三峡永久船闸边坡施工监测与监控

三峡永久船闸边坡施工监测与监控

朱红五,莫晓聪,付冰清

(长江科学院,湖北武汉430019)

摘要:简述了三峡工程永久船闸边坡监测系统的监测内容及其仪器布置情况,并提出了不同监测仪器的监控指标。通过对实测数据和监控指标的比较,对永久船闸边坡的整体稳定性和局部稳定性进行了评价。文章最后指出:利用所提出的监控指标对永久船闸边坡施工过程进行监控是适用的、合理的。

关键词:三峡工程;永久船闸;监测;监控中图分类号:U641

1　概述

三峡永久船闸为双线五级连续船闸,船闸主体段全长1　607m。船闸闸室尺寸为280m×34m×5m(长×宽×槛上最小水深)。两线船闸中心线相距94m,中间保留57m宽、50m～70m高的直立岩体中隔墩,两侧开挖边坡高度最高为170m。

由于开挖边坡高且陡,而三峡坝区性状最差的断层F215正好斜穿船闸闸室,边坡直立段及中隔墩还将作为闸室墙,与混凝土衬砌结构共同承担运行时的水压力荷载,运行条件十分复杂。因此,对永久船闸边坡除要求保持稳定外,对其运行期的变形也需加以限制,以避免变形对闸门的正常开启产生不利影响。为了监视边坡的性状变化和稳定状态,在边坡设计时对高边坡考虑了比较完整的监测系统,采用多种手段在边坡施工和运行期进行长期跟踪监控,重点布置了13-13,15-15,16-16,17-17,20-20五个监测剖面(见图1)。

与监控标准的比较来验证或修改设计,并在必要时采取工程措施,纠正偏差,确保边坡工程的长期稳定。通过施工过程中的反复循环,使设计分析理论不断完善,并更加符合实际(边坡监控流程见图2)。

图2　监控流程图

2　施工监测

在永久船闸的安全监测系统中,共采用了十余种监测手段。监测内容包括边坡地表和深层岩体变形、地应力及其变化、地下水及地表水、锚杆及锚索受力情况、岩体波速及松弛范围、爆破振动效应等。211　变形监测

边坡变形监测包括地表变形和岩体深部变形监测,地表变形监测主要采用大地测量中的三角交汇法来控制边坡的整体变形。测点布置在边坡各级马道及中隔墩顶部,同时,还在局部不稳定块体上布置了少量测缝计;深部变形监测采用钻孔倾斜仪、多点位移计以及伸缩仪等,其中钻孔倾斜仪与外部变形监测点一样布置在边坡各级马道及中隔墩顶部,以便其监测成果与外部变形监测成果的比较。多点位移计和伸缩仪则主要布置在先期开挖的边坡两侧各层排水洞的监测支洞内。212　地应力及其变化监测

地应力监测包括绝对应力测量和地应力变化监测,绝对应力测量在边坡开挖前和边坡开挖中期以

图1　双线五级船闸边坡监测剖面布置图

　　边坡监控工程包括勘测设计-施工-监测三大不可缺少的环节,这三大环节形成一个反馈通道,构成一个闭环系统。在监控过程中,首先确定监控标准,然后在施工中通过监测发现问题,根据实测资料

收稿日期:2000203216;修回日期:2000206223。国家自然科学基金《岩体边坡监控理论》资助项目(59679020)。

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

・监测技术与监测设计・　朱红五等　三峡永久船闸边坡施工监测与监控35

及边坡开挖完成后各进行一次,以了解三个不同阶段的地应力场情况,采用的方法是深孔应力解除法。地应力变化监测即在开挖前,利用原地质勘探平洞埋设应力监测仪器,以了解整个开挖过程中地应力变化的全过程。213　地下水监测

地下水是边坡失稳的主要诱发因素,在永久船闸边坡的监测系统中,地下水是主要监测对象之一。采用的方法是在先期形成的边坡两侧排水洞内钻孔,用电测水位计测量地下水位,同时,在最高层的排水洞内,除了电测水位计外,还在钻孔内埋设了多层渗压计以测量不同深度的渗透压力分布情况。214　锚杆锚索受力状态监测

为保持永久船闸边坡的稳定,根据边坡地质条件布置了系统锚杆、随机锚杆以及锚索,并对部分锚杆和锚索的受力情况进行监测。测点布置在5个主要监测断面。共安装锚杆应力计151支,锚索测力器82台。

215　岩体松弛范围监测在开挖动力荷载的反复作用下,边坡表层岩体会受到不同程度的破坏,也就是说,会在表坡表层一定范围内形成“松弛层”,“松弛层”的厚度因受到破坏程度的大小不同和岩体内本身的原生结构情况不同而异,而且“松弛层”内岩体的岩石力学性状会随着时间的推移而逐步变差,对高边坡的稳定十分不利。为了确定边坡“松弛层”的厚度以及“松弛层”内岩体岩石力学性状的变化,进行了大量的监测。边坡松弛厚度的检测采用声波法。松弛层内岩体力学性状变化的监测采用了钻孔弹模法。在边坡整个开挖过程中,共进行了468孔声波测试,127条地震测试,12孔钻孔弹模测试。216　爆破振动监测

在5年的边坡开挖过程中,对边坡施工中的大规模爆破进行了数百次爆破振动监测及爆后宏观巡视检查。监测内容主要是质点振动速度、加速度和动应变。

表1　部分监测仪器的监控指标

仪器

外部变形名称

钻孔倾

测缝计斜仪

锚索测力计

锚杆应力

多点位移计

质点振动

声波波速速度

使用变形变形变形速率变形极值预应力设计经实测经验规程、规范规程、规范

承载力

方法极值速率趋势分析趋势分析损失率验极值相对变化率标准、经验标准、经验监控80mm5mm2mm指标󰃗月󰃗月应用

整体局部局部范围

7mm100kN3%430MPa013mm

100cm󰃗500m󰃗s4　s

󰃗月局部

󰃗月

局部

󰃗月

F215断层

局部局部整体整体

计→施工→监测→反馈设计(验证或修改设计)→施

工→监测反复循环监控。

31211　利用变形极值监控边坡的整体稳定性

表1中,外部变形的监控指标为80mm,通过对144个外部变形监测测点的实测资料的分析,所有测点的变形均小于该监控值,说明永久船闸高边坡整体是稳定的。31212　利用深部位错监控边坡的局部稳定性以位于17-17剖面的钻孔倾斜仪IN17GP02的监测资料为例(图3),该孔于1998年10月至11月,在地质缺陷所在部位(孔深2915m处),变形突然猛增39108mm(即月变率39108mm󰃗月),在孔深015m处,位移也突增1015mm(即月变率1015mm󰃗月),实测值远远大于监控指标,监测信息反馈设计后,设计立即采取了措施。在变形剧烈的边坡范围之内,施加了3根3　000kN的锚索对局部边坡进行加固,加固后,边坡变形速率迅速减小,并最终趋于稳定(见图3)。

图3　IN17GP02孔深015m变形、外部变形、

开挖-时间曲线

31213　利用裂缝开合度监控边坡的局部稳定性

3　监测反馈及监控

311　监控指标

监控的核心是监控指标的建立。监控指标必须建立在对大量监测资料的分析以及大量理论计算和工程类比的基础上。有关监测资料的分析和监控指标的建立笔者已在另文详述[1～3],此处不再赘述。表1提出了部分监测手段的监控指标,并根据这些指标对边坡的稳定状态进行了评价。312　监测反馈

以下通过实例说明如何利用岩体边坡监控理论,通过实测数据与监控指标的比较,对边坡实施设

裂缝对边坡稳定性的影响不仅取决于裂缝的宽度,还与裂缝深度、长度以及分布有关。J03CZ32号测缝计实测结果从1998年10月开始变形速率加大最后超过7mm,为防止降雨入渗使已形成的裂缝进一步扩展,从而降低岩石结构面的承载力指标,危及直立墙稳定,设计对缝宽2mm以上的裂缝进行了骑缝灌注沥青玛蹄脂防渗处理。效果十分明显,处理后,测缝计所测变形速率逐渐减小并最终趋于稳定。31214　锚杆应力监测与边坡稳定性控制

1998年10月至1998年11月间,中隔墩15-15剖面南侧钻孔倾斜仪IN02CZ22孔孔口向北变形413mm,与之对应的外部变形测点TP󰃗BM12GP02同期也向北变形411mm。同时,相邻部

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

　　　　　　　　　　　　　　大　坝　观　测　与　土　工　测　试　　　　　　　　　　　　　36

位的锚杆应力计RS21YA所测锚杆应力也突然增加113MPa(见表2)。监测资料反馈设计后,于1999年6月在锚杆应力变化较大的部位施加了11根3　000kN的锚索,加固后,变形速率减小,锚杆应力的变化也逐渐趋于稳定。

表2　锚杆应力、表面变形特征时段值

时间及测值监测项目

98󰃗8󰃗1598󰃗9󰃗1498󰃗10󰃗1198󰃗11󰃗1398󰃗12󰃗16

　　215　　611　　118　　119IN02CZ22孔深015m处变形󰃗mm　　0-713-7166-4109-8121-10142TP󰃗BM12GP02水平变形󰃗mm

140185155184316184429183RS21YA󰃗MPa

开挖高程H󰃗117117116113113m

表4　永久船闸1998年度爆破振动监测成果表

爆源

测点

爆心距󰃗m

监测目的部位单响总测点数部位垂直水平

󰃗󰃗个kg边坡地表及槽及边坡

1114～7525860～-017120～0151103～18190137～1616

竖井观测井挖及竖井

振动峰值范围

(cm・s-1)速度󰃗垂直水平

31217　利用声波监测评价边坡岩体质量及松弛层

厚度

在永久船闸二闸室～四闸室,利用系统锚杆孔

进行了大量的声波测试,实测值与监控值的比较分析统计详见表5。

表5　永久船闸声波监测成果表

岩体风化程度岩体结构评价

新鲜整体极好岩体微风化块状-次块状优良岩体()弱风化下块状-次块状中等岩体()弱风化上崩-碎裂中等偏差岩体强风化-全风化散体结构差的岩体声波测试标准>5　6005　600～5　2005　200～4　5004　500～3　000<3　000

个数

27

62131

Vp(m󰃗s)　　

(%)百分比󰃗261260111216011

31215　锚索测力计监测与F1239不稳定块体控制

根据表1,锚索测力计监控指标为锚索力月变率100kN󰃗月,预应力损失月变率3%󰃗月,表3列出了1998年8月到9月位于F1239断层的锚索测力计

的实测值。

表3　F1239断层锚索测力计监测特征值表kN　　

98.8.2098.9.20

无

测点号

D1-2D1-5D1-8D4-5D4-9D4-13

SC2-1-11

荷载损失率荷载

该时段内的增量

损失率荷载损失率

617%918%415%517%013%819%410%

99161051410511821310619841911816

310%317%311%214%411%216%318%

3　01310917%3　112162　491121314%2　596163　11315716%3　218163　13010811%3　212132　54011318%2　64710-2　918191115%3　003182　90916718%3　02812

通过对103个测孔的监测资料分析表明:波速

大于5　600m󰃗s的测孔共27个,为极好岩体,占总数的2612%;波速在5　200m󰃗～5　600m󰃗ss之间的测孔有62个,为优良岩体,占总数的6011%;波速在4　500m󰃗～5　200m󰃗ss之间的测孔有13个,为中等岩体,占总数的1216%;波速在3　000m󰃗～4　500m󰃗ss之间的测孔有1个,为中等偏差岩体,占总数011%;声波小于3　000的测点无。平均松弛厚度012m～318m。声波监测资料表明:边坡的整体稳定性较好。

通过比较分析,大部分锚索测力计的实测月变化值大于监控值,损失率也大于监控值。分布规律为下部比顶部略大,中部比两侧略大。根据现场调查,由于第二闸首开挖,F1239在拐角上出现临空面后,上覆岩体突然失去下部支撑,原有平衡状态被打破而有向下座落的趋势。但是由于F1239所切割的块体的上部已经施加了93根300T级锚索,下端尖棱体已被间距为215m的锚杆锚固,虽然由于F1239出露而局部掉块,但块体整体并没有脱落。1998年9月以后实测值结果比较分析表明:锚索力和预应力均小于监控值。说明了预应力锚索锚固的效果。31216　利用爆破安全振速监控边坡的稳定性

表4是1998年91次爆破跟踪监测的监测结果。

将实测值与监控指标进行比较分析,有75%的测次小于(或等于)监控指标10cm󰃗s,25%的测次大于监控指标10cm󰃗s,最大值为1819cm󰃗s。每次爆破监测后,监测资料迅速反馈到设计和施工单位,对超指标的爆破进行严格控制,并在爆后对边坡进行巡视检查以了解爆破对边坡的影响。由于进行了爆破安全监控,边坡在施工中的稳定性得到了保证。

4　结论

通过永久船闸施工期内对边坡的监测以及施工反馈,得到如下几点认识:

a1边坡监控,是由设计-施工-监测三大环节组成的闭循环系统。根据上述理论对三峡永久船闸边坡的施工进行监控,证明是成功的。

b1经过大量统计分析及理论计算,对不同的监测手段建立了表1所示的监控指标,从永久船闸边坡施工过程中的监控实践来看,这些指标是适用的。

c1由于三峡工程的艰巨性和复杂性,加上仪器布置的局限性。文章虽然对不同监测仪器监控指标进行了大胆的尝试,但仍须在今后岩体边坡工程的实践中不断修改和完善。

参考文献

1　付冰清.三峡永久船闸监测与监控,长江科学院院报,1999.12

朱红五,男,长江科学院长澳大地工程有限公司总经理,高级工程师,从事岩土工程监控理论研究。

(下转第39页)

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net

・监测技术与监测设计・　郭金根等　碾压混凝土大坝中应变计组埋设方法的研究39

　　第九步　直至在埋设仪器的上方约115m以后,才允许正常铺筑、碾压。

“木箱保护、同步上升”的埋设方法见图1。212　“木箱保护、同步上升”埋设法的优点

a1操作方便,不需要钻孔设备;

b1利用固定支座,使得应变计组的方向控制较好;

c1应变计组周围变态混凝土的回填与木箱外侧碾压混凝土基本同步上升,一方面对施工干扰较小;另一方面仪器周围的变态混凝土与碾压混凝土的结合良好;

d1应变计的埋设成活率很高。在棉花滩水电站工程中,应变计的埋设成活率几乎达100%。213　回填料弹性模量的控制

碾压混凝土应变计组的埋设,通常需在仪器埋设后,在其周围回填混凝土或水泥砂。按规范要求,埋设仪器周围回填混凝土的物理力学性能应力求与坝体碾压混凝土一致。但碾压混凝土中通常含有较多的粗骨料,而回填料中应剔除粗骨料,以免粗骨料在振动时损坏观测仪器,因此回填料的配合比显然与碾压混凝土的配合比是有差别的。应变计所测得的为该测点处的应变量,其目的是要测得该测点处的应力状况,而应变和应力之间的换算与弹性模量有关。由此选择弹性模量与碾压混凝土相同的不含粗骨料的变态混凝土作为回填料。变态混凝土有一

定的和易性,可以用振岛器振捣,易保证混凝土的密实性。因此,在埋设应变计之前,应根据仪器位置碾压混凝土弹性模量的设计值,通过试验得到满足要求的变态混凝土的配合比,并在回填过程中,取样测定其弹性模量,以验证回填料的弹性模量是否符合要求。

3　结语

通过对国内碾压混凝土应变计组仪器埋设方法的综述和研究,了解了目前国内碾压混凝土大坝应变计组埋设方法的现状。在已有埋设经验和方法的基础上,结合棉花滩工程,对应变计组的埋设方法进行了进一步的研究,使碾压混凝土大坝应变计组的埋设方法更加方便合理,仪器成活率更高。

参考文献1　谭登明,魏大智.碾压混凝土筑坝技术在大型水电主体工程中的应用.碾压混凝土坝原型观测仪器埋设技术,

1989,3

2　杨立新,王志远.碾压混凝土坝内部观测仪器埋设研究.

大坝观测与土工测试,1994,18(3)3　杨定华.论碾压混凝土坝安全监测工程的施工管理.人民长江,1995(5)郭金根,男,学士,工程师,现从事碾压混凝土大坝观测设计与仪器埋设的工作,现任工程结构室主任。

EMBEDMENTMETHODSOFSTRAINOMETERSINROLLERCOMPACTEDCONCRETEDAMS

1122

GuoJingenΨPanJiangyanΨXuLongΨLinJianchun

;1.ShanghaiInvestigationΚDesign&ResearchInstituteΚShanghai200434Γ

;2.MinjiangEngineeringProjectBureauΚFuzhou350000Γ

.AbstractΠThispapersummarizesthecontemporaryembedmentmethodsofstrainometersinrollercompactedconcretedams

ThroughtheembedmentofinstrumentsinMianhuatanhydroelectricprojectΚfurtherstudyismadeontheembedmentof.strainometers

KeywordsΠRCCdamΜstrainometersΜembedmentmethodΜresearch

(上接第36页)

CONSTRUCTIONMONITORINGANDCONTROL

OFTHREEGORGESPERMANENTSHIPLOCKSLOPE

ZhuHongwuΨMoXiaocongΨFuBingqing

;YangtzeRiverScientificResearchInstituteΚWuhanΚHubei430010Γ

AbstractΠAtfirstthispaperbrieflyintroducesthemonitoringitemsandtheirlayoutoftheThreeGorgesPermanentShiplock

SlopeMonitoringSystemΚandthenthemonitoringandcontrolindices;MCIΓfordifferentmonitoringinstrumentsareproposed.BycomparisonofthemeasureddataandmonitoringandcontrolindicesΚthispaperevaluatesthestabilityofthepermanentshiplockslope.AttheendofthispaperΚitisconcludedthatthemonitoringandcontrolindicesarereasonableandsuitableformonitoringandcontroloftheThreeGorgespermanentshiplockslope.KeywordsΠThreeGorgesProjectΜpermanentshiplockΜmonitoringΜcontrol

© 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net