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1、长洲水利枢纽大坝外部变形观测刘明军 中电投南方电力有限公司 广州 510130摘要：安全监测是大坝安全管理的耳目，是了解和掌握大坝性状变化和安全状态的主要手段。本文对长洲水利枢纽内、中、外三江、船闸控制楼、进行沉陷位移在不同时间段，以相反次序进行返测，得到大坝外部变形观测数据，以期做到防患于未然，确保大坝安全运行的目的。关键词：长洲；大坝变形；观测；垂直位移我国现有大坝8万余座，在国民经济中发挥了巨大的经济和社会效益。然而，由于多种原因，如水文、地质、老化等，部分大坝存在安全隐患，影响了工程效益的发挥和下游人民的生命财产安全。上个世纪我国板桥、石漫滩等大坝失事至今仍让人心有余悸。大坝安全已引起
2、政府高度重视，国家相继成立了水电站大坝安全监察中心、水利大坝安全监测中心来具体管理1。监测工作是确保大坝长期安全运行的重要手段，是水工建筑物工程管理的耳目2。通过监测设备获取监测部位数据，进而揭示大坝运行状态，评估大坝安全状态3。1. 工程概述长洲水利枢纽位于西江水系干流浔江下游河段，坝址位于梧州市长洲岛端部，枢纽坝轴线横跨两岛、三江，是一座以发电为主，兼有航运、灌溉和养殖等综合利用效益的大（1）型水利工程。长洲水利枢纽主要建筑物分内江、中江、外江三江布置：内江枢纽由12孔泄水闸、6台灯泡贯流式水电机组厂房段、左右岸接头重力坝、碾压土石坝及开关站组成；中江由15孔泄水闸和左右岸接头重力坝组成；
3、外江由16孔泄水闸、9台灯泡贯流式水电机组厂房段、千吨级船闸、重力坝段、土石坝以及开关站和鱼道组成。电站总装机容量为630MW，采用15台灯泡贯流式发电机，年发电量30.143亿kWh。水库总库容56亿m3，正常蓄水位20.6m时库容18.6亿m3，汛期限制水位18.6m。2. 观测方案本次测量严格按照国家一、二等水准测量规范中关于一等水准测量的各项技术要求，对水准路线进行往、返观测，采用徕卡DNA03数字水准仪配合铟钢条码尺，严格按照国家一等水准观测顺序进行作业，往、返测奇数站观测顺序为“后前前后”，偶数站为“前后后前”。水准路线在不同时段进行往、返观测。观测过程中观测仪器和设备固定，观测人
4、员固定，以及在基本相同的环境和条件下进行观测。外江坝顶监测点沉陷位移观测路线：从长洲水利枢纽水准网工作基点水6起，经过外江2#船闸右闸首WLD-8测点，进入船闸和重力坝段，进入泄水闸坝段后由WLD16测点往左岸方向逐点测至外江厂房安装间砼墩的WLD41测点，最后附和到泗化洲岛土坝水准工作基点水5，组成附合水准路线。在不同时间段，以相反次序进行返测。中江坝顶监测点沉陷位移观测路线：从泗化洲岛水准网工作基点水5起，经泗化洲岛土坝ZLD1，测至右岸重力坝，往左岸方向经过中江泄水闸墩各监测点，测至左岸重力坝ZLD27，最后测至长洲岛水准网水准工作基点水4，组成附合水准路线。在不同时间段，以相反次序进行
5、返测。内江坝顶监测点沉陷位移观测路线：往测是由长洲岛水准网水准工作基点水4起，经过长洲岛土坝坝顶各监测点，进入内江重力2号坝段NLD2点、经内江3、4号重力坝及泄水闸坝段、厂房发电机组段以及安装间砼墩各监测点，测至内江土坝坝顶上游的NLD44，最后附合到内江土坝水准网水准工作基点水3，组成附合水准路线。在不同时间段，以相反的次序进行返测。3. 观测成果及精度分析（1） 从本次观测结果来看，各江土坝整体表现为下沉现象，内江厂房以及内江泄水闸段表现为上抬现象，中、外江泄水闸坝段整体表现为上抬现象；（2） 结合各江变形成果表来看，本次下沉量最大的为长洲土坝坝顶上游的ZLD35点，最大下沉量为+6.6
6、5mm，本次上抬量最大的为外江2#船闸右闸墙的WLD8，最大上抬量为-1.67mm；（3） 埋设在回填土基础上的监测点沉降位移与上次观测相比仍然呈下沉现象，对于土坝上的各监测点本次位移变形值下沉较大的主要原因是载重车辆频繁进出，加上回填土未完全稳定导致位移变形量继续呈现下沉现象；（4） 本次测量中平均气温为23，气温较上次观测有所下降，结合各江典型测点观测曲线可以看出，各监测点呈周期性变化，监测周期主要受温度的影响，即温升时坝体上抬，温降时坝体下沉，呈弹性变化，符合混凝土坝体变形规律；（5） 结合前两年的观测曲线可以看出，在长洲水利枢纽工程中，气温的变化始终是影响大体积混凝土建筑物变形的主要因
7、素。关于船闸控制楼的沉降位移已从初期的下沉量大到现在逐渐趋于平稳状态，从最近几期监测数据来看，船闸控制楼的沉陷速率已相对减缓，但还需要对该建筑物进行持续性加密观测，便于掌握最新的数据动态。表1 各水准路线及限差情况部 位测站数水准路线长往返测高差不符值往返测高差允许不符值备 注站(Km)(mm)(mm)水5新水6421.297+1.742.278外江水准路线水4水5360.998-1.231.998中江水准路线水3水4451.3897-1.362.358内江水准路线新水6新水6380.998-0.622.358控制楼水准路线注：往返测高差允许不符值限差=2， K为测线公里数本次水准观测各江往返
8、测高差良好，符合一等水准测量规范。从本次各江观测成果表可以看出，内江泄水闸主要以上抬为主，最大上抬量为1.48mm，内江土坝仍然表现为下沉现象，最大下沉量为4.74mm；中江泄水闸主要表现为下沉现象，最大下沉量为1.34mm；外江厂房、泄水闸段主要以下沉为主，最大下沉量为0.8mm。由此看出本次观测除却内江土坝外各江各工程部位变形量较小，内江土坝各观测点受重载车辆影响，从观测至今仍呈下沉状态。4. 变形分析本次测量期间外界天气情况主要为晴天，平均气温为23，本次观测成果与之前观测成果的对比分析如下。4.1 外江水工建筑物变形情况及分析4.1.1 坝顶垂直位移随时间变化情况图1 外江各坝段典型测
9、点垂直位移随时间变化情况过程图（1）图中位移值符号为“+”表示测点下沉，位移值符号为“-”则表示为测点上抬；（2）外江船闸坝段：布设5个测点(WLD08WLD12)，各监测点均表现为上抬，本次最大上抬测点为WLD-08，上抬量为-1.67mm；（3）外江泄水闸坝段：各观测点主要表现为下沉现象，外江泄水闸段测点呈弹性变化，符合混凝土坝体变形规律，各测点间下沉变化幅度相差不大；（4）外江发电厂房及安装间坝段：各监测点均表现为下沉现象，位移量呈弹性变化，发电厂房及安装间段各测点位移在+0.2+0.8mm间变化，各测点位移变化量相差不大，最大下沉测点为8#机左边敦上端的WLD36点；（5）各监测点累计
10、位移量呈周期性变化，变化周期主要受温度的影响，即温升时坝体上抬，温降时坝体下沉，呈弹性变化，符合混凝土坝体变形规律。4.1.2 坝顶垂直位移沿坝轴线分布选取温度大致相同的两个时间段（2011年9月、2012年10月）的位移值绘制坝顶垂直位移沿坝轴线的分布图，以了解坝顶垂直位移纵向分布规律及各坝段间纵向沉降情况。图2 外江坝顶垂直位移沿坝轴线分布图（1）各测点沿坝轴线方向位移符号基本为“+”，外江泄水闸、外江厂房及安装间段整体表现为下沉现象，外江船闸段整体表现为上抬现象；（2）外江混凝土各坝段在两个时间段内沿坝轴线方向各测点位移值变化趋势较为一致；（3）外江坝顶垂直位移除个别测点外其余各测点间位
11、移变化情况相差不大，表明度汛时期外江坝顶各测点未发生趋势性位移变化情况。4.2 中江水工建筑物变形情况及分析4.2.1 坝顶垂直位移随时间变化情况图3 中江水工建筑物典型测点累计位移过程曲线（1）图中位移值符号为“+”表示测点下沉，位移值符号为“-”则表示为测点上抬；（2）中江1-2#重力坝段：布设了2个监测点（ZLD-4、ZLD-5），受温度下降的影响，各点均呈轻微下沉现象，符合混凝土变化规律，该两处测点本次位移变化量分别为+0.67mm、+0.38mm，累计沉降变形值分别为+4.74mm、+5.44mm；（3）中江泄水闸坝段：在泄水闸1-16#闸墩上游处各布设1个测点，共计16个测点（ZL
12、D-6ZLD-23）监测坝体沉降位移变化情况，本月受气温下降的影响各监测点与上次（2012年7月）相比整体呈现下沉现象，各监测点位移变形值在+0.36+1.34mm之间变化，测点间变形值相差不大；（3）中江左岸长洲岛土石坝段：布设15个测点（ZLD-27ZLD41），长洲岛土坝的各监测点在本次测量当中均表现为下沉状态，下沉位移值在+1.04+6.65mm之间变化，长洲岛土坝各监测点自开测以来一直呈下沉趋势，累计下沉量最大的是位于长洲岛土坝与中江左岸重力坝结合处的ZLD-27点，该测点自开测以来下沉量已达79.72mm；（4）中江泄水闸段监测点受温度变化影响明显，即温升时坝体上抬，温降时坝体下沉
13、，呈弹性变化趋势，符合混凝土坝体变化规律。为了解该点的状态和沉降情况，现绘制ZLD-27点的沉降过程曲线图。图4 中江左岸接头土坝ZLD-27累计沉降位移过程曲线从图中可以看出，中江左岸接头土坝的ZLD-27点自2009年开测以来到现在一直处于下沉状态，前期下沉速率快，中间出现过一段时间的平缓期后下沉速率再次加快，变化幅度较大，后期下沉速率逐渐回落，该测点沉降值仍在变化当中，变化值逐渐趋于稳定，该点变化情况还有待以后对其进行持续性监测与分析，以掌握该点沉降状态。针对该点部位出现下陷现象及该点继续呈现下沉趋势，建议加强对该部位的巡视和监测。4.2.2 坝顶垂直位移沿坝轴线分布为了解中江坝顶垂直位
14、移沿坝轴线纵向分布规律及各坝段间纵向沉降情况，选取观测温度大致相同的两个时间段（2011年9月、2012年7月）的变形值绘制中江坝顶垂直位移分布图。 图5 中江泄水闸垂直位移沿坝轴线分布（1）除却中江4-6#重力坝的ZLD26、ZLD26、水17测点外，其余各测点沿坝轴线垂直位移符号基本为“+”，坝顶整体变形表现为下沉现象；（2）沿坝轴线方向各测点间的变形值较为平顺，变化趋势较为一致，无明显较大变形值出现，反映在汛期过后中江坝顶纵向分布变化较为均匀，汛期各测点未发生趋势性位移变化情况。4.3内江水工建筑物变形情况及分析4.3.1 顶垂直位移随时间变化情况图6 内江水工建筑物典型测点累计位移过程
15、曲线（1） 图中位移值符号为“+”表示测点下沉，位移值符号为“-”则表示为测点上抬；（2） 内江1#4#重力坝段：该坝段在上游侧布设的5个测点（NLD-2NLD-6）在本次监测中主要呈上抬现象，本次该坝段各监测点位移变形值在-1.36+1.04mm之间变化；（3）内江泄水闸坝段：在泄水闸1-13#闸墩上游处各布设1个测点，计13个测点（NLD-8NLD-22，其中NLD-12、NLD-19布设在3#，10#闸墩中部）。在本次测量中，各监测点均表现为上抬现象，各测点变形值在-0.03-1.48mm之间变化，各测点变形差较小，测值稳定；（4）内江厂房及安装间坝段：在14#、12#、10#机组边墩各
16、布设一个测点，分别是NLD-23、NLD-24、NLD-26，安装间上布设了3个测点（NLD-27NLD-29）。在本次测量中，厂房发电机组边墩上测点垂直位移主要受温度的影响，坝体呈下沉状态，各测点测值稳定。在观测中明显感受机组发电的影响，厂房及安装间段存在轻微的颤动，这对观测成果有一定的影响；（5）内江左岸碾压土石坝段：该部位共布设15个测点（NLD30NLD44），自埋设开测起，从测值上看，该段各监测点一直呈下沉趋势，下沉速率快，变化幅度大，该段位移值在+1.47+4.74mm之间变化，累计最大下沉测点发生在NLD42点处，累计最大下沉值为+120.75mm，由于各测点埋设在回填石渣料上，
17、测点观测系列较短，沉降值仍在变化中，还有待以后进行观察分析；（6）内江泄水闸段监测点受温度变化影响明显，即温升时坝体上抬，温降时坝体下沉，呈弹性变化趋势，符合混凝土坝体变化规律。4.3.2 坝顶垂直位移沿坝轴线分布为了解内江水工建筑物坝顶垂直位移沿坝轴线方向分布规律及坝段间纵向沉降情况，选取温度相同的两个时间段（2011年7月、2012年7月）的位移值绘制坝顶垂直位移沿坝轴线的分布图。 图7 内江坝顶垂直位移沿坝轴线分布（1）内江泄水闸坝段在本次测量中位移值变化与上年同时期位移变化值相差不大，表明泄水闸坝段各测点位移值已逐渐趋于平缓；（2）各监测点与上年同期的位移变化量较为一致，变化趋势较为一
18、致，无明显较大变形值出现，反映在汛期过后内江坝顶纵向分布变化较为均匀，汛期各测点未发生趋势性位移变化情况。4.4 船闸控制楼变形情况及分析 本次对船闸控制楼4个监测点进行了观测，船闸控制楼基础观测从2007年8月初次观测以来，到本月共观测了四年时间，初期下沉速率快，后期逐渐趋于平缓。如图8所示，从最近几次观测数据来看，船闸控制楼的基础沉降变形已逐渐趋于平缓。 图8 船闸控制楼基础沉降累计变形位移过程曲线5. 结语及建议5.1 气温的变化始终是影响变形的主要因素，大坝沉降年度周期性明显。5.2 随着时间的推移，基础沉降变形已逐渐趋于平缓。5.3 大坝安全监测是保证大坝安全稳定运行的必要手段，应结
19、合长期监测数据，对大坝安全实现分析和预测，并与大坝的运行管理相互补充，探索大坝在不良工况下的运行管理。5.4 大坝工作条件复杂，影响因素多，还有许多不确定性的影响因素，各种因素对大坝位移影响无法用确切的定量关系描述，往往存在非线性映射关系，从而影响预报精度。此外传统的原型观测抗干扰能力差，当缺乏观测资料或观测误差较大时，往往得不到理想的结果，而且耗时耗财，应结合现有监测数据，积极探讨研究人工神经网络、遗传算法等先进方法，提高监测精度和效率【3】。参考文献：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,20032 林国良,林周成.水电站大坝安全监测存在的主要问题及其对策J.西部探矿工程.2002年，S13 王金花.浅析水库大坝安全观测与运行管理J.山西水利,2007,4:80-814 彭新民,刘明军,黄财元.人工神经网络模型应用于大坝变形观测J.中国农村水利水电.2006,11：99-101作者简介：刘明军（1982.01-），男，河北秦皇岛人，研究生学历，工程师，主要从事电力项目前期及建设工作。