浅谈混凝土面板堆石坝原型观测设计及分析
摘要：由于混凝土面板堆石坝的设计和施工迄今仍以经验性为主，原型观测可视为经验的源泉，受到国内外水电专家的广泛重视。本文详细介绍了积石峡混凝土面板堆石坝原型观测设计，紧密结合本工程特点，监测重点突出，观测项目全面，为工程安全运行提供可靠依据。
关键词：混凝土面板堆石坝,原型观测,设计,分析
1工程概况
积石峡水电站位于青海省循化县内积石峡出口处，是黄河上游“龙青段梯级规划”的第五个大型梯级水电站，距青海省西宁市公路里程为206km，地理位置适中，对外交通便利。
积石峡水电站工程枢纽建筑物由砼面板堆石坝、左岸表孔溢洪道、左岸中孔泄洪洞、左岸泄洪排沙底孔、左岸引水发电系坝后厂房组成。工程规模为二等大（2）型，主要任务是发电，总装机容量1020MW。
混凝土面板堆石坝坝顶长度为324.0m，坝顶宽度为10.0m，最大坝高101m，上游坡1:1.5，下游坡1:1.4～1：1.3，防浪墙为“L”，高5.2m，坝顶高程1861.0m。
面板为不等厚，厚度t=0.3+0.003H，面板间设垂直缝；面板与趾板、坝前塔式电站进水口、左岸表孔溢洪道右侧重力式挡墙间设周边缝，发电引水钢管外包混凝土右侧边缘顶部对应的面板垂直缝设周边缝；坝顶防浪墙与面板和左岸溢洪道混凝土边墙间设伸缩缝。坝体填筑总量295万m3。
2观测目的及内容
混凝土面板堆石坝安全监测的主要目的是监测大坝在施工期和运行期间的工作实态，为大坝安全运行服务。
在确定观测项目时，依据相关规范，并结合本工程特点来确定。本混凝土面板堆石坝安全监测的重点是变形和的渗流状况。对地质条件复杂的地区，重复设置了仪器，以获得重要而全面的资料，主要监测项目：堆石体表部及内部变形、面板变形及应力应变监测、渗流监测、堆石体压力监测、周边缝和板间缝位移监测、强震监测以及岸坡位移和锚固应力监测。
3分项监测设计及分析
3.1变形监测
3.1.1坝体表面变形观测
坝体表面变形观测包括坝顶面和下游坡面水平位移、垂直位移观测。水平位移采用视准线法和交会法进行观测，垂直位移采用水准测量法观测。主要监测设施为表部水平位移测点与垂直位移测点，以及相应的工作基点。水平与垂直位移共同使用一个观测墩。每条视准线设两个工作基点及两个校核基点。工作基点和校核基点与枢纽控制网相连，便于对其进行校核。
坝顶和下游边坡布置了视准线4条，共21个测点，13大坝水平位移与垂直位移综合标点（其中6个位于观测房顶部）、8个临时观测点。
3.1.2坝体内部变形观测
坝体内部变形观测包括坝体内部水平位移、竖直位移（沉降）观测。水平位移采用引张线式钢丝水平位移计、滑动式测斜仪和振弦式位移计观测，竖直位移采用水管式沉降仪和电磁沉降仪观测。
考虑到坝址处河谷，并结合两岸岸坡及坝脚地形，本工程选择5个横断面、3个纵断面水平及竖直位移监测横断面。坝右0+88.36、0+168.36、0+248.36设内部水平位移横向监测，分别在高程1800m、1820m、1840m共设7套引张线式钢丝水平位移计。坝右0+167.36（4套电磁沉降仪）、坝右0+88.36、0+168.36、0+248.36（水管式沉降仪）设竖直位移监测，分别在高程1800m、1820m、1840m共设7套水管式沉降仪，坝0-025、0+000、0+020设水平位移纵向监测，分别在高程1830m、1835m、1837m、1842m、1850m、1855m共设12套振弦式位移计。各位置分别用于观测反滤垫层、主堆石区及次堆石区内的水平及垂直位移。位移观测设施安装于下游坝坡的观测房内，并且与下游坝坡视准线位移测点相结合以确定坝体内的位移变化量。
3.1.3坝体内部位移监测方法
（1）水平位移监测方法:引张线式钢丝水平位移计
钢丝水平位移计适用于长期观测土石坝内部的位移，了解被测物体的稳定性。可单独安装，亦可水管式沉降仪联合进行观测。
1）结构：钢丝水平位移计由锚固板，铟合金钢丝、保护钢管、伸缩接头、测量架、配重机构、读书游标卡尺等组织。
2）工作原理：当被测结构物（大坝）发生水平位移时将会带动锚固板位移，通过固定在锚固板上的钢丝卡头传递给钢丝，钢丝再带动读书游标卡尺上的游标，用目测方式很方便的将位移数据读出。测点的位移量等于实时测量值与初始值之差，再加上观测房固定标点相对位移量。观测房内固定标点的位移量由视准线测出。
（2）竖直位移监测方法:电磁式连杆式分层沉降仪
1）结构：沉降量的测量有两大部分组成，一是地下材料埋入部分，由沉降导管和底盖、沉降磁环组成；二是地面接受仪器──钢尺沉降仪，由侧头、测量电缆、接受系统和绕线盘部分组成。
2）观测方法及公式：测量时，使用钢尺沉降仪，先拧松绕线盘后面的止紧螺丝，让绕线盘转动自由后，按下电源按钮，把侧头放入导管内，手拿钢尺电缆，让侧头缓慢地向下移动，当侧头接触到土层中的磁环时，接收系统的音响器便会发出连续不断的蜂鸣声，此时读写出钢尺电缆在管口的深度尺寸，这样一点一点地测量到孔底，称为进程测读，用字母Ji表示，当在导管内收回测量电缆时，也是通过土层中的磁环，接收系统的音响器发出的音响，此时也须读写出钢尺电缆在管口的深度尺寸，如此测量到孔口，称为回程测读，用字母Hi表示。该孔各磁环在土层中的实际深度用字母Si表示。
其计算公式：Si＝（Ji+Hi）/2
式中：i──为一孔中测读的点数，及土层中磁环的个数；
Si──i测点距管口的实际深度（㎜）；
Ji──i测点在进程测读时距管口的深度（㎜）；
Hi──i测点在回程测读时距管口的深度（㎜）；
3.1.4大坝沉降分析
沉降在混凝土面板堆石坝的发展过程中一直是被人们高度重视的问题。控制堆石料的变形，以最大限度地减小堆石体的变形，保证面板与其接缝止水防渗的可靠性。
混凝土面板堆石坝变形量的大小主要受下列因素的影响：
1)材料的物理力学性质及粒径级配
堆石料质地坚硬、软化系数小，能承受较大的由堆石坝自重所产生的压应力，填筑体变形就较小。
使用粒径级配良好的石料，碾压后密实度和变形模量较大，可相应减小施工期和运行期的位移。
2)填筑、碾压方法及碾压密实度
对堆石料所采取的碾压方法不同，坝体密实度差异较大。用振动碾压新工艺的堆石坝要密实得多，变形也自然小得多。
3)坝体高度
堆石坝在一定的上下游坡度、材料级配和碾压密实度情况下，坝高愈大，水压和自重力愈大，引起的堆石体变形也愈大。
3.2渗流监测
渗流监测是指对在上下游水位差作用下产生的渗流场的监测，主要包括渗透压力观测和渗流量观测两部分。本工程区渗流监测主要为坝基、坝体渗流监测渗流量和绕坝渗流监测。坝基、坝体渗流主要监测仪器为振弦式渗压计，绕坝渗流监测设施及仪器主要为地下水位长期观测孔及平尺水位计。渗流量监测采用量水堰法进行，
4.结语
观测系统的运行，必定会为该坝安全运行起到重要作用，并为改进和提高设计、施工、技术管理提供重要的科学依据。
参考文献：
（1）黄河积石峡水电站混凝土面板堆石坝安全监测施工技术要求。
（2）《大坝安全监测与自动化》何勇军、刘成栋、向衍、范光亚著。
