两河口水电站土石坝测斜管及电磁沉降管的设计与安装

孙 全

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

1 概 述

土石坝安全监测技术的发展与应用明显滞后于土石坝填筑技术，监测仪器的适应性仍停留在100 m级坝高水平，难以完全适应于300 m级超高土石坝，进而导致高土石坝变形监测仪器的存活率普遍较低。砾石土心墙坝在施工期和运行初期均存在较大的沉降变形(累计变形一般会达到坝高的1%～1.5%，尤其在施工期)，因此，施工期和运行期的变形监测非常重要。但在以往的工程建设中，土石坝内安装长度超过200 m的测斜管兼电磁沉降管其安装成活率较低，因此，坝体内测斜管及电磁沉降管的设计与安装技术的提升是迫切的[1]。

技术人员在两河口水电站大坝填筑前利用上游围堰开展了相关测斜管安装及变形试验，并在实验室内进行了测斜管及接头抗碾压和抗侧压试验，最终确定了测斜管及电磁沉降管的布置形式、施工方法以及管材。目前，两河口水电站大坝已经填筑到顶，根据施工过程中出现的问题以及测斜管的应用情况，提出了测斜管及电磁沉降管分管安装、测斜管采用srtp管安装的优化思路。

2 工程概况及监测布置方案

两河口水电站为一等大(1)型工程，枢纽建筑物由挡水建筑物、右岸引水发电系统和左岸泄水建筑物等组成。

挡水建筑物为砾石土心墙堆石坝，坝顶高程为2 875 m，河床部位心墙底高程为2 582 m，最大坝高295 m，坝顶宽度为16 m，坝顶长668 m。坝壳料采用堆石填筑，上游坝坡坡比为1∶2，下游坝坡坡比为1∶1.9；心墙与上游设两层反滤保护土料，下游设两层反滤保护土料，上、下游坡度与心墙坡度相同，均为1∶0.2；上、下游反滤层与坝体堆石之间设置过渡层，过渡层延伸至坡顶，上、下游坡度均为1∶0.4。

砾石土心墙大坝在桩号(纵)0+200.0监测断面的上游堆石区(DC1)、心墙区(VE1)、下游堆石区(DC2)分别布置了测斜管兼电磁沉降管；在桩号(纵)0+340.5监测断面的上游堆石区(DC3)、心墙区(VE2和DC4)、下游堆石区(DC5)分别布置了测斜管兼电磁沉降管；在桩号(纵)0+550.0监测断面的心墙区(VE3)布置了测斜管兼电磁沉降管。

在该心墙坝轴线布置了电磁式沉降仪观测导管，沿电磁沉降管高程方向每隔5 m布设了一个沉降环；在上、下游堆石体内布置了电磁式沉降仪观测导管，沿电磁沉降管高程方向每隔10 m布设了一个沉降环[2]。 砾石土心墙电磁沉降管布置情况见图1。

图1 砾石土心墙电磁沉降管布置图

3 现场试验及应用情况

3.1 现场试验情况

2016年，技术人员在现场利用上游围堰测斜管分段进行了不同安装方式的试验(堆埋法、坑埋法以及钻孔埋设)，上游围堰底部2 573.7～ 2 612.7 m高程约39 m采用钻孔埋设， 2 612.7～ 2 637.7 m高程采用坑埋法， 高程2 637.7 m以上部位采用堆埋法，测斜管的埋设长度约为83 m，成活81 m。

钻孔埋设方法简单方便，测斜管安装后不易遭到破坏，但覆盖层钻孔需进行跟管、拔管等钻孔作业，成本高且测斜管外的回填密实度无法得到保证。更为重要的是采用钻孔法埋设测斜管将无法安装传统电磁式沉降环。

坑埋法是在安装测斜管时预留直径为1 m、深0.5 m的坑槽，待坝体大范围碾压完成后再连接测斜管，然后在坑槽中回填垫层料、用平仓碾进行多次碾压，直至达到设计给出的碾压密实度指标。该方法存在需要人工不间断值守、以防止施工机械人为破坏测斜管的问题。

堆埋法主要是在连接好测斜管后将垫层料堆放在测斜管周边并进行碾压、碾压后的测斜管周边会高出大坝填筑仓面，施工机械不容易对测斜管造成损坏。

3.2 室内试验情况

技术人员选取工程中常用的几个生产厂家生产的测斜管在实验室内模拟土石坝心墙高围压情况下测斜管在承受水平、垂直方向荷载环境条件下工作的适应性。

(1)试件准备工作：将φ85 mmABS测斜仪套管按照60 cm的长度进行加工组装，再将套管两端用混凝土砂浆封闭，封闭深度为10 cm左右并做好防水处理。

试件分两类：第一类套管没有接头，第二类套管有接头，垂直、水平受力试验的接头采用伸缩接头。

(2)三轴试验模拟填砾石土材料按照两河口水电站大坝心墙砾石土填筑材料配比进行。首先将试件放置在三轴试验模具中心，填入心墙砾石土(填入过程需按照计算得出的压实密度进行夯实)，填夯工作完成后将模具封闭并将试验外罩固定好，将试件放置到三轴试验机上，试验前的准备工作即告完成。

(3)水平受力试验：根据两河口水电站最大蓄水高程水平理论压力，结合试验机最大功率对试件分3级加压，每级加压后检查试件的受力状况。

(4)垂直受力试验：将试件加压至水平受力的最后一级压力，待稳定后进行垂直受力试验，直至试件破坏，取出试件后检查试件的破坏情况。

(5)压力试验：将试件放置在试验机夹具上固定后对试件进行加压、直至试件破坏；对压力、水平、垂直受力试验全过程进行摄影记录、影像收集留存。

3.3 现场应用情况

技术人员根据现场试验和室内试验结果，最终确定了在测斜管兼电磁沉降管外围增加外套壁厚6 mm的高强PE管以提高测斜管的抗围压能力的措施，并在最大坝高断面测斜管兼电磁沉降管旁增加布置了1套电磁沉降管，使用壁厚7.5 mm的ABS管、接头采用外套加固式套筒的安装形式，该管材的规格和接头处理方法均为国内首次采用。

目前，两河口水电站大坝堆石区测斜管全部完好，安装总长度达577 m，其中单根最大长度为199 m；心墙区增设的电磁沉降管DC4的安装长度已达297 m，全管段的存活长度为世界之最。

略为遗憾的是：DC4同部位旁安装的测斜管VE2分别在110 m和183 m处损坏。110 m位置的损坏原因是外围压力过大造成破损，183 m位置的损坏原因是局部变形过大造成测斜仪探头卡在该深度无法取出。由于两河口水电站大坝心墙填筑碾压时间长达5 a之久，在此期间，心墙测斜管VE2多次意外损坏，现场修复经验表明：管路破损部位基本在伸缩接头部位。由于测斜管采用 “公母”插槽结构连接，故其接头部位壁厚较正常管壁缩小一半以上。前期试验成果表明：测斜管壁厚对其抗压强度影响较大，上部管路在受到施工机械等外力作用后难免会引起填土以下管路接头的变形和偏位。

两河口水电站心墙电磁沉降管DC4采用的壁厚7.5 mm的ABS管接头为外套式接头，未采取外套保护管也成活了297 m，说明DC4采用的安装方式值得肯定。心墙测斜管兼电磁沉降管VE2的损坏说明测斜管材质的选取和安装保护方式仍需进一步改进。

3.4 测斜管材质选用建议

测斜管材质一般分为ABS塑料、铝合金、聚氯乙烯塑料管等[3]。其中铝合金材质通常用于建筑物表面的位移观测，而在土石坝内部一般采用ABS和PVC材质。ABS管比PVC管更能保持其形状和弹性，且相较铝合金管而言，ABS塑料能适应更大的变形，更适合于在土石坝内安装。因此，两河口水电站测斜管材质最终决定采用ABS管，其壁厚为3.5 mm，接头部位壁厚仅为1.75 mm，外套壁厚为6 mm的PE保护管。

在土石坝心墙内部长达61个月的测斜管管材安装过程中，管材多次因大型施工机械碰撞而断裂。保护管虽然能够加强测斜管的侧向抗压能力，但ABS管的弯曲强度较差且其力学性能受温度影响较大，在两河口水电站高海拔和低温环境下其强度进一步降低，因此，在其安装过程中测斜管接头部位更容易损坏。

目前，国内高压给水管路多采用钢丝网骨架塑料复合管[4](又称srtp管)。srtp管采用高强度过塑钢丝网骨架和热塑性塑料聚乙烯为原材料，将钢丝缠绕网作为聚乙烯塑料管的骨架增强体，以高密度聚乙烯(HDPE)为基体，采用高性能的HDPE改性粘结树脂将钢丝骨架与内、外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起，使其具有优良的复合效果[5]。由于有高强度钢丝增强体被包覆在连续热塑性塑料之中，故这种复合管克服了钢管和塑料管各自存在的缺点，同时又保持了钢管和塑料管各自具有的优点。

srtp管因其内部有钢丝，故不适用于电磁沉降管，但如果测斜管能够采用该材质制作的管路，将能够更好地适用于心墙内部的安装和测量。srtp管路的连接方式见图2。

图2 srtp管连接方式示意图

采用srtp管材作为测斜管的优点：

(1)srtp管的强度、刚性、抗冲击性高，能够适当抵抗施工过程中大型施工机械的碾压及撞击破坏。

(2)srtp管的柔韧性较好，不会因其钢度过大而导致测斜管无法取得大坝的水平变形。

(3)srtp管的安装方便，其管道连接采用电热熔连接和法兰连接，连接技术成熟可靠，管件品种规格齐全。

(4)施工过程中孔口保护便利。在孔口出露端可采用法兰盘进行密封，现场闲杂人员无专用工具无法打开，进而减少了人为破坏的可能。

4 结 语

实践证明：两河口水电站测斜管及电磁沉降管的总体设计思路是成功的。但在实际应用中发现：工程后期的电磁沉降管和测斜管应该分管安装，这样实施更有利于管路材料的选择。鉴于测斜管对管路变形的要求较高，如在施工中因碾压等因素造成变形过大易将活动测斜仪探头卡住而造成大坝沉降数据无法获取、后果将非常严重。文中提出的粗浅想法，希望能为后续超高土石坝监测工程测斜管及电磁沉降管的设计和安装提供借鉴。