大坝安全监测方案

1大坝安全监测设计方案21概述1.1项目背景和意义广西柳州市鹿寨县古偿河水库工程是一个以城市以供水为主、兼有灌溉等效益的供水工程。水库位于古偿河水库工程位于柳州市鹿寨县黄冕乡古偿村上游3km的古偿河上，坝址距黄冕乡约9km，距鹿寨县城约40km，至柳州67km。古偿河没有水文站，只有一个木龙雨量站，属于亚热带季风气候区，气候温和，雨量丰沛，植被良好。偿河水库新建工程由拦河坝、溢洪道、输水系统、上坝公路等建筑物组成。水库正常蓄水位为178m，总库容为9380万m3，日平均供水设计规模为近期20.5万m3，远期42.6万m3，枢纽主要建筑物包括碾压混凝土重力坝(含溢流表孔、泄洪冲沙中孔)、取水建筑物及输水管线等，次要建筑物主要包括上坝公路及交通洞等。挡水建筑物主要为拦河大坝，拦河大坝为碾压重力坝，由左岸非溢流重力坝段、右岸非溢流重力坝段组成。我国共有3482座水库垮坝。七十年代平均每年垮200多座，其中1973年高达554座。以后每年平均也有20多座垮坝。1975年的板桥水库垮坝事故，造成约2.6万余人死亡，损失惨重。如图1图1河南板桥1975.83图2大坝安全关系到百姓的生命财产安全，任重而道远，故开展现代化的安全监测措施是十分有必要的。1.2项目内容及目标1.2.1项目内容大坝安全监测是通过仪器观测和人工的现场检查监视，对大坝坝体、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境所作的测量及观察，通过合理的计算和分析对工程的工作状态进行评估，对工程未来性态进行预报，以确保工程的安全，兼顾有改进工程设计、提高施工技术、进行科学研究等作用。监测项目主要包括:4仪器监测安全检查变形监测现场巡视检查渗流监测现场监视应力监测水文气象监测1.2.2项目目标安全监测除了及时掌握建筑物的工作状态，确保安全外，其还有诊断、预测、法律、研究等方面的作用。（1）诊断：包括验证设计参数、改进设计；对施工技术进行评估和改进；对不安全迹象和险情的诊断并采取措施进行加固等；（2）预测：运用长期积累的观测资料掌握变化规律，对建筑物的未来状态做出及时有效的预报；（3）法律：对由于工程事故而引起的责任和赔偿问题，观测资料有助于确定原因和责任，以便法庭作出公正判决；（4）研究：观测是建筑物工作形态的真实反映，可为未来设计提供定量信息等。1.3开发原则（1）设备基础原则接口故障不影响其他系统，故障自诊断和远程维护，防潮、防腐、耐湿、抗风、防雷，保证设备能在恶劣自然环境中全天候的执行监测预警任务。5（2）可靠性原则设备具有备用电源，若以太阳能为基本电源，确保其可靠。对于其它设备，要充分考虑其可能面临的应急断电问题，包含安全型继电器。（3）稳定性原则保证系统运行时间较长，一般要求7*24小时不间断运行，主要设备达到工业级标准。（4）安全性原则保证数据安全，即具有完善的数据保密系统。应分别从硬件和软件防火墙两个角度进行数据保密工作，防止受到攻击、窃取、恶意篡改等非法访问，同时提供数据自动备份功能，保护数据库本身的安全。（5）可扩展性原则本次开发的系统包括硬件和软件两大部分内容，不论是硬件还是软件平台，都应预留可扩展接口，以备和相关部门其他系统软件集成或共享。（6）可维护性原则系统性能较好，但本次开发的系统应具有可维护性，可进行设备运行状态监视、故障定位、故障智能识别及故障报警。1.4开发依据有关规程规范和技术标准。《水文调查规范》（SL196-97）《降雨量观测规范》（SL21-2006）6《水利水电工程设计洪水计算规范》（SL44-2006）国务院第77号令，《水库大坝安全管理条例》，1991水利部，《土石坝安全监测技术规范》（SL10-94）国家经委，《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178-2003）《大坝安全自动化监测系统设备基本技术条件》（SL268-2001）《水文情报预报规范》（SL250-2000）《水文自动测报系统规范》（SL61-94）《水文自动测报系统设备基本技术条件》，SL/T102-1995《水文测报装置遥测雨量计》(GB11931-89)《水文测报装置遥测水位计》（GB11930-89）2总体设计一个监测系统主要由现场的监测仪器、导线、采集测控单元，通讯装置、计算机及其相应的监测软件等构成。下图为监测系统的基本结构图：7变形监测渗流监测应力监测水文气象监测安全检查表面位移内部位移整体位移垂直位移水平位移缝隙倾斜弯曲扬压力地下水位孔隙压力混凝土垂直位移水平位移渗流量岩体钢材土压力温度雨量水位蒸发大坝安全监测软件平台安全监测工作贯穿于坝工建设与运行管理的全过程，基本分3个阶段。（1）工程设计阶段主要是完成一个监测项目恰当、测点布局合理、监测规模合适的安全监测设计。（2）施工阶段主要是完成监测设施的施工，并为工程施工方案提供依据。（3）运行管理阶段主要是及时掌握大坝结构性态，进行实时安全监控，确保大坝安全。83变形监测3.1简介大坝变形的的主要概念有：表面位移、内部位移和整体位移。表面和内部位移都包含垂直水平位移两方面，整体位移包含含弯曲、倾斜、裂缝三方面。下图为大坝变形示意图：这些指标中，通过以下几个观测项目可以反映大坝变形表面水平位移观测垂直位移观测（包括坝体表面、内部）挠度（与以上联合，表征内部位移）倾斜度裂缝情况（变形的极端情况）9布点一般在表面布设的点多一点，原因是：方便、也是位移变化最大的部位；内部和各方向上的布点一般应该大于3个3.2观测断面的布设本大坝属于混凝土坝（重力坝或拱坝等），其各项指标布设点位置如下：位移观测纵断面：在坝顶怀廊道中各设置一个，坝高时在坝中间部位增设1~2纵继面内部断面（横断面）：布置在最大坝高断面上，与结构复杂断面处1~2个挠度观测（倾斜观测与挠度观没设置一致）同一坝段设置2~3条垂线即可，同一垂线设置多个测点裂缝观测（设在接缝、突变部位和重点部位横断面与纵断面应该相互交叉，共用一个测点3.2水平位移的观测目前有七种办法，分别是引张线法、视准线法、激光准直法、交会法、测斜仪与位移计、卫星定位法和导线法（全站仪），本节着重介绍引张线法、视准线法的使用。10引张线法原理：以及数学模型:布设位置11在坝体表面沿坝轴线方向布置观测基点一般设在坝体两端的不受坝体变形影响的基岩上或廊道里坝顶与下游侧布线多，上游侧布线少视准线法基本原理与引张线法基本一致，但是其固定不动的“线”，是经纬仪的光线：观测基点结构：基点固定在坝两侧相对不变形的位置上，测点固定在坝体上，与坝体同步位移。强制对中。12观测方法限与篇幅，不做多讲。3.3垂直位移的观测观测方法有精密水准法，沉降仪法，沉降板法，多点位移计法，这里着重介绍沉降仪法和沉降板法。沉降仪法：本项目用钢弦式，其内部构造见下图：该传感器随着外界压力的变化，频率也会发生变化，其数学模型是：13mlFf21沉降板法：适用于监测分层垂直位移，坝体内部垂直位移。3.4挠度观测简介挠度指坝体的分层变形情况，有正垂线、倒垂线两种方法，混凝土坝一般布置在最高坝段面，拱冠处。正垂线法14倒垂线法3.4倾斜观测混凝土坝常用的是倾斜仪法和精密水准法。15倾斜仪就是一把带有地脚调节螺栓的水平尺，可以测定倾斜的角度，用于表面倾斜测量。3.4裂缝观测原理宽度：利用固定在裂缝两侧的位称传感器或卡尺测量长度：钢尺人工测量深度：探地雷达，超声波等。16面板坝的面板具有防渗作用，周边缝是容易开裂的，监测非常重要。一般用三向测缝仪进行监测，即使在水下因为防水，固不影响工作。4渗流监测4.1重要性国际大坝委员会在1988~1994年对世界溃坝进行统计分析认为，各种坝形溃坝比例基本一致，渗透破坏导致的占30%，坝体18%，坝基渗透12%。因此：对坝体渗透状况进行监测是非常有必要的。4.2内容混凝土坝：174.2扬压力监测混凝土坝的观测断面有：坝基纵断面：1个，帏幕、排水孔下游侧或排水帏幕线上横断面：2~5个观测点：横断面上3~5个点坝体数量较坝基少，并与坝基结合。在分缝初设，1~3个横断面。上游密，排水孔上下游各设观测点18有测压管和渗压计两种观测方法：194.3孔隙压力监测监测土体固结时孔隙水的压力变化一般应用于监测土坝施工期的饱和土固结过程，或监测软弱地基在施工中的固结过程，保证施工期安全。方法与上同。4.3绕坝渗流监测概念20监测部位坝体两岸坝肩及部分山体、坝体与其它建筑物的接触处、坝肩防渗齿墙、灌浆帏幕与两岸结合等送键部位。观测断面与观测点观测方法测压管渗压计注意事项进水段不能太长，否则失真多层地层时，注意分层封堵深度达到死水位、原地十水位以下其他原理等同上节4.4地下水位与渗压观测原理相同，观测的是地下水位。214.4渗流量观测内容总渗流量分区渗流量各坝段渗流量（河床、溢流段等）坝体、坝基、绕渗流量导渗渗流量，如减压井、排水井等布置混凝土坝一般在下游检查廊道内进行，也可以在坝后设置注意：坝后坝面上设排水沟，导出地面径流避免泄洪流和下游回水干扰切实做好分区渗流的分隔用导渗沟将渗流导渗与集中部位，以便于观测观测方法流量小于1L/s，容积法流量在1~300L/s,量水堰法太大时用导渗沟如排水沟，流速仪法量水堰法22量水堰设在矩形平直的渠段上，隔水堰板与水流垂直堰口为自由出流堰板为不锈钢平板，其堰口下游边为45度斜角测度设备设在堰口上游3~5倍堰顶水位处堰槽长度应该大于7倍堰顶水头，其中上游段应该大于5倍堰顶水头4应力监测234.1简介混凝土坝的应力分布坝体应力是表片大坝安全的重要指标大坝应力状况是大坝设计者关心的问题，也是大坝管理者关心的问题坝体应力的观测较为复杂4.2混凝土的应力监测基本原理24混凝土应力监测的原理是通过大混凝土中坦设应变计来测定混凝土的应变值，由应变值通过弹性理念经计算混凝土的应力值。因为应变好测，同时是通过测定水平、倾斜和垂直方向的应力值，来计算测点的大小主应力值。弹性模量与混凝土的龄期有关观测对象总应变温度与湿度引起的应变混凝土各龄期下弹性模量试验混凝土蠕变和松弛试验观测方法25应力计（单向、多项）：测定总应变无应力计：测定因为温度、湿度和化学变化引起的应变应变计通过内部应变片电阻的变化测定坝体的应变，分为：单应变计、应变计组（7~9向、3~5向）埋在混凝土内部的应变计26绑在钢筋上的应变计无应力计分为混凝土、钢筋、岩体三种，筒内材料与所测材料应该一致，变形应该不受坝体变形的影响。274.2岩体的应力监测监测部位坝基地下工程坝肩岩体洞室观测方法与仪器岩基应变计（即：大应变计，标距长度为1~2m),多点位移计，滑动测微计岩石弹性模量可用室内试验或钻孔弹模仪测定测点布置对于重力坝应该重点在坝踵与坝趾区基岩，对于拱坝重点在两岸坝肩高边坡监测可采用多点位移计观测洞室应力监测应该用收敛仪、三向位移计、多点位移计等，对于锚杆可以用锚杆测力计。计算方法由应变计算应力：由位移计算应变，再计算应力。4.2钢材的应力监测监测方法埋设钢筋计和钢筋无应力计钢筋计28要求钢筋计应该焊接在同一直径的受力钢筋的轴线上，无应力计也应该布置在附近钢筋计距钢筋的绑扎接头大于1.5m,不使传感器弯曲。4.4土压力监测简介土体基本上不能承受拉力，主要承受压力，因此土体应力监测以压力监测为主。通过土压力计可以测出总应力值，通过孔隙水压力计可以测出也隙压力，通过吸力计可以测定土体的吸力，这样可以计算出土体的有效应力在两个相互垂直的方向上设置一组土压力计，就可以计算出土体的大小主应力值坝体内部土压力监测29观测断面：1~2个横断面每个横断面在2~3个高程设置观测点，并在每个高程上布置2~3个观测点。接触土压力观测观测目的：监测土或堆石与混凝土、面板、岩石和建筑物接触面的土压力，也用于监测上游淤砂压力的监测。沿界面布设，一般3~5个观测点。304.5温度监测观测断面坝体内部根据不同的坝型以网格法布置，以