第13章 水利工程变形监测

第13章水利工程变形监测主要内容•概述•监测项目及要求•监测系统设计•小浪底大坝安全监控系统设计•大坝安全评判专家系统设计13.1概述监测工作的重要性•建国以来，我国共修建8.3万余座堤坝，其中15米以上大坝有1.9万多座，30米以上大坝有近3000座，这些工程在国民经济中发挥了巨大的作用。然而，相当一部分大坝存在着某些不安全因素，这些因素不同程度地影响工程效益的发挥，甚至威胁着下游千百万人民的生命财产安全。•世界范围内的最新统计结果表明，本世纪已建坝总的失事比例约为1%，一旦大坝失事，将引起难以估计的灾难，这已引起各国政府和人民的普遍关注。监测系统研究进展•监测数据的自动采集•监测信息处理系统的研究开发•综合评判专家系统的开发研究13.2监测项目及要求工作原则（1）监测仪器和设施的布置，应明确监测目的，紧密结合工程实际，突出重点，兼顾全面，相关项目统筹安排，配合布置。应保证具有在恶劣气候条件下仍能进行重要项目的监测。（2）仪器设备要耐久、可靠、实用、有效，力求先进和便于实现自动化监测。（3）仪器的安装和埋设必须及时，必须按设计要求精心施工，应保证第一次蓄水期能够获得必要的监测成果，并应做好仪器的保护；埋设完工后，及时作好初期测读工作，并绘制竣工图、填写考证表，存档备查。（4）仪器监测严格按照规程规范和设计要求进行，相关监测项目力求同时监测；针对不同监测阶段，突出重点进行监测；发现异常，立即复测；做到监测连续、数据可靠、记录真实、注记齐全、整理及时，一旦发现问题，及时上报。（5）仪器监测应与巡视检查相结合。基本要求（1）可行性研究阶段。提出安全监测系统的总体设计专题、监测仪器及设备的数量；监测系统的工程概算。（2）招标设计阶段。提出监测系统设计文件，包括监测系统布置图、仪器设备清单、各监测仪器设施的安装技术要求、测次要求及工程预算等。（3）施工阶段。提出施工详图，应做好仪器设备的检验、埋设、安装、调试和保护，应绘制竣工图，编写埋设记录和竣工报告；应固定专人进行监测工作，保证监测设施完好和监测数据连续、可靠、完整，应按时进行监测资料分析，评价施工期大坝安全状况，为施工提供决策依据。（4）首次蓄水阶段。应制定首次蓄水的监测工作计划和主要的设计监控技术指标；按计划要求做好仪器监测和巡视检查；拟定基准值，定时对大坝安全状态作出评价并为蓄水提供依据。（5）运行阶段。应进行经常的和特殊情况下的监测工作；定期对监测设施进行检查、维护和鉴定，以确定是否应报废、封存或继续观测、补充、完善和更新，定期对监测资料进行整编和分析。工作状态划分•应定期对监测结果进行分析研究，并按下列类型对大坝的工作状态作出评估：（1）正常状态，指大坝（或监测的对象）达到设计要求的功能，不存在影响正常使用的缺陷，且各主要监测量的变化处于正常情况下的状态。（2）异常状态，指大坝（或监测的对象）的某项功能已不能完全满足设计要求，或主要监测量出现某些异常，因而影响正常使用的状态。（3）险情状态，指大坝（或监测的对象）出现危及安全的严重缺陷，或环境中某些危及安全的因素正在加剧，或主要监测量出现较大异常，若按设计条件继续运行将出现大事故的状态。表13.1变形监测符号变形正负水平向下游、向左岸向上游、向右岸垂直下沉上升挠度向下游、向左岸向上游、向右岸倾斜向下游转动、向左岸转动向上游转动、向右岸转动滑坡向坡下、向左岸向坡上、向右岸裂缝张开闭合接缝张开闭合闸墙向闸室中心背闸室中心表13.2水工建筑物监测项目类别项目按工程分类按级别分类土石坝堆石坝混凝土坝水闸、溢洪道隧洞、地下厂房水库1234水文水位√√√√√√√√√√降水√√√√√√√波浪√√冲淤√√√√气温√√√√√√√水温√√√变形表面√√√√√√√√√内部√地基√√√裂缝√√√√√√√√√接缝√√√√√边坡√√√√√√渗流坝体√√√√坝基√√√√√√√绕渗√√√√渗流量√√√√√√√√√地下水√√√水质√√√√√√应力土壤混凝土√钢筋√√√√√钢板√接触面√温度√√√水流压强√√√流速√√掺气消能√√地震振动表13.3安全监测次数类别项目施工期蓄水期运行期变形表面内部4~2次/月10~4次/月10~4次/月30~10次/月6~2次/年12~4次/年渗流渗流水质10~4次/月6~3次/年30~10次/月12~6次/年6~3次/月12~3次/年应力应力温度6~3次/月15~4次/月30~4次/月30~4次/月12~4次/年6~2次/月13.3监测系统设计监测断面布置(土石坝)（1）观测横断面。布置在最大坝高、原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处、坝内埋管或运行可能发生异常反应处。一般不少于2~3个。（2）观测纵断面。在坝顶的上游或下游侧布设1~2个，在上游坝坡正常蓄水位以上1个，正常蓄水位以下可视需要设临时断面，下游坝坡2~5个。（3）内部断面。一般布置在最大断面及其它特征断面处，可视需要布设1~3个，每个断面可布设1~3条观测垂线，各观测垂线还应尽量形成纵向观测断面。界面位移一般布设在坝体与岸坡连接处，不同坝料的组合坝型交界处及土坝与混凝土建筑物连接处。（1）观测纵断面。通常平行坝轴线在坝顶及坝基廊道设置观测纵断面，当坝体较高时，可在中间适当增加1~2个纵断面。当缺少纵向廊道时，也可布设在平行坝轴线的下游坝面上。（2）内部断面。布置在最大坝高坝段或地质和结构复杂坝段，并视坝长情况布设1~3个断面。应将坝体和地基作为一个整体进行布设。拱坝的拱冠和拱端一般宜布设断面，必要时也可在l/4拱处布设。监测断面布置(混凝土坝)（1）两坝肩附近的近坝区岩体。垂直坝轴线方向各布设1~2个观测横断面。（2）滑坡体顺滑移方向布设1~3个观测断面，包括主滑线断面及其两侧特征断面。（3）必要时可大致按网格法布置。监测断面布置(滑坡体)水平位移观测点布置(位移标点)（1）土石坝。在每个横断面和纵断面交点等处布设位移标点，一般每个横断面不少于3个。位移标点的纵向间距，当坝长小于300m时取30~50m，坝长大于300m时，一般取50~100m。（2）混凝土坝。在观测纵断面上的每个坝段、每个垛墙或每个闸墩布设一个标点，对于重要工:程也可在伸缩缝两侧各布设一个标点。（3）近坝区岩体及滑坡体。在近坝区岩体每个断面上至少布设3个标点，重点布设在靠坝肩下游面。在滑坡体每个观测断面上的位移标点一般不少于3个，重点布设在滑坡体后缘起至正常蓄水位之间。（1）土石坝。在两岸每一纵排标点的延长线上各布设一个工作基点。当坝轴线为折线或坝长超过500m时，可在坝身每一纵排标点中部增设工作基点兼作标点，工作基点的间距取决于采用的测量仪器。（2）混凝土坝。可将工作基点布设在两岸山体的岩洞内或位移测线延长线的稳定岩体上。（3）近坝区岩体及滑坡体。选择距观测标点较近的稳定岩体建立工作基点。水平位移观测点布置(工作基点)（1）土石坝。一般仍采用延长方向线法，即在两岸同排工作基点连线的延长线.上各设1~2个校核基点，必要时可设置倒垂线或采用边角网定位。（2）混凝土坝。校核基点可布设在两岸灌浆廊道内，也可采用倒垂线作为校核基点，此时校核基点与倒垂线的观测墩宜合二为一。（3）近坝区岩体及滑坡体。可将工作基点和校核基点组成边角网或交会法进行观测。有条件时也可设置倒垂线。水平位移观测点布置(校核基点)垂直位移测点布置•在通常情况下，垂直位移采用精密水准测量方法观测。•水准测量的基准点应根据工程建筑物的规模、受力区范围、地形地质条件及观测精度要求等综合考虑，原则上要求这种类型的点能长期稳定，且变形值小于观测误差。•水准基点的形式可采用土基标、地表岩石标、深埋钢管标、双金属管标等，具体形式可根据实际情况确定。•一般分别在坝顶及坝基处各布设一排沉降监测标点，在高混凝土坝中间高程廊道内和高土石坝的下游马道上，也应适当布置观测标点。•沉降标点可根据实际需要采用综合标、混凝土标、钢管标、墙上标等形式。表13.4水平位移监测方法部位方法说明重力坝引张线视准线激光准直一般坝体、坝基均适用坝体较短时用包括大气和真空激光，坝体较长时用真空激光拱坝视准线导线交会法重要测点用一般均适用，可用光电测距仪测量导线边长交会边较短、交会角较好时用土石坝视准线大气激光卫星定位测斜仪或位移计交会法坝体较短时用有条件时用，可布设管道坝体较长时用测量内部分层及界面位移用交会边较短、交会角较好时用近坝区岩体测斜仪交会法卫星定位多点位移计一般均适用交会边较短、交会角较好时用范围较大时用也可用于滑坡体和坝基高边坡、滑坡体视准线卫星定位直线测距边角网同轴电缆一般均适用范围较大时用用光电测距仪或铟钢线位移计、收敛计一般均适用，包括三角网、测边网和测边测角网可测定位移深度、速率及滑动面位置断层、夹层断层监测仪变位计测斜仪倒垂线可测断层的三维位移可测层面水平及垂直位移一般均适用必要时用校核基点岩洞稳定点倒垂线边角网延长方向线伸缩仪也可精密量距和测角一般均适用有条件时用有条件时用用于基准点传递和水平位移观测表13.5垂直位移监测方法部位方法说明混凝土坝一等或二等水准三角高程激光准直坝体、坝基均适用可用于薄拱坝两端应设垂直位移工作基点土石坝二等或三等水准三角高程激光准直坝体、坝基均适用一般采用全站仪观测两端应设垂直位移工作基点近坝区岩体一等或二等水准三角高程观测表面、山洞内及地基回弹位移观测表面位移高边坡及滑坡体二等水准三角高程卫星定位观测表面及山洞内位移一般利用全站仪观测范围较大时用内部及深层沉降板沉降仪多点位移计变形计固定式，观测地基和分层位移活动式或固定式，可测分层位移固定式，可测各种方向及深层位移观测浅层位移高程传递垂线铟钢带尺光电测距仪竖直传高仪一般均适用需利用竖井需利用旋转镜和反射镜可实现自动化测量，但维护较困难13.4小浪底大坝安全监控系统设计工程概况小浪底水利枢纽是我国目前在建的最大水利枢纽工程之一，工程位于河南省洛阳市以北约40km的黄河干流上，是一座以防洪、防凌、减淤为主，兼顾发电、灌溉、供水等综合利用的水利枢纽工程。枢纽由大坝、泄洪排沙建筑物、水电站等组成。大坝为壤土斜心墙堆石坝，最大坝高154m，总库容126.5亿m3，泄洪排沙建筑物由三条孔板泄洪洞、三条明流泄洪洞、三条排沙洞和正常溢洪道及非常溢洪道组成，水电站系统由六条引水洞发电、地下厂房和三条尾水洞组成，电站装机6台，总容量1800MW，地下厂房长250.15m，宽26.20m。图13-1小浪底水利枢纽工程基本观测断面•大坝观测仪器主要布置在三个横断面和两个纵断面上；•A—A观测断面位于F1断层破碎带处，F1断层对大坝的影响较大，是重点观测部位；•B—B观测断面位于最大坝高处，而且覆盖层最深(70多米)，是坝体的典型观测断面；•C—C观测断面位于左岸，该断面防渗体基本上处于岩石基础和河床覆盖层的交界部位，同时断面下游坝轴线上有一基岩陡坎，使其变形比较复杂，有引起裂缝的可能。•两个纵断面为沿斜心墙轴线的断面D—D及沿坝轴线的断面E—E。图13-2小浪底大坝外部监测系统布置变形监测•大坝的外部变形观测分为水平变形和竖直变形两部分。坝体表面的观测标点既可作为水平变形测量的标点又可当作竖直变形测量的标点。大坝外部变形共布设测线8条，156个测点，顺河流方向的水平位移采用视准线法或小角度法观测；沿坝轴线方向的水平位移采用量距法进行观测；坝体的沉陷采用二等精密水准进行施测。•坝体内部变形观测主要有水平位移观测、垂直位移观测及界面相对错动观测，主要采用四种方法进行观测，分别是：测斜仪、堤应变计、界面应变计及钢弦式沉降计。•大坝共设有17支测斜管，分别以垂直向、倾斜向及水平向三种方式埋设，并在一定的间距安装有沉降环，以测量坝体三个方向的变形。渗流监测•坝基渗流是该工程的重点监测项目，监测的重点部位是沿整个大坝防渗线及斜心墙基础面的渗压力。•监测项目包括绕坝渗流、坝体内的孔隙水压力和浸润线分布。对F1断层两侧及右岸滩地也需要监测其渗流稳定性。•坝体渗压监测仪器主要布置在三个横向观测断面内，另外，在B—B观测断面上游堆石体内布置了6支渗压计。•为了监测F1断层及其两侧破碎带