水电站大坝安全监测管理与操作实务摘要

水电站大坝安全监测管理与操作实务濮久武工作简历：从事工作：中国华电集团浙江乌溪江水力发电厂，从事水工建筑物安全监测及运行管理工作二十余年。主要经历：从事过包括重力坝、拱坝、支墩坝、面板堆石坝、土坝等几十座大坝等水工建筑物的安全监测设计、施工、监测以及施工管理、运行期维护管理及技术咨询等。主要著作：在国内水电站管理、大坝安全、大坝监测技术、工程测绘等相关刊物上发表过数十篇文章。水工建筑物安全监测的目的意义1）监视掌握水工建筑物的状态变化，及时发现不正常迹象，分析原因采取措施，改善运用方式，防止发生破坏事故，确保其安全。2）掌握水位、蓄水量等情况，了解水工建筑物在各种状态下的安全程度，为正确运用提供依据，确定科学合理的运行方案，发挥工程最大效益。3）及时掌握施工期间水工建筑物的状态变化，据以指导施工，保证工程质量。4）分析判断水工建筑物的运用和变化规律，验证设计数据，鉴定施工质量，为提高设计施工和科学研究工作水平提供资料。安全监测工作现场观测中的“四无”是指无缺测、无漏测、无不符合精度要求、无违时；“五随”是指随观测、随记录、随计算、随校核、随整理；“四固定”是指固定人员、固定仪器、固定测次、固定时间。水工建筑物的现场安全监测主要分为：巡视检查、环境量监测（水文、气象等）、变形监测、渗流监测、应力应变及温度监测等。巡视检查大坝的监测仪器仅能布设在大坝的局部部位,进行的监测的也只是定期的,这就造成了空间和时间上的不连续。而大坝的缺陷并非都发生在仪器监测的部位,也不一定发生在定期监测的时间内,所以只有把仪器监测和巡视检查两者加以密切配合,才能确保大坝安全监测工作的实效。实践表明水工建筑物的许多缺陷都是通过有经验的工作者在巡视检查中发现的。大坝安全检查分为日常巡查、年度巡查、定期检查和特种检查四种。日常巡查是由水电厂有经验的现场专业人员对大坝进行的经常性巡视和检查。年度巡查由水电厂组织专业技术人员对大坝进行详细检查。定期检查是每隔一定时间由主管单位组织运行、设计、施工、科研等有关单位高级专业人员对大坝进行的全面检查和评价。其内容包括按照现行规范复查原设计数据、方法及安全度；审议施工方法、质量和施工中出现的特殊情况及其影响；复核洪水、库容、泄洪能力；全面了解和审查大坝运行记录和观测资料分析成果；现场检查(包括水下检查)；评定大坝的结构性态和安全状况，提出大坝安全定期检查报告。检查频次一般为每五年一次。对没有潜在危险、结构完整、运行性态良好的大坝，由主管单位报部大坝安全监察中心，经会商后可以减少检查频次，但间隔时间不得超过十年。特种检查是在特殊情况下对大坝重大安全问题的检查。环境量及水力学监测环境量监测包括水位、库水温、气温、降水量、冰压力、坝前淤积和下游冲刷及风向风速等监测。环境量又称为原因量、因素或自变量，与之相应的称为效应量、物理量、变量等。任何效应量均是对一定环境量作用下的反应，作为安全监测工作，只有准确掌握各环境量的变化情况才能正确分析评判相应效应量的变化情况，据以判断建筑物的运行性态。同时根据各环境量的变化，妥善地采取相应措施开展水工建筑物的安全管理工作。为了解水工建筑物上、下游水流对水工建筑物的影响及消能设施工作效能，以便改善调整运用方式，正确地运用水工建筑物，避免发生不利的水流情况，保证建筑物安全运行，应进行水力学监测。变形监测一般规定水工建筑物各位移量的测量中误差不应大于下表的规定，表中位移量中误差是指两次观测值之差的偶然误差和系统误差的综合值。变形量及应力应变量的正负号按以下规定执行：（1）水平位移：径向或上下游向（Y向）向圆心方向或下游为正；切向或左右岸向（X向）向左岸为正。反之为负。（2）垂直位移：下沉为正，上升为负。（3）接缝和裂缝变位：缝开合（X向）张开为正；缝剪切（Y向）左侧块相对于右侧块向下游为正（据工程具体情况而有所差异）；缝沉陷（Z向）左侧块相对于右侧块向下沉为正（据工程具体情况而有所差异）。反之为负。对于面板坝周边缝变位：接缝开合（X向）张开为正；接缝剪切（Y向）面板相对于趾板向坡下为正；接缝沉陷（Z向）面板相对于趾板向下沉为正。反之为负。（4）基岩变位：向岩体外部为正，向岩体内部为负。（5）钢筋、混凝土应力应变：拉伸为正，压缩为负。（6）土压力、渗流压力等：压应力为正，拉应力为负。水准仪等级分类水准仪按每公里往返测高差中数的中误差这一精度指标为依据，划分为四个等级，分别为S05（每公里往返测高差中数中误差≤±0.5mm）级、S1级、S3级、S10级。其中S05级水准仪如DNA03、NA3003、NA2+GPM3、NI002。数字水准测量系统的组成及工作原理•一个数字水准仪测量系统主要是由编码标尺、光学望远镜、补偿器、CCD传感器以及微处理控制器和相关的图像处理软件等组成。•虽然各厂家生产的数字水准仪采用的结构不完全相同，但是其基本工作原理相似：即标尺上的条码图案经过光反射，一部分光束直接成像在望远镜分划板上，供目视观测，另一部分光束通过分光镜被转折到线阵CCD传感器的像平面上；经光电转换、整形后再经过模数转换，输出的数字信号被送到微处理器进行处理和存储，并将其与仪器内存的标准码（参考信号）按一定方式进行比较，即可获得高度和水平距离读数。在数字水准测量系统中，作为高程标准其使用的数字水准标尺的编码方式、读数原理对系统测量精度的影响是显而易见的。数字水准仪的特点•与传统仪器相比数字水准仪有以下共同特点：•1）读数客观。不存在误差、误记问题，没有人为读数误差。•2）精度高。视线高和视距读数都是采用大量条码分划图象经处理后取平均得出来的，因此削弱了标尺分划误差的影响。多数仪器都有进行多次读数取平均的功能，可以削弱外界条件影响。不熟练的作业人员业也能进行高精度测量。•3）速度快。由于省去了报数、听记、现场计算的时间以及人为出错的重测数量，测量时间与传统仪器相比可以节省1/3左右。•4）效率高。只需调焦和按键就可以自动读数，减轻了劳动强度；视距还能自动记录，检核。给定测量限差值，仪器可自动判断测量现差，超限时提示重测，能自动计算线路闭合差等。测量数据与电子计算机通讯进行后处理，可实线内外业一体化；有倒置标尺功能，适合于天花板、地下水准测量；即可以进行自动测量（用条码标尺），又可以进行人工读数（普通标尺）。•5）在野外可方便地进行i角检验及校正。•6）在黑暗中可采用手电筒或聚光灯照亮竖立标尺的测量区。对于精密测量，视场中心区（如1°视场角范围内）应无任何遮挡。视场内应有的编码长度与仪器到标尺的距离有关，如LeicaDNA03水准仪，距离为10m以内，在视场内的标尺长度不允许有遮挡；距离为10~50m，在视场内的标尺长度允许有20%边缘遮挡。水准测量误差来源•一、仪器误差•（1）水准仪的交叉误差•（2）水准仪的角误差•（3）平行玻璃板测微器的误差•（4）水准尺的尺长误差•（5）两水准标尺的零点误差•二、观测误差•三、外界因素导致的误差•（1）温度变化对仪器的影响•（2）仪器脚架升沉的影响•（3）尺台升沉的影响•（4）大气折光的影响i大坝沉陷观测•国家一、二等水准测量测站观测顺序：后—前—前—后；前—后—后—前。•（1）大坝垂直位移观测中，对于各转点为稳定的水准点、硬质路面水准线路，通视情况良好，观测线路不长时间较短的情况，精密水准测量亦可采用，往测时奇数测站后—后—前—前；偶数测站前—前—后—后的观测顺序，以提高观测速度。返测时两支标尺必须互换位置，各测站观测以始终先照准往测时先照准的某支标尺为原则，即当该水准线路的测站数为偶数的，返测时，奇、偶测站照准标尺的顺序分别与往测偶、奇测站相同；当该水准线路的测站数为奇数的，返测时，奇、偶测站照准标尺的顺序分别与往测奇、偶测站相同。•（2）各测站仪器安置时，始终（往返测均同样）将水准仪物镜朝向某支固定的水准标尺进行整平。•（3）两水准标尺的零点误差不等称为一对标尺零点不等差，其对一测站往返测不符值的影响较为明显。三角高程测量精密水准法测定测点的高程虽然精度高，但工作量大、速度较慢，且必须要具备通行条件良好的水准线路，在起伏变化较大的山区，精密水准就很难得以实施。这时便可采用三角测量的方法测点高程。三角高程测量的基本思想是根据由测站向照准点所观测的垂直角（或天顶距）和它们之间的水平距离，计算测站点与照准点之间的高差。这种方法简便灵活，受地形条件的限制较少，故适用于测定三角点的高程。在大地测量中，三角点的高程主要是作为各种比例尺测图的高程控制的一部分，一般都是在一定密度的水准网控制下，用三角高程测量的方法测定三角点的高程。传统的三角高程测量的边长一般是由三角网的已知边通过三角测量推算而得，随着光电测距技术的快速推广应用，三角高程测量的边长可直接由光电测距仪测定，从而大大提高了三角测量的精度，这就是EDM（ElectronicDistanceMeasurement，电子距离测量）三角高程测量。近几年在工程测量中EDM三角高程测量技术不断发展，观测精度已得到了很大的提高，部分工程已替代了二等水准的测量。图1-38三角高程测量单向观测计算高差的基本公式令式中＝C，C一般称为球气差系数。2201202102,1221vSRKiSRtgSh，212021021viSRKtgS，（1）观测方法如图1-41，将经纬仪或全站仪安置于工作基点C上，用钢尺量取仪器视准轴中心到基点顶面的距离K，观测P点的垂直角τ。观测时上半测回依次照准P1、P2、P3……等各位移测点。垂直角观测之具体要求见附录中的有关内容。在变形监测中，P点的高程可按下式计算HP＝Hc＋K＋L×tgτHP相对于Hc的高差为h＝k＋L×tgτ（2）计算方法累计沉陷量△H＝首次HP—本次HP＝首次h—本次h间隔沉陷量△H＝上次HP—本次HP（3）垂直角观测要求每一方向采用“双照准法”观测。各测次横丝照准目标的部位应固定不变，且在手簿上注记或绘草图说明；所用的钢尺应无零点差且保持不变。图1-41三角高程观测经纬仪等级分类经纬仪按野外一测回水平方向中误差这一精度指标为依据，划分为五个等级，分别为J07（一测回水平方向中误差≤±0.7”）、J1、J2、J6、J15级。J1级经纬仪如WILDT3光学经纬仪以及全站仪TC（A）2003/1201/1800的测角部分。方向观测法方向观测法的特征是在一个测回中把测站上所有要观测的方向逐一照准进行观测，并在水平度盘上读数，求出各方向的方向观测值。三角网计算时所需要的水平角均可从有关的两个方向观测值相减得出。设在测站上有1，2……P个方向要观测，并选定边长适中、通视条件良好、成象清晰稳定的方向1作为观测的起始方向（又称零方向）。上半测回用盘左位置先照准零方向，然后按顺时针方向转动照准部依次照准方向2，3……P再闭合到方向1，并分别在水平度盘上读数。下半测回用盘右位置，仍然先照准零方向1，然后逆时针方向转动照准部按相反次序照准方向P……2，1，并分别在水平度盘上读数。除了观测方向数较少（规范规定不大于3）的站以外，一般都要求每半测回观测闭合到起始方向（如以上所述的观测程序）以检查观测过程中水平度盘有无方位的变动。此时每半测回观测构成一个闭合圆，所以这种观测方法又称之为全圆方向观测法。角度测量误差来源有仪器误差的影响包括：（1）仪器本身误差：1）照准部偏心差、2）度盘刻划误差、3）视准轴误差C、4）横轴误差、5）竖轴倾斜误差δ；（2）观测过程中仪器导致的误差：1）水平度盘位移的影响、2）照准部旋转不正确的影响、3）照准部水平微动螺旋作用不正确的影晌、4）垂直微动螺旋作用不正确的影晌。观测误差的影响包括：（1）照准误差；（2）读数误差；（3）仪器对中误差；（4）目标偏心误差。外界因素的影响包括：（1）大气层密度的变化和大气透明度对目标成象质量的影晌；（2）旁折光的影响；（3）照准目标的相位差；（4）温度变化对视准轴的影响；（5）外界条件对觇标内架的影响。精密测角的一般原则•为了最大限度地减弱或