基于多维度变形测量系统的堆石坝坝体变形时空演化规律研究

基于多维度变形测量系统的堆石坝坝体变形时空演化规律研究

石珉1,刘华东2,娄占国1,宋英男2

（1. 赤峰市林西东台子水库工程建设管理处，内蒙古赤峰，150424；2. 巴林左旗水利局，内蒙古赤峰，025450）

摘要：坝体变形是堆石坝施工质量控制和运行安全监控的重要监测指标。现阶段，坝体内部变形测量的方法主要有固定式测斜仪、电磁沉降仪、滑动式测斜仪、水管式沉降仪、引张线式水平位移计等，均有一定程度的安装难度或测值维度上的缺陷。本文建立了一套多维度变形测量系统，用于监测坝体变形，取得较好应用效果，主要表现在：①改进了多维度变形测量系统安装埋设方法，解决了三维定向标定难题；②建立了堆石坝坝体变形分析方法，揭示了三维变形时空演化规律。

关键词：堆石坝、多维度变形测量系统、时空演化规律

1概述

目前，国内进行坝体内部变形测量的方法主要有固定式测斜仪、电磁沉降仪、滑动式测斜仪、水管式沉降仪、引张线式水平位移计等。虽然这些常用变形监测方法在实际应用中均取得了可靠的监测成果，但是这些监测方法任然存在安装方法复杂、自动化程度低、监测时效性较差或数据采集与传输方式智能化不充分等缺点[[1]]。如今，变形监测方法出现了很多新技术，其中多维度变形测量系统作为近年来较为新型的监测仪器，被广泛应用于坝体内部变形监测。本文介绍一种在堆石坝中安装多维度变形测量系统以测量堆石坝坝体变形的安装方法，并开展了堆石坝坝体变形三维时空演化规律分析与评价，取得了一定创新成果，可为类似工程提供借鉴和参考。

堆石坝是建在深厚覆盖层上，覆盖层虽采取部分挖除、碾压、强夯等方法对坝基覆盖层进行处理，但坝基覆盖层变形模量较低,在坝体自重荷载作用下沉降变形较大,易对上部坝体造成不良影响,是水利工程设计与施工重点关注的对象[[2]]。建立在覆盖层的堆石坝的堆石料是一种典型的散粒体材料，其多样性和复杂性决定了土石坝应力变形所受的影响因素多而且复杂，除了施工期和蓄水期的加载会导致坝体变形，坝体的蠕变和湿化作用引起的变形也是堆石坝变形的重要部分[[3]]。因此安装变形监测仪器来监测坝基与坝体的变形至关重用。

某水库水库设计在河床段ZB0+780.000，高程638.200m与ZB1+365.000，高程632.700m坝基各安装1套多维度变形测量系统监测坝基的变形，仪器长度分别为56m，60m。在桩号ZB0+571.000、ZB0+672.000、ZB1+000.000 ，高程为661.5m各安装1套多维度变形测量系统监测坝体变形，详见图1。

图1 ZB0+672.000坝体变形监测布置及现场仪埋图

2多维度变形测量系统安装埋设方法

多维度变形测量装置是测量系统的核心敏感元件，是一款基于连续测斜原理设计的高精度一体式测量装置，它是由数个长度为 0.5m 或 1m 的刚性传感器节点、首尾连接而组成的一个传感器阵列，传感器节点之间采用可自由弯曲的柔性节连接，以适应监测界面的较大变形。其示意图见图2。

图2多维度变形测量系统示意图

多维度变形测量系统是基于物联网系统架构研制一套，以MEMS传感器为核心敏感元件的多维度变形测量系统。

⑴多维度变形测量装置为安装在测斜孔（或其它被监测对象）里的传感器阵列，负责感知被测对象的变形信息；⑵BGK-MICRO40D-1多维度数据采集仪负责采集测量数据并将其推送数据到云平台；⑶云平台实现数据汇集、数据管理、成果展示等功能。

2.1  开挖沟槽

测点LDB4安装高程为661.500m，坝体填筑至663.200m时，自沥青心墙开始至下游坝坡，采用挖掘机开挖出一条宽1.0m，深1.7m的沟槽，为避免仪器在后期坝体填筑时受力损坏，故在沟槽底部铺设约0.20m高的细沙。利用RTK测量沟槽底部高程，保证仪器安装位置基本水平。

2.2铺设仪器

将长20.0m长的仪器铺设在沟槽底部，仪器包括线缆采用Φ40、Φ63双层PE管保护。

2.3连接仪器

在填筑至高程661.500m时，在沥青心墙下游侧埋设预埋件。仪器铺设完成后，仪器沥青心墙一侧与之前埋设好的预埋件连接。

2.4沟槽回填

仪器铺设、穿管以及连接完成后，回填约0.5m高的细沙，细沙之上回填堆石料。线缆在下游坝坡引出并做好保护。

2.5基准值选取

待填筑高度超过1m左右（2层）后，连续观测三次，取其稳定值，作为基准值。

3 堆石坝坝体三维时空演化规律分析

其典型测点变形量统计见表1所示。从表可见，堆石坝坝体水平变形呈增大趋势，沉降变形呈减小趋势，与堆石坝坝体中心侧向变形小、沉降大的整体规律较为一致，测值能很好地反映坝体变形规律。

表1                          LDB4位移数据表                          单位：mm

注：X,Y表示水平方向位移，Z表示竖直方向位移。

堆石坝坝体沉降及水平位移见图3所示。从图可见，堆石坝坝体沉降和水平位移均呈缓慢增加趋势，整体呈现收敛趋势，表现为前期增幅较大，后期增幅较小的演化趋势。

结合图表可见，堆石坝坝体变形呈现沉降中间大、水平变形中间小的特征，填筑后增幅明显，静置期变幅减小的总体演化规律，符合一般堆石坝变形特征。

图3坝体三维时空演化规律及分布图

4结论

（1）改进了多维度变形测量系统安装埋设方法，解决了三维定向标定难题；

（2）建立了堆石坝坝体变形分析方法，揭示了堆石坝坝体变形呈现沉降中间大、水平变形中间小的特征，填筑后增幅明显，静置期变幅减小的总体演化规律，符合一般堆石坝变形特征。

参考文献

[[1]]刘媛. 浅析沥青混凝土心墙坝超长阵列式位移计变形监测施工技术[J].水电站设计，2021，37（3）：50-89.

[[2]] 邢建营，关志诚，吕小龙.面板堆石坝深覆盖层处理技术研究及在河口村水库工程中的应用[J].岩土工程学

报,2020,42 (07):1368-1376.

[[3]] 冯蕊，何蕴龙. 深厚覆盖层上高砾石土心墙堆石坝变形监测分析[J].岩土力学，2015,36（2）：485-506.