坝段基岩面内钻竖直孔，每孔内布置4支温度计，监测基岩的温度及其蓄水前后的温度变化。
3.6 地震反应监测
1)强震监测。在7号，12号，17号坝段的基础灌浆廊道、坝体检查廊道及坝顶分别布置强震监测点，对地震工况下建筑物的动力放大系数、地震的振型和相位等进行监测。在大坝下游区及左右坝肩边坡布置强震监测点，监测左右岸坝肩及下游坝基的地震动多点和多维输入情况。
2)横缝开度动态监测。由于转折坝段受力、体型情况均较为复杂，在地震工况下横缝开度变化直接影响止水的工作状态，因此有必要对转折坝段横缝在地震工况下开度进行动态监测，采用在转折坝段横缝布置光纤光栅测缝计作横缝开度监测。
3)应力动态监测。选择在8号，11号和14号转折坝段的上游坝面、坝踵、上游起坡点、上下游坝头等体型变化部位抗震钢筋上布置光纤光栅钢筋计，监测地震工况下钢筋应力。
3.7 水力学监测
黄登大坝泄水建筑物水力学监测主要包括遗留表孔、泄洪放空底孔、水垫塘以及下游护岸等。监测项目设置有水流流态及水面线、泄流水舌轨迹、动水压力、底流速、空穴监听、不平整度及空蚀调查、振动与下游雾化等。
4 监测新技术的研究和应用
在满足现行有关规范的前提下，为更加全面和高效地监测大坝安全，黄登大坝安全监测设计时进行了大量的调研工作，并对监测新技术和手段进行了研究和应用，主要有如下几个方面：
1)采用分段埋设双金属标进行高程传递。对于混凝土坝，目前通用的做法是在大坝坝体内设置专门的竖井或竖向监测孔，沿竖井或竖向监测孔悬挂铟钢尺进行高程传递。
对此，黄登大坝监测设计时进行了创新，采用双金属标进行高程传递，为实现自动化监测，保证数据的及时性和实时性提供了解决办法。具体为在8号及14号从坝顶至坝基廊道分段布置双金属标，将坝外的水准高程传递至坝内。坝基廊道内双金属标点作为水准工作基点，日常观测时不需要校核，当怀疑有位移和水准网需年度复测时，利用8号及14号坝段双金属标从坝顶进行校核。
2)采用光纤光栅监测仪器进行地震工况下的动态监测。由于转折坝段受力、体型情况均较为复杂，在地震工况下横缝开度变化和应力变化直接影响大坝的工作状态，因此采用在转折坝段横缝布置光纤光栅测缝计和钢筋计作地震工况下动态监测。
3)采用真空激光准直系统监测坝体变形。变形作为大坝工作状态最重要和最直观的指标之一，高精度和实时的变形监测至关重要。由于传统的表面变形监测点不能实时监测，且垂线布置数量有限制，为弥补上述不足，在大坝坝顶布置了真空激光准直测量系统，从而实现自动、高精度地监测大坝变形。
5 结语
黄登水电站大坝为世界在建的最高碾压混凝土重力坝，坝高超过200 m，存在很多超越现有规程规范的技术应用，其管理和运行均无经验可循。为全面有效的监控大坝安全，更好地为工程建设运行服务，黄登大坝安全监测设计开展了大量的研究分析和论证工作，布置了相对完善和有针对性的安全监测体系；同时，针对工程特点，对部分监测新技术和手段进行了研究和应用。目前，黄登水电站大坝安全监测正是实施高峰阶段，已取得的工程安全监测成果为掌握大坝形态及验证工程措施实施效果提供了较为重要的依据。
[1] 吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用[M].北京:高等教育出版社,2003.
[2] 张万奎，王文远，黄德凡.黄登水电站大型不良地质体勘察研究[J].云南水力发电,2015,31(5)：82-83.
On safety supervision design of ultra-high rollercompacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station
Hu Lingzhi Zhang Shuai Tan Shanshan
(Kunming Survey and Design Instittute Co., Ltd, Power Construction Corporation China, Kunming 650051, China)
In order to ensure the safety of ultra-high roller compacted concrete gravity dam at Huangdeng Hydropower Station, the paper allocates the safety inspection system at the dam, illustrates the main contents and programs in the dam supervision design, and introduces some monitoring techniques, so as to improve the accuracy of the supervision.
hydropower station, safety monitoring system, dam foundation, stress
1009-6825(2016)34-0208-03
2016-09-24
胡灵芝(1980- )，女，高级工程师
TV642.3
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