淺談功果橋過水圍堰水力學(xué)監(jiān)測

王曉慧 楊 利

（太原工業(yè)學(xué)院電子工程系）

1 工程概況

功果橋水電站位于云南省云龍縣大栗樹西側(cè)的瀾滄江上，壩址控制流域面積9.72萬km2，多年平均流量1 010 m3/s，年均徑流量318.51億m3。樞紐工程主要由擋水建筑物、泄洪建筑物、引水及發(fā)電建筑物等組成，其中，攔河大壩為碾壓混凝土重力壩；壩身泄洪，布置在主河床略靠右側(cè)；引水發(fā)電系統(tǒng)布置在右岸地下。壩頂高程1 310 m，壩頂長356 m，最大壩高105 m。

上游圍堰防滲墻5 172.0 m2，軸線長164.85 m，最大墻深48.3 m，距壩軸線247.7 m，堰頂高程1 262.0 m。自上而下主要為人工回填層、河床原始覆蓋層和基巖層。人工回填層主要由石渣及風(fēng)化料組成，在拋填過程中部分細(xì)料被水流帶走，雖然經(jīng)過了碾壓，但基本上還是處于松散狀態(tài)，特別是底部更是這樣。河床覆蓋層厚度6-27 m，主要由漂石、塊石、卵石、礫石以及含少量泥質(zhì)的中粗砂組成，級配不良，存在架空現(xiàn)象。施工平臺僅比江水高1 m左右。采用C20W6混凝土防滲墻，墻厚80 cm，設(shè)計(jì)要求滲透系數(shù)不大于 5×10－7cm/s。

為了綜合了解瀾滄江功果橋水電站工程過水圍堰的工作狀態(tài)，評價(jià)圍堰的各項(xiàng)性能指標(biāo)，保證度汛與施工安全，結(jié)合上下游圍堰結(jié)構(gòu)型式和規(guī)模特點(diǎn)，中國水利水電第四工程局有限公司勘測設(shè)計(jì)研究院功果橋監(jiān)測室，根據(jù)《大壩土建及金屬結(jié)構(gòu)安裝工程招標(biāo)文件（合同編號：GGQ/C3）》的要求進(jìn)行監(jiān)測。功果橋水電站上游過水圍堰于2009年6月竣工，同年8月開始實(shí)施水力學(xué)原型觀測，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：堰面流速監(jiān)測、滲透壓力監(jiān)測和消能平臺中部脈動壓力監(jiān)測等。

2 監(jiān)測目的

本次監(jiān)測的目的主要有三點(diǎn)：一是通過水力學(xué)原型監(jiān)測和滲透壓力監(jiān)測，為控制和顯示各種不利情況下的工程性能進(jìn)行評估，以及在施工期、運(yùn)行初期和正常運(yùn)行期對工程安全進(jìn)行連續(xù)評估提供所需要的資料；二是提高人們關(guān)于各種水力學(xué)參數(shù)對工程性能影響的認(rèn)識；三是為以后的水力學(xué)原型監(jiān)測積累組織及技術(shù)經(jīng)驗(yàn)。

3 監(jiān)測內(nèi)容及測點(diǎn)布置

為了取得過水圍堰過流時較為理想的水力學(xué)原型監(jiān)測成果，了解圍堰安全運(yùn)行狀態(tài)，確保安全度汛與施工安全，脈動壓力、流速的觀測布置在2個監(jiān)測斷面，1-1斷面位于圍堰中部，2-2斷面靠近右岸。共安裝了3支流速儀和2支脈動壓力計(jì)，用于測定相應(yīng)位置的流速及脈動壓力。電纜用鍍鋅鋼管保護(hù)，沿護(hù)坡底部統(tǒng)一引至進(jìn)水口道路處集線箱內(nèi)。本次功果橋上游過水圍堰水力學(xué)監(jiān)測具體布置如表1。

4 監(jiān)測方法

功果橋上游圍堰過水期間，水尺、流態(tài)采用人工讀數(shù)及攝像，滲透壓力采用WV-102A弦式讀數(shù)儀，流速和脈動壓力采用中國水電科學(xué)研究院研制開發(fā)并經(jīng)多次水力學(xué)原型觀測檢驗(yàn)的DJ800多功能水工數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)。

DJ800型多功能監(jiān)測系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)、多功能監(jiān)測儀器和各種傳感器組成的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)，能對多種物理量進(jìn)行準(zhǔn)同步采集，例如水位、波高、脈動壓力、拉力、流速、溫度、應(yīng)變以及模擬電壓等。系統(tǒng)的軟件大約占6M內(nèi)存空間，在MS-DOS環(huán)境下運(yùn)行，數(shù)據(jù)采集是巡回式的。取得一個測點(diǎn)的數(shù)據(jù)，大約需要40 μm的時間，包括選中通道號、模擬轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)傳送等時間。采集頻率隨著測點(diǎn)數(shù)量的增加而降低，系統(tǒng)設(shè)定的最小采集時間間隔為1 ms。

表1 過水圍堰監(jiān)測項(xiàng)目及測點(diǎn)布置

5 監(jiān)測工況與監(jiān)測成果

5.1 監(jiān)測工況及內(nèi)容

功果橋上游圍堰過水的水力學(xué)監(jiān)測存在兩大特點(diǎn)：一是各項(xiàng)監(jiān)測內(nèi)容及數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，可實(shí)施同步監(jiān)測；二是監(jiān)測數(shù)據(jù)多，技術(shù)要求高，采集儀器及采樣頻率必須滿足不同監(jiān)測參數(shù)的需要?；诖?，對監(jiān)測組織工作提出了很高的要求。首先，在過水期間為了獲得完整、連續(xù)、同步的觀測數(shù)據(jù)，分別設(shè)立了4個監(jiān)測小組在4個觀測點(diǎn)（上下游圍堰左、右岸各設(shè)1個監(jiān)測點(diǎn)）實(shí)施24 h監(jiān)測，從而保證了各參數(shù)監(jiān)測及數(shù)據(jù)的同步性，確保了各項(xiàng)數(shù)據(jù)間的相關(guān)性；其次，考慮到過水期間監(jiān)測組次及測點(diǎn)多，監(jiān)測數(shù)據(jù)量大，后處理及分析工作任務(wù)十分繁重，故以4個監(jiān)測小組為主體，在后方組建了資料整編組，以便及時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與處理。具體監(jiān)測于2009年8月15日實(shí)施，實(shí)時上游流量最大4 830 m3/s，水位為1 265.0 m。觀測內(nèi)容及工況詳見表2。

5.2 監(jiān)測成果

5.2.1 脈動壓力

從表3可以看出運(yùn)行工況I、II情況下上游圍堰堰面的壓強(qiáng)監(jiān)測成果，其特點(diǎn)：一是作用在消力平臺上的脈動壓力隨流量變化而變化；二是在同一工況下，最大壓強(qiáng)與最小壓強(qiáng)相差不大，表明作用在消力平臺上的水流相當(dāng)平穩(wěn)。

表2 觀測工況與觀測內(nèi)容

表3 脈動壓力、流速監(jiān)測成果

5.2.2 底流速

各測點(diǎn)流速監(jiān)測成果見表3。從流速的分布可以看出：一是堰面上流速隨上游水的流量增長而增長；二是第一測點(diǎn)的流速大于第三測點(diǎn)流速，表明進(jìn)過消力平臺對水流的消能，流速明顯降低；三是在基坑蓄水之后，第三測點(diǎn)流速趨于穩(wěn)定。

5.2.3 滲透壓力

監(jiān)測成果見表4。從表4可以看出：一是堰體內(nèi)各測點(diǎn)滲透壓力隨上游水位變化而變化；二是堰體內(nèi)不同深度測點(diǎn)的滲透壓力不同；三是各測點(diǎn)滲透壓力遠(yuǎn)小于各測點(diǎn)所處位置的實(shí)際水壓，表明堰體工作狀態(tài)良好。

6 監(jiān)測結(jié)果

圍堰過水期間，通過對過水水位、滲透壓力、溫度、流速、脈動壓力等項(xiàng)目實(shí)地監(jiān)測，取得了大量的第一手觀測資料，從資料整理分析結(jié)果，可得出以下結(jié)論：

表4 滲透壓力監(jiān)測成果

（1）溫度—時間過程線基本上呈一水平線，沒有突出變化，表明堰體內(nèi)混凝土不會因溫度變化產(chǎn)生應(yīng)力而導(dǎo)致堰體變形。

（2）從水位—時間過程線可以看出，從過水開始至結(jié)束，曲線呈拋物線狀，符合自然規(guī)律。

（3）從滲透壓力—時間過程線可以看出，滲透壓力曲線與水位曲線具有相似性，表明滲透壓力處于正常情況。

（4）導(dǎo)流洞進(jìn)口處水流比較穩(wěn)定，在小流量下泄時由于橫向流速較大，左岸分流墩上會有局部的繞流現(xiàn)象發(fā)生；上游圍堰堰前水流穩(wěn)定，堰面水流平穩(wěn)；過堰水流在流量增大后，流速明顯增大。

（5）從流速—時間過程線可以看出，流速曲線與水位曲線也具有相似性，表明流速符合設(shè)計(jì)要求。

（6）脈動壓力隨著水位的穩(wěn)定趨于穩(wěn)定且值不大，表明在消能平臺中未形成大的渦旋，對堰體發(fā)生空蝕的可能性較小。

7 監(jiān)測評價(jià)

（1）對瀾滄江功果橋水電站上游圍堰雙重消力平臺堰面壓力、流速和堰體滲透壓力的綜合監(jiān)測成果表明，在上游圍堰設(shè)置消力平臺，可有效地緩解高水頭對堰體的沖刷，臺階上的壓力及流速明顯降低，說明在堰面上設(shè)置消力平臺是經(jīng)濟(jì)合理的。

（2）通過對堰體內(nèi)的滲透壓力觀測結(jié)果表明，采用沙礫石或石渣填充、用塊石做護(hù)坡、用混凝土面板保護(hù)，能有效防止?jié)B流，并起到截流作用，具有重要的技術(shù)創(chuàng)新性。

（3）監(jiān)測成果證明，功果橋水電站采用膠凝砂礫石護(hù)坡和混凝土楔型護(hù)面板施工，即可加快工程進(jìn)度，又可節(jié)省工程投資，有著極為重要的技術(shù)價(jià)值。

（4）DJ800系統(tǒng)操作簡單，并有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理功能，能繪制波形圖、玫瑰圖、頻譜圖、斷面圖及等值線圖等，還能打印波高、峰谷值、平均值、最大值、最小值和瞬間值，也能對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修改和濾波，宜于推廣應(yīng)用。

［1］劉俊峰.巖土工程安全監(jiān)測手冊[M].北京：中國水利水電出版社，1999.

［2］水工建筑物觀測工作手冊[M].北京：水利出版社，1980.

［3］袁希光.傳感器技術(shù)手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，1999.