引水工程500平原水库大坝安全监测系统设计

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引水工程500平原水库大坝安全监测系统设计

山东茂隆新材料科技有限公司 2021-02-06 1366


新疆北疆引水工程500平原水库库容2,81亿m3,为大(2)型水利工程,是整个引水工程的尾部调节水库。坝轴线长约17km,最大坝高28.0m,坝基为深厚覆盖层软基,由于地形限制,在坝身设有放水兼放空涵洞,其工程性态复杂。为确保工程安全运行,在大坝上设计了较为全面的安全监测系统。并从设计原则、监测项目、仪器选型仪器布置及监测成果等方面,介绍该水库大坝的安全监测系统。图1幅。

[关键词]平原水库??均质土坝??涵洞??安全监测设计

1 工程概况

新疆北疆引水工程500平原水库是引水工程的尾部调节水库,坝址位于天山北缘山前冲洪积下部细土平原区,北部为中主坝,东、西、南三面为副坝。工程自2002年4月开工建设,目前主体工程已经完成,并已于2005年9月底通水成功并开始蓄水。500水库库容为2.81亿m3,属大(2)型水库,工程等别为Ⅱ等,其主要建筑物为粉质壤土均质土坝和钢筋混凝土涵洞。坝顶高程503.00m,最大坝高28m,上游坝坡坡比为1:3.0,下游坝坡坡比为1:2.5,圆弧段490.00m高程以下放缓为1:2.75,下游坡在490 m高程处设一级2m宽的马道,坝体内部设“L”型排水体与下游坡脚排水棱体相接。涵洞为双孔城门洞型。水库主、副坝典型削面(见图1)。

该水库均质土坝有如下3个特点:一是坝轴线长;大坝全长约17.6km,其中主坝(中坝段)长8.264km,东副坝长3.038km,西副坝长3.27km,南副坝长3.104km;二是坝基为深覆盖层软基;其中东、西、南副坝坝基埋深2~4m处还存在厚2~4m的软弱夹层;三是工程的泄水建

防渗膜标准名称为聚乙烯土工膜,主要是乳白色半透明至不透明的热塑性树脂材料-聚乙烯树脂制作而成。聚乙烯是高分子聚合物,是无毒、无味、无臭的白色颗粒,熔点约为110℃-130℃,相对密度0.918—0.965;防渗膜具有良好的耐热性和耐寒性。化学稳定性好,具有较高的刚性和韧性,机械强度好,耐环境应力开裂与耐撕裂强度性能好,随着密度的上升,机械性能和阻隔性能会相应提高,耐热,和抗拉强度也更高;可耐酸、碱、有机溶剂等腐蚀。

筑物因地形限制采用在坝内埋涵洞的设计方案,均质土坝上有钢筋混凝土结构的涵洞贯穿主坝坝身。按《碾压式土石坝设计规范》(S1274-2001)要求,在软基上布置泄水建筑物时需要进行技术论证,除了在建坝前进行试验研究论证外,为确保工程运行安全,还要在大坝上设计较为全面的监测系统,仪监控工程安全。

图1??大坝典型断面监测仪器布置图

2 水库大坝安全监测系统设计原则与依据

为确保500平原水库的大坝安全,在水库大坝上设置了原型观测系统。在施工期,监测大坝填筑质量;在运行期,监测大坝的运行状态,用以保证水库大坝的安全运用,充分发挥工程效益;同时,通过积累第一手的原型观测资料,对大坝的变形、渗流以及接触土压力性状和规律进行研究。

根据《碾压式土石坝设计规范》(SL274-2001)、《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)的相关要求,大坝表面变形、坝体及坝基渗流是必须观测的项目;大坝内部重点部位的变形可进行选择性观测;大坝应力观测是选择性观测项目。就工程本身而言,本工程在坝下有放水(兼放空)涵洞穿过坝体,涵洞周围土体与涵洞的接触变形、接触渗流状态是本工程的观测重点。

3 监测系统仪器布置

根据《土石坝安全监测技术规范》(SL60-94)的相关要求并结合本工程的具体情况,500水库大坝设置有变形观测、渗流观测、接触土压力观测以及库水位水质观测等项目。

3.1 变形现测

大坝的变形观测包括大坝表面变形、大坝内部变形(沉降和水平位移)、涵洞与周围土体接触部位变形观测和涵洞结构缝变形等内容。

表面变形:大坝的表面变形观测布置在中主坝和东、西副坝上。中主坝每隔约200m设1个观测断面,每个断面设4个位移观测标点,水平位移和竖向位移观测共用。位移标点具体布置为:上、下游坝肩各1个,下游坝坡2个。总计42个断面,共设168个标点。东、西副坝每隔约300m设1个观测断面,每个断面设3个位移观测标点,水平位移和竖向位移观测共用。位移标点具体布置为:上、下游坝肩各1个,下游坝坡1个,总计14个断面,共设42个标点。表面竖向位移,采用水准法测量;表面水平位移垂直坝轴线方向分量,采用视准线法与三角网法联合观测。

内部变形观测:大坝的内部变形观测包括竖向位移(沉降)和水平位移观测。竖向位移采用干簧管式沉降仪观测,水平位移采用伺服加速度计式测斜仪观测。中坝和东副坝分别设置2个内部变形典型观测断面,西副坝设置1个典型观测断面,其桩号分别为中坝4+080、中坝4+300、东副坝0+600、东副坝1+800和西副坝1+161.376。中坝两个观测断面以及东副坝1+800观测断面在二步坝轴线处各布设1条观测剖面,东副坝0+600和西副坝1+161.376观测断面在一步坝轴线处各布设1条观测剖面,埋设沉降测斜管和沉降环,竖向位移与水平位移观测结合使用,观测中将坝基沉降与坝体沉降分开观测,同时观测东、西坝段坝基软弱夹层的水平位移。每条观测剖面上沿高程方向每间隔约2m布置1个沉降测点,间隔0.5m布置1个水平位移测点。

涵洞与坝体接触部位变形:500水库大坝下埋有钢筋混凝土结构的放水(兼放空)涵洞,用来输水和放空水库。由于涵洞为刚性建筑物且穿过坝体,涵洞与坝体接触部位容易产生差异沉降,因此沿涵洞轴线布设位移计观测涵洞与坝体间的相对变形是必要的。根据涵洞结构,沿涵洞轴线设3个观测断面,每个观测断面布置4组两向位移计,共计24支位移计。

涵洞结构缝变形:由于涵洞建在软基上,地基变形对涵洞变形的影响主要反映在对结构缝变形的影响上,因此沿涵洞轴线选择3个断面在结构缝下面埋设测缝计,用来观测结构缝的变形,每个断面设有2个测点,共6支仪器。

3.2 渗流观测

渗流观测是本工程的重点,观测内容主要包括坝体和坝基的渗透压力和围坝下游地下水位及水质观测。

渗透压力包括坝体、坝基的渗透压力和坝下放水放空涵洞沿线渗透压力观测。

坝基、坝体的渗透压力观测,主要观测水库大坝坝基、坝体的渗流情况。大坝共布置11个观测断面,共计125支GKD型钢弦式孔隙水压力计。其中,东、西副坝各设1个观测断面,桩号为东坝0+600、西坝1+161.376,这2个断面均在坝基软弱夹层处设有2支仪器,用来观测施工期软弱夹层孔隙水压力消散情况;中坝两个圆弧段各设1个观测断面,桩号为中坝2+000、中坝6+200,这两个断面的仪器主要用来观测圆弧段坝基坝体的渗流状态;在涵洞两厕各设3个观测断面,桩号为中坝3+600、中坝3+850、中坝4+080、中坝4+300、中坝4+600、中坝4+797.794,主要用来观测涵洞两侧坝基、坝体的渗流情况。

涵洞沿线渗透压力观测,是在沿涵洞轴线的重点结构缝布设观测断面,以监测沿涵洞轴线的渗流情况。沿涵洞轴线共设置6个观测断面,每个断面布置6支孔隙水压力计(涵洞上、下、左、右、左上角、右上角各布置1支)。共计36支孔隙水压力计。

坝体渗透水位观测:为了和孔隙水压力计的观测结果相比较,在高坝的两个圆弧段渗透压力观测断面附近各设1个观测断面用测压管观测坝体渗透水位,这两个断面的桩号分别为中坝2+010、中坝6+210,每个断面各布置4支测压管,共计8支。围坝下游地下水位及水质观测:为监测围坝下游地下水位及水质变化情况,在中坝共设置5个观测断面,其中,中坝直线段设3个观测断面,中坝的两个圆弧段各设1个观测断面,每个观测断面设5个监测孔,以了解水库蓄水前后下游地下水位及水质的变化情况。

土压力观测:为了观测涵洞与周围土体的接触情况,沿涵洞轴线布置3个断面埋设界面式土压力计进行观测。每个断面埋设6支土压力计,共计18支。

库水位观测:为观测库水位,设水位观测点1个,用水位计进行观测。

4 监测系统取得的初步成果

监测系统设计完成后,工程施工过程中严格设计要求进行埋设施工。施工期监测到的大坝最大沉降量(含坝基)为715mm,其中坝基沉降量占87%左右,表明大坝沉降主要有坝基引起,监测成果为正确、客观评价工程质量发挥了十分重要的作用。

涵洞部位的变形监测成果表明,涵洞部位坝体与涵洞别之间的接触情况良好,为判断大坝工作性态提供了十分重要的资料,表明涵洞部位的土料选择、压实标准等是合理、科学的。

坝体内部水平位移观测成果表明,尽管坝下又软如夹层存在,由于选择了合理的施工方法,大坝施工期的水平位移均较小,最大值均没有超过20mm,沿深度方向变化不大,且有收敛的趋势。

孔隙水压力观测结果表明,大坝施工期,除个别埋设较低的孔隙水压力计测值受地下水影响外,大部分孔隙水压力计所测结果为填土固结产生的孔隙水压力,其测值均不大。

5 结??语

新疆北疆引水工程500平原水库大坝的监测成果表明,监测系统设计方案是合理的。仪器布置方案及仪器数量既满足了规范要求,又根据工程特点进行了重点观测,充分体现了照顾一般,突出重点的设计理念,观测成果具有很强的针对性和实用性,对评价工程安全起到了重要作用。

安全监测系统在工程建设中,是一个较小的工程,但其作用十分巨大,许多工程的失事就是没有科学、完整的监测系统,当工程出现问题时不能及时发现所致。因此,设计一套完整、合理的监测系统,对确保工程安全是十分重要的。

参考文献:

[1]??SL274-2001,碾压式土石坝设计规范[S].

[2]??SL60-94,土石坝安全监测技术规范[S].

[3]??陈生水,霍家平等.新疆引额济乌工程500水库大坝施工期原型观测及资料分析[R].南京水利科学研究院,2005,6.


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