张家咀水库大坝安全监测系统施工方法.docx

张家咀水库大坝安全监测系统施工方法刘海林，钟敬全，刘 鸣（长江科学院，湖北 武汉430010）摘 要 ：介绍了张家咀水库大 坝安全监测系统的施工方法 ，对施工中遇到的问题 ，如高水头深孔内渗压计的埋设安装和 深孔测斜管的回填等提出了切实可行的应对措施 ，可为相应工程提供参考 。关 键 词 ：张 家 咀 水 库 ；大 坝 安 全 监 测 ；施 工 方 法 ；处 理 措 施Title:Construction of the dam safety monitoring system at Zhangjiazui reservoir by LIU Hailin, ZHONG Jingquan and LIU Ming Yangtze River Scientific Research InstituteAbstract:This paper introduced the construction of dam safety monitoring system at Zhangjiazui reservoir, and some treatment measures were put forward according to the problems encountered in the construction, such as the installation of embedded os- mometers in the highhead deep hole and the backfill of inclinometer tubes in deep hole The construction technology can offer a reference for similar engineering in the futureKey words: Zhangjiazui reservoir; dam safety monitoring; construction technology; treatment measures中 图 分 类 号 ： TV5475文 献 标 识 码 ：B文 章 编 号 ：16711092（2009）020046041工程概况2浸润线和绕坝渗流监测施工张家咀水库是一座以灌溉为主 ， 兼 顾 防 洪 、发电 、养 殖 和 旅游等综合利 用 的 大2 型 水 库,控 制 流域面积 115 km2，总库容 1104 亿 m3。 枢纽工程由大坝、溢 洪 道 、东 输 水 管 、西输水管和坝后电站等建筑 物组成。大坝为薄心墙高土石坝 ，坝顶高程 2565 m，最大坝高 72 m，心墙高 67 m，心墙顶宽 20 m，坝顶长1 168 m，宽 99 m。大坝原有安全监测设施始建于建坝初期 ，经 过30 多 年 的 运 行 ，大部分设施已经陈旧 、老 化 ，甚 至 失 效 。 监测手段原始而落后 ，平时的工程观测和资 料整理均为人工操作 ，劳 动 强 度 大 ，且 无 法 为 水 库 防洪和工程管理 提 供 及 时 、 可 靠 的 信 息 。 根 据SL6094土石坝安全监测技 术 规 范 规 定 ：“已 建 坝 监测设施不全或损坏 、失 效 的 ，应根据情况予以补 设或更新改造 。 当工程进行除险加固 、扩建、改建或 监测系统更新改造时 ，应根据本规范有关规定做出 监测系统更新设计 ，精 心 实 施 ，并保持观测资料的 连 续 性 ”，对大坝安全监测系统进行了更新改造 ，大 坝 原 有 上 、下游水位监测设施和渗流量监测设施经 翻修后可继续使用 ， 本监测系统包括以下几项 ： 浸润线和绕坝渗流监测 ；粘土心墙底部接触带及 粘土心墙渗流压力监测 ；内 部 变 形 监 测 ；表 面6 个 浸 润 线 监 测 断 面 中 有 5 个 采 用 测 压 管 ，1个断面采用渗压计 。 桩号 0150、0275、0475 断面 均设 4 根测压管 ，桩 号 0650、0862 断 面 均 设 2 根 测压管 ， 共 计 16 根 。 桩 号 0364 断 面 设 4 个 渗 压孔 ，在 2 号 、4 号孔压孔坝基砂卵石层内均增设 1支渗压计 ，共计 6 支。绕坝渗流监测共设 5 根 测 压 管 ， 右 岸 3 根 ，分 别 位 于 0035、0015、0080 断 面 ；左 岸 2 根 ，设 于1115 断面。21 成孔采 用 150 型地质钻机 干 钻 钻 进 ， 130 mm 开 孔 ，进尺 30 m 后跟进套管 ，保护孔口同 时 导 向 钻 杆 ，保 证钻孔质量。 采用水平尺控制孔斜，开钻前用水平尺调整钻机和钻杆的垂直度 ， 开钻后大概每进尺 5 m校正一次，最终孔斜控制在 02以内。 测压管要求 埋设在坝体内，不得钻穿坝基砂壤土层。 当孔内水位较高时，可在见水后钻进 20 m 即终 孔 ，坝 基 砂 壤 土 层 厚 度 0668 m， 坝体代料某些局部含粘土较多 似坝基砂壤土层 ，为了达到设计深度又不钻穿 。坝 基 砂 壤 土 层 ，预计要钻至设计深度 时 控 制 钻 进 速 度 ，每次进尺不超过 03 m，及 时 查 看 岩 芯 ，当取出 03 m 连续柱状砂壤土岩芯时予以终孔 。 终孔 后测量孔深 、孔斜和孔内水位 。变形监测 。具体布置见图 1。46Dam and Safe ty 20092wwwdamcomcn刘海林，等：张家咀水库大坝安全监测系统施工方法10 mm 不同粒径干燥膨润土球回填 ，至 下 一 仪 器 埋设 高 程 后 ，回 填 约 05 m 厚 纯 净 中 粗 砂 ，接 着 将 仪 器 放 入 15 min 后读取并记录仪器读数 ， 而 后 回 填 约 05 m 厚纯净中粗砂 ，用 1 寸 PVC 管 保 护 仪 器 电 缆 后 开 始 回 填 510 mm 不同粒径干燥高 崩 解 粘 土 球 至 距 孔 口 10 m 处 ，封孔方法与测压管相同 。 仪 器 埋 设 24 h 后 用 读 数仪读取仪器频率和温度 ，作为仪器的初始读数 。23 管口保护渗压计孔孔口保护采用砖砌保护井 ，加 预 制 混 凝 土 盖 板 ，施工时使盖板高 程低于该处地面 15 cm左右，盖板上部用土或草皮覆盖 。测压管管口出露于地 面 以 上 ，保护装置须能够 防止人 、畜对测压管的破坏 ，同 时 ，保护装置亦需要 有自保功能 ，不仅要坚实牢 固 ，还要考虑当地实情 。 张家咀水库库区是一个完全开放的环境 ，坝 顶 公 路 过往车辆及行人较多 ，不便监督管理 。 据水库经验 ， 坝区内出露在地表以外的大块铁构 件 设 施 基 本 已 被 人 盗 走 ，因 此 ，在选用铁构件保护装置时 应 尽 量减少出露在地表可活动铁构件的重量 。 本工程采用图 2 所示保护装置 。图 1 大坝安全监测系统平面布置图 Fig 1 Distribution of dam safety monitoring system管材埋设22221 测压管埋设测压管采用内径 45 mm 优 质 PVC 管 ，花 管 段面积开孔率 1020，由导管加工而成 ，花 管 外 包扎无纺土工织物 。 下管前在孔底填约 10 cm 厚纯净 干燥中粗砂作为反滤料 ， 按顺序吊装连接测压管 ，管身就位后回填反滤料并记录反滤料顶高程 ，反 滤 料要求干净中粗砂 ，顺管壁缓慢往下滑 ，并 往 孔 内 灌注适量水以增强回填料密实性 。 反滤料至设计高程后回填粘土至距孔口约 50 m 改用高崩解粘土 球回填至距孔口 10 m，将孔口开挖至回填料顶 ，逐层回填高崩解粘土球夯实封孔 。 封孔后检验测压管灵敏度，在库水位稳定期进行注水试验。 根据测压管 花管段长度和进水段周围土料性质确定注水量，注水后按 1 min、2 min、5 min、10 min、15 min、20 min、30 min、60 min、120 min、24 h 时间间隔记录管内水位 ，按 相 应 规范检验其灵敏度 。222 渗压计埋设图 2 测压管管口保护装置(单 位 ：mm)Fig 2 Protection for piezometric tube end保 护 装 置 由 直 径 110 mm 无缝钢管加工而成 ， 分 上 下 两 段 ，下 段 为 300 mm 长 管 座 ， 浇 筑 于 地 下 作为保护装置锚固段 ， 上 段 为 50 mm 长 可 活 动 管 盖 ，上段内部均匀焊接三个螺帽 ，下 段 在 管 壁 相 应 位置开孔 ，上、下两段由内六角螺丝相连 ，管 内 外 壁 均刷银粉漆以防锈 。 埋设 时 ，以测压管为中心开挖 直径 40 cm、深 50 cm 坑，在坑内填少量的 混 凝 土 并 压实作为管座基础 ，将管座套在测压管外 ，使 测 压 管 顶 部 的 PVC 盖头高出管座顶部 3 cm 左 右 ，太 长 则 上 段 5 cm 管 盖 盖 不 上 ，太 短 则 原 有 PVC 保 护 盖 不便拿出 。 保护盖就位后 ，在测压管与管口保护管 之间回填干净中粗 砂 至 PVC 盖 底 ， 保 护 管 外 浇 筑 混凝土并捣实至孔口 ，管口地面浇筑成小坡度以排 渗压计使用前率定检验 ，合 格 方 可 使 用 。根 据孔 深 焊 接 电 缆 ， 电缆长度一般大于孔深 40 m 为宜。 埋设前饱和 24 h，并用细铜网加干净中粗砂将 渗压计包裹作为反滤装置 。 钻孔完毕测量并记录孔内 水 位 ，将仪器放入孔内指定高程 ，待 温 度 稳 定 后根 据 读数仪的读数计算孔内水位， 与实测水位相比 较，确定无误后将仪器提起，根据底部孔径，先往孔内 缓慢回填约 05 m 厚纯净中粗砂，将仪器放 入 15 min 待温度稳定后读取并记录仪器读数 ， 接 着 回 填 约05 m 厚纯净中粗砂 ，随时测量回填面高程 ，保 证 仪 器集水段厚约 10 m。 用 1 寸 PVC 管从上到下穿过 仪器电缆线并尽量插入砂层 内 ，某些孔内需埋设两 支仪器 ，电缆线稍微靠近孔壁 。 集水段顶部采用 547wwwdamcomcn20092 大坝与安全By LIU Hailin:Construction of the dam safety monitoring system at Zhangjiazui reservoir水。 将各测压管编号用防水油漆喷于管盖上 。固。 测斜管导槽采用经纬仪精确定位 。 测斜管用于监测坝体内部微小位移 ， 必须保证其自身的稳定 ， 在深孔内回填质量的保证是个值得探讨的问题 。 现 场采用如 下 控 制 方 法 ：首 先 ，控制回填料质量 ，回 填 料选用易密实的砂料 ，现 场砂料取自河床 ，粗 颗 粒和杂质较多 ，回填前过 10 mm 筛；其次是回填方法 ，将砂顺着测斜管的光滑管壁缓慢投入 ，以 防 砂 粒 粘 附在孔壁上堵塞通道 ；最 后 是 回 填 技 巧 ，根 据 回 填量估计回填高度 ，当 回 填 约 50 m 厚 时 ， 顺 管 壁 往 孔内倒入一定量水使其密实 ，经现场采取简单试验 3 粘土心墙底部接触带及粘土心墙渗流压力监测施工桩 号 0275、0364 断面心墙内和心墙 底 部 接触带各埋 设 2 支 渗 压 计 ， 钻孔方法与测压管相似 ， 但由于心墙内水位较高且 两 孔 孔 深 均 达 70 m， 孔 水 柱 均 在 20 m 以 上 ， 如此高水位深孔内反 滤 料 的回填必须 细 致 谨 慎 ，为了保证渗压计能有设计要求 10 m 厚 集 水 段 ，对回填中粗砂做了相应处理 ：将 中 粗 砂 倒 入 深 12 m、储满水的大桶内 ，15 min 后 将 水 倒掉，取得底部中粗砂用来回填 。 根据钻孔底部孔 径和设计集水段厚度 ， 计 算 得 所需中粗砂体积 V。 先往孔内回填 07 V 中粗砂 ，30 min 后放入渗压计 ， 待温度稳定后读取仪器读数并计算相应孔内水位 ， 与埋设前测量水位相比较 ，同时应考虑回填砂料的 体 积 ， 二 者 相 差 在 20 cm 以 内 可以认为仪器正常 ， 接着往孔内回填 06 V 中 粗 砂 ，30 min 后 测 量 得 渗 压计集水段厚 11 m，达到设计要求 。验证，水量以新增回填料体积的 1 41 3 为 宜 ，随着回填 高 度 的 增 加 ，注入水量可相应增加至新回填 料体积的 1 2。 直至距孔口 50 m 后，采用与测压管 相同方法回填和封孔 。测斜仪安装前先确定并标识仪器的正负向 ，按 照设计的深度间隔将仪器连接好 ，检查各仪器的滑 轮 和 接 头 ，特别是测斜仪 顶部的万向接头 ，一 定 要 保 证 其 灵 活 性 ，合 格 后 在 仪器滑轮涂上黄油 ，将 仪 器的正向对着坝体下游坡 ，按顺序依次就位 。5 表面变形监测施工4内部变形监测施工工作基点和校核基点采用视准线法观测水平位移 ，水准法观测竖向 位移，水平位移与竖向位移共用一个观测点 。 共 设 四条视准 线 ，上 游 坝 坡 一 条 、坝 顶 一 条 、下 游 两 平 台5141 方案设计桩 号 0265、0465、0640 断面坝顶下游 坝 肩 往 下 游 15 m 处 各 设 置 1 根 测 斜 管 ，测 斜 管 底 部 嵌 入弱风化层 20 m。 设计要求 0265 断面采用自动化 监测，孔内按间距 30 m 布设固定测斜仪 ，据地质资 料 分 析 ，孔 深 约 66 m，需 22 个 测 斜 仪 ，内 径 60 mm 铝合金测斜管无法容纳 22 个测斜仪的电缆线 。 考 虑 坝 长 超 过 1 000 m， 坝 体 内 相 隔 10 m 两 断 面 的 横向变形可以近似 认为相同 。 因此，为了保证 观 测 精度，在桩号 0266 断面增设一自动测斜孔，两孔内上 各 一 条 。工作基点均坐落于土基上 ，依 据 SL6094土石坝安全监测技术规范 相 关 要 求 ，采 用 图 3所示型 式 ，现浇混凝土结构 。 校核基点结构型式与 工 作 基 点 相 同 ，校 核 基 点 均坐落于岩基上 ，浇 筑 前 将岩石清基打毛洗净 ，顶部强制对中板用水平尺精 确整平 ，制作完毕立即装设保护盖 。按间距 60 m 错落布设测斜仪 ，将所有测斜仪按 高程综合到同一断面进行计算 ， 保证间距 30 m 处 有一固定测斜仪。42 管材埋设自动测斜管为铝合金材质 ，管间外接接头采用 铆 钉 连 接 ，埋设前顺序钻好 铆 钉 孔 ，将 相 应 各 管 编号 ，并 做 好 对 接 记 号 。 人 工 测 斜 管 为 PVC 管 ，管 间 连接用自攻螺丝 ，不须编号和做记号 。 管材吊装时 ，严格对接不能留有孔隙 ，听到两管对接声后开始锚 图 3 坐落于土基上的工作基点(单 位 ：cm)Fig 3 Base point on the soil foundation观测标点观测标点按间距 100 m 设 置 ，根 据 现 场 实 际 情5248Dam and Safe ty 20092wwwdamcomcn刘海林，等：张家咀水库大坝安全监测系统施工方法况，为了保证观测设施在满足精度的同时具有更高 的安全性和更长的使用寿命 ， 结合当地成功经验 ，观测标点采用图 4 所示结构 型 式 ，柱身为现浇混凝 土，保护装置为预制混凝土 框 架 。 将标点埋设于地 表以下 ，顶部预制混凝土盖板无法完全隔绝表面雨 水 进 入 ，柱 身 顶 部 突 出 20 cm 高小墩以防积水腐蚀 观测设施 ，浇筑时在四角预 留 排 水 管 。 十 字 线 板 用于观测横向水平位移 ，用长宽厚为 2051 cm 的 镀锌扁钢加工而成,底 部 焊 接 03 m 长 螺 纹 钢 锚 固于标点柱身 ；竖向位移观测设施为经抛光磨平的不 锈 钢 珠 ，焊 接 10 m 长螺纹钢锚固于标点柱身 。 观 测标点埋设时精确定位 ，使观测水平位移的十字板中心位于相应视准线上 ，误差小于 10 mm。6 运行效果分析根据不同库水位下主要断面测压管 、渗 压 计 和测 斜 管 的 监 测 资 料 ，如 表 1、图 5 所 示 ，分 析 得 出 结 论，施工方法和相应处理措施是合理可行的 。位 移 mm混凝土混凝土混凝土图 5 不同库水位下自动测斜管深度位移曲线 Fig5 Displacement curves measured by automatic inclinometer tubes with different water levels表 1 不同断面测点水位统计表 图 4 观 测 标 点(单 位 ：cm)Fig 4 Observation base pointTable 1: Stat