丹江口加高工程大坝变形监测总体设计

　　1 工程概况

　　丹江口水利枢纽位于湖北省丹江口市汉江干流上，具有防洪、供水、发电、航运等综合效益，是开发治理汉江的关键工程，同时也是南水北调中线的水源工程，根据工程规划和工程施工的实际情况，丹江口水利枢纽分二期开发建设。

　　初期工程于1958年开工，1973年建成，正常蓄水位155m，1975年抬高至157m，坝顶高程162m.初期工程建成后，发挥了巨大效益。但是，由于国民经济的发展，初期规模已不能满足国民经济各部门的需要。

　　2005年开始，丹江口水利枢纽在已建成初期规模的基础上，对大坝进行加高，即二期规模工程。二期工程涉及到土坝加高和混凝土坝加高，根据工程规划，坝顶加高14.6m至高程176.6m，挡水建筑物总长3442m.混凝土大坝采用在坝顶及下游坝坡现浇混凝土方式加高培厚，以满足大坝挡水时稳定和应力要求，坝长仍为1141m，混凝土坝表孔堰顶抬高至高程152m，最大坝高117m.右岸土石坝改线重建，长877m，最大坝高60m，左岸土石坝加高培厚，左坝肩向左延长200m，长1424m，最大坝高71.6m.电站厂房装机及布置无变化。通航建筑物由初期的150t升船机扩建为300t升船机，其总体布置不变。设计蓄水位由157m提高到170m，总库容达290.5亿m3 ，比初期工程增加库容116亿m3 、有效调节库容88亿m3 、防洪库容33亿m3 .

　　2 加高工程变形监测系统综述

　　丹江口水利枢纽初期工程原有监测设施已经运行几十年，是一个较完善的变形监测系统，但由于很多设施已老化，无法继续满足今后的监测需要。同时，由于需增设一些监测设施对加高工程新建的部分进行变形监测，因此需要立即建立新的丹江口大坝变形监测系统。

　　加高工程变形监测系统设计就是在原有监测系统的基础上，综合考虑了加高部分的特殊性，对原有监测系统一部分进行沿用、一部分进行了改造，同时结合老监测系统的布置，在加高部分增设新的监测设施，最终满足加高后整个大坝及枢纽的变形监测要求。

　　本文将对丹江口大坝加高工程新的变形监测系统设计进行简述。

　　3 变形监测网

　　3.1 水平位移监测网

　　水平位移监测网由全网和简网组成。

　　全网为边、角全测的边角网，由15个网点组成。

　　全网划分为3个简网：混凝土坝监测网（又称中简网），由5个监测网点组成；左岸土石坝监测网（又称左简网），由8个监测网点组成；右岸土石坝监测网（又称右简网），由7个监测网点组成。3个简网均为边、角全测的边角网。

　　水平位移监测网角度按国家一等三角测量方向观测法要求施测，测角中误差####mβ ≤0.7″；边长观测使用测距标准偏差|mD |≤2mm的测距仪按国家中短程测距规范的Ⅰ等边长观测要求进行施测；高程按国家二等水准的要求和精度施测。

　　3.2 垂直位移监测网

　　初期工程垂直位移监测网由上水准环线和下水准环线（校核水准环线）组成，位于大坝的下游。加高工程垂直位移监测网基本按初期点位布设，做了部分改建和增建。

　　上水准环线以沉01（平硐标）为工作基点，经右岸沉03、沉05、左岸左Ⅰ-05、沉08组成上水准环线，在左岸土石坝坝顶尖山、右岸土石坝右坝肩岸坡地段，分别新建1座双金属标；在左岸土石坝背水侧尖山段岸坡160m高程和右岸土石坝中部背水侧岸坡155m高程，分别新建1座测温钢管标；环线长约30km.

　　下水准环线以洪山咀主点为基准点，经BMHL180′、光化大桥，沿汉江右岸经Ⅰ—丹谷1、沉08至洪山咀组成环线，初期工程中的土中丙型标点需要改建成双金属标或测温钢管标；此外，在沉16附近（西关小学院角）新建1座双金属标；在沉07（市电子原件厂院角）、沉13、沉15（太山庙村委院角）附近各新建1座测温钢管标；右岸改建岩石基本标5座；环线长约60km.

　　垂直位移监测网采用几何水准测量方法按国家一等水准测量精度及要求施测。

　　4 混凝土坝变形监测系统

　　4.1 水平位移监测

　　混凝土坝及基础水平位移监测是在水平位移监测网的整体联系控制下，采用正、倒垂线，以及以垂线测点为工作基点的引张线和精密导线进行观测，共计设置倒垂线14条、正垂线24条、引张线8条、精密导线2条、坝顶视准线5点。垂线也是坝体挠度的观测设施。

　　（1）倒垂线。初期工程在1、7、13、24、25、26～27、31、44号坝段分别布设了1条倒垂线，在36号坝段布设了3条倒垂线，组成倒垂组。

　　加高工程除对初期布设的11条倒垂线进行改建外，在右5、7、42号坝段各增设1条倒垂线，以增强基础的水平位移和挠度监测。同时，在14条倒垂线中设置三维倒垂线测点3点，方便对关键部位同时进行水平位移和垂直位移的监测。

　　（2）正垂线。初期工程在右5、7、9～10、13、18、21、26～27、31、34、39号坝段分别布设了1条正垂线。

　　加高工程将初期工程在原有正垂线坝段的加高部分分别增设1条正垂线，将垂线监测延伸至坝顶。垂线的悬挂点设在坝顶（高程176.6m），每条2个测点分别设在高程170.0m观测廊道和高程162.0m排水交通廊道内。并在右2、42号坝段从基础到坝顶分别增加布设正垂线2条6个测点，以加强左右转弯坝段部位的水平位移监测。取消初期布设在36号坝段的正垂线1条，对其余初期工程原有的正垂线进行改建。

　　（3）引张线和精密导线。初期工程原有4条引张线及2条精密导线，布置如下：①7～24号坝段，坝轴线下游15m的高程101m廊道（下游侧）布设引张线1条17个测点；②25～31号坝段，坝轴线上游17m的高程101m廊道（下游侧）布设引张线1条7个测点；③7～26号坝段，初期坝顶高程159m廊道布设引张线1条19个测点；④27～36号坝段，初期坝顶高程159m廊道布设引张线1条9个测点；⑤在1号至右13号坝段高程150m廊道内，布设精密导线1条14个测点；⑥36～44号坝段高程140m廊道内，布设精密导线1条9个测点。

　　加高工程继续沿用高程101m廊道内的2条引张线，用以继续观测大坝基础各坝段上下游方向的水平位移。

　　将初期坝顶高程159m廊道原有的引张线改建，布设2条引张线：在深孔溢流坝段7～13号坝段改建布设引张线1条7个测点；在厂房坝段至左岸联接坝段25～36号坝段改建布设引张线1条12个测点，用以继续观测原坝顶部分坝段上下游方向的水平位移，同时可与新建坝顶的水平位移进行比较。

　　加高工程在高程170m观测廊道布设3条引张线，用以监测新建坝顶各坝段上下游方向的水平位移：在1～7号坝段高程170m廊道上游侧布设引张线1条7个测点；在7～27号坝段高程170m廊道下游侧布设引张线1条21个测点；在27～36号坝段高程170m廊道下游侧布设引张线1条10个测点。

　　另外，在高程150m廊道1～7号坝段增加布设引张线1条7个测点，结合1号至右7号坝段高程150m廊道原有的1条精密导线7个测点，用以加强对右岸转弯坝段水平位移监测。

　　同时，在36～44号坝段高程140m廊道保留布设精密导线1条9个测点，用以加强对左岸转弯坝段水平位移监测。

　　（4）交会点。在混凝土坝典型坝段坝顶与正垂线结合处新增布设测边（角）交会测点5个，加强对坝顶关键部位的水平位移监测。

　　4.2 垂直位移监测

　　混凝土大坝垂直位移监测点主要布置在大坝基础廊道、高程170m观测廊道和坝顶，在左、右岸转弯坝段布设了竖直传高仪，将坝顶水准测线和基础水准测点联系；同时，选取一部分坝段在基础横向廊道和坝顶分别在上、下游侧对应布设精密水准或静力水准监测点，组成短水准组，观测坝体的转动或相对垂直位移。

　　（1）精密水准。初期工程在基础廊道现存共有94个精密水准测点和6个倾斜观测断面12个测点，其中有28个深埋钢管标，主要深置于坝基不同程度的破碎带、断裂、软弱夹层部位。

　　加高工程在基础廊道恢复布设8个精密水准测点；在基础横向廊道新增设9个倾斜观测断面18个测点。高程170m廊道右6～43号坝段各增设1个精密水准测点，共50个测点；在坝顶高程176.6m坝面新增设22个倾斜观测断面，分别在上、下游侧对应布设一个精密水准点，共44个测点。

　　（2）静力水准。加高工程继续沿用初期工程原有的静力水准设施：19～31号坝段防渗板廊道和25～31号坝段基础廊道静力水准测线1条14个测点；基础横向廊道6个倾斜观测断面12个测点。同时在右6～5号坝段基础廊道新布设静力水准测线6条20个测点（包括3个倾斜观测断面）；在9～24号坝段基础廊道新布设静力水准测线4条19个测点。在34～44号坝段基础廊道新布设静力水准测线2条14个测点（包括2个倾斜观测断面）。另在7、33号坝段基础横向廊道新布设2个倾斜观测断面4个测点。在基础廊道共计新布设静力水准测线14条57个测点。

　　加高工程在右6～44号坝段高程170m观测廊道内每坝段增设一个测点，共新布设5条静力水准测线54个测点，以加强对各坝段坝顶部位的垂直位移监测，同时和对应的精密水准测点进行相互参照、对比。

　　（3）双金属标。作为精密水准和静力水准工作基点，加高工程在25号坝段增设1座双金属标。

　　（4）竖直传高。为方便将坝顶高程传至廊道，同时可以将坝顶水准和基础廊道水准联系起来以构成系统，进行误差改算，加高工程在右5、42号坝段分别布设竖直传高2套，测点分别设在高程176.6m坝顶平面、高程170.0m观测廊道以及基础廊道。

　　5 电站厂房变形监测

　　沿用初期工程在1、3、5、6号水轮机组的94m高程平台上分别布设的3个精密水准标点，共计12个测点。

　　同时，加高工程结合精密水准点增设静力水准测线2条12个测点。

　　6 垂直升船机变形监测

　　6.1 水平位移监测

　　在1、2、5、6号墩柱上各布设边角交会点1个，共4个交会点，以附近的监测网点（工作基点）进行前方边（角）交会。

　　6.2 垂直位移监测

　　在1～8号墩柱基座上各布设3个垂直位移监测点，共24个测点，以量测导轨倾斜及各墩柱间的不均匀沉降。

　　7 土石坝变形监测

　　7.1 左岸土石坝

　　7.1.1 水平位移监测

　　（1）交会点。在左岸土石坝坝顶上游侧心墙顶布设交会监测点24个。在背水坡高程165m马道上，布设交会监测点16个。

　　（2）测距视准线。保留布设在初期工程原坝顶左联坝段迎水坡高程162m马道的测距视准线1条5个测点，5条测距边。加高工程在坝顶高程176.6m新布设测距边6条。

　　（3）表面测缝装置。在土石坝与混凝土坝41、42号坝段坝顶接合处，各布设1套（3点法）表面测缝计，共2套。

　　（4）垂线及伸缩仪。初期工程在左岸土石坝下游挡土墙2号坝段布设1条正垂线。加高工程增设1条正垂线及1条倒垂线。两条正垂线之间布设1条伸缩仪以联系。

　　7.1.2 垂直位移监测

　　（1）双金属标和测温钢管标。作为土石坝垂直位移监测工作基点，加高工程在左岸土石坝位于糖梨树岭的岸坡地段，增设双金属标1座。在左岸土石坝背水侧尖山段岸坡160m高程，新设测温钢管标1座。并保留原有的尖山双金属标。

　　（2）精密水准。在左岸土石坝坝顶高程176.6m，迎水坡高程162m，背水坡高程165m，155m各布设1条精密水准测线。按间距60～80m布设1个测点，并与水平位移监测点结合布置；在先锋沟、王大沟2个重点监测断面，自坡脚点至坝顶进行全断面监测。共计布设精密水准监测点86个，水准路线长约10km.

　　7.2 右岸土石坝

　　7.2.1 水平位移监测

　　（1）交会点。在右岸土石坝坝顶上游侧心墙顶新增交会监测点16个。在背水坡165m马道上，新设交会监测点10个。

　　（2）测距边。在右岸土石坝与混凝土坝联接段坝顶，布设精密测距边6条。

　　（3）表面测缝装置。在右岸土石坝与右5、6号坝段坝顶接合处，各布设1套（3点法）表面测缝计，共2套。

　　7.2.2 垂直位移监测

　　（1）双金属标和测温钢管标。作为土石坝垂直位移监测工作基点，加高工程在右岸土石坝右坝肩岸坡地段，增设双金属标1座。在右岸土石坝中部背水侧岸坡155m高程，增加布设测温钢管标1座。

　　（2）精密水准。在右岸土石坝坝顶高程176.6m，迎水坡高程162m，背水坡高程165、155m各布设1条精密水准测线。按间距60～80m布设1个测点，并与水平位移监测点结合布置。重点监测断面自坡脚点至坝顶进行全断面监测。共计布设精密水准监测点49个，水准路线长约10km.

　　8 结语

　　丹江口大坝加高变形监测涉及到原有监测系统的利用和改造以及新增的监测设施布置，同时还要将原有及新增的监测设施形成全新的系统，是以前大坝监测系统设计中从未遇到过的，本设计方案很好地解决了这些问题，并对以后相关工程提供了有益的借鉴。（考试考试网一级建造师编辑整理）

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