大坝安全监测

大坝安全监测第1页共25页第十四章大坝安全监测教学内容：1、1、了解大坝安全监测的目的、内容2、2、各阶段的监测工作3、3、变形监测、渗流监测等监测仪器讨论问题：1、1、大坝失事的后果。2、2、各种坝型主要监测目标。教学安排：主要介绍第一节；其余各节为自学内容。第一节第一节概述一、大坝安全监测及其目的1、1、定义：大坝安全监测（SafetyMonitoringofDams）是通过仪器观测和巡视检查对大坝坝体、坝基、近坝区岸坡及坝周围环境所作的测量及观察。大坝：泛指与大坝有关的各种水工建筑物及设备监测：包括对坝固定测点的仪器观测，也包括对大坝外表及内部大范围对象的定期或不定期的直观检查和仪器探查。2、2、目的：a、a、监视建筑物在初次蓄水期间及随后长期运行的安全，为判断大坝安全提供信息。水利枢纽运行条件十分复杂，不确定性因素很多，大坝的安全运行关系到上下游广大人民生命财产安全和生态环境保护。大坝蓄水带来显著的经济效益和社会效益，但一旦失事对下游人民生命财产造成巨大损失。尽管设计中采用了一定的安全系数，使大坝能承担各种荷载组合，但由于设计不可能预见所有不利变化，施工质量也不能完美无缺，大坝在运用过程中存在失事的可能。国际大坝委员会（ICOLD）对33个国家统计，1.47万大坝中有1105座有恶化现象，有105座发生破坏。以下是历史上著名的溃坝事件：1928年美国63m高的St.Francis（圣佛朗西斯）重力坝失事；1976年美国93m高的Teton（提堂）土坝首次蓄水时溃决，4亿美元的经济损失；1959年法国Malpasset（马尔巴塞）拱坝垮坝；1963年意大利的Vajont（瓦依昂）拱坝因库库岸大滑坡导致涌浪翻坝、水库淤满失效；1975年中国板桥和石漫滩土坝洪水漫坝失事。大量的事实也证明，大坝发生破坏事故，事前是有预兆的，对水库进行系统的观测，就能及时掌握水库的状态变化，在发生不正常情况时，及时采取加固补救措施，把事故消灭在萌芽状态中，从而保证水库的安全运行。河南省南谷洞水库堆石坝，通过检查观测发现水平垂直位移及下游漏水险情，通过观测及分析研究，采取砼防渗墙处理后，使严重的变形及浑水渗漏情况得到了展出改善，转危为安。b、b、通过对大坝的系统观测，可根据观测结果推断大坝在各种水位下的安全度，确定安全控制水位，指导大坝的运行，在保证安全的前提下充分发挥工程效益。湖南酒埠江土坝，1960年建成后，因为担心施工质量有问题，一直低水位运行，后来通过系统的观测和资料分析，认为大坝质量是好的，从1981年起抬高水位运行，产生了巨大的经济效益。刘家峡水库主坝，根据系统的观测及资料分析，表明大坝的工作偏于安全，因而决定把水位抬高1.0米运行，在观测、分析、再观测中共抬高水位1.29米，产生了巨大的经济效益。大坝安全监测第2页共25页c、c、施工过程中不断反馈，提高设计和施工水平；通过实际工作性态的反分析，检验设计和施工，为提高和修正水工设计理论提供科学依据。由于实际情况的复杂性和坝工科技水平的限制，大坝设计理论还不够成熟和完善，一些设计前提都带有很多假定，若干因素只能简化处理，作用于结构上的某些荷载还不能准确算出，对结构破坏机理、发展过程、安全界限等的认识不够清楚和准确，坝体和坝基各部位的物理力学参数更难以精确给定。而大坝监测项目齐全、测定多，观测频次密、跨越时期长，能体现现场复杂的实际条件及反映大坝的真实状态，因此可以作为检验设计方法、计算理论、施工措施、施工质量、材料性能能的有效手段。可改变和加深人民对坝工有关问题的认识，开发更合理的设计准则，概述设计和施工，促进坝工学科的发展。例如：混凝土坝坝基扬压力的存在和分布规律的了解、对帷幕及排水降压作用的验证、对混凝土坝变形与应力受温度变化影响的认识、对地震时坝体加速度分布图形的掌握以及根据应力应变实测值对拱坝试载法的验证等，都是通过监测得到的。如北京官厅水库运用初期，通过观测，发现土坝坝基渗漏严重，采用了灌浆防渗的措施。经过测压管观测资料分析，帷幕前后水位仅差2～3米，渗流量只减少约15%～20%，效果不太显著。因而放弃了灌浆处理，改用了上游抛土，下游打排水孔的措施，效果显著，保证了大坝安全。大坝失事的主要原因土石坝混凝土坝1950～19591960～19691970～19751950～19591960～19691970～1975建成坝数14212708/858868/失事数10819572795011漫顶42491620186地基和结构问题28592714184材料问题12163214/坍坡25121/其它521312111从上表看出，1950年以来发生的大坝失事，按成因大致分为：30%左右是由于遭遇特大洪水，设计洪水偏低和泄洪设备失灵，引起洪水漫顶失事；27%左右是由于地质条件复杂，基础失稳和意外的结构事故（如假设的荷载过分乐观）；20%是地下渗漏引起的扬压力过高，渗漏量增大，渗透坡降过大引起坝基基础渗透变形等；11%是由于大坝老化，建筑材料变质（如开裂、侵蚀和风化）以及施工质量等原因使材料强度降低，从而引起失事；12%是由于不同的特有原因所致。在失事的515座大坝土坝占的比例较大，而且这些坝缺乏观测设施或设施不完善。总之，大坝安全监测在保障大坝安全经济运行以及提高坝工科学理论有重要作用。二、各阶段的监测工作大坝安全监测第3页共25页大坝监测工作贯穿于坝工建设和运行管理的全过程。监测工作包括：观测方法的研究和仪器设备的研制、生产，监测设计，监测设备的埋设安装，数据采集、传输和储存，资料整理和分析，大坝实测性态的研究、评价等。设计阶段：需提出大坝安全监测系统的总统设计方案，监测布置图，仪器设备清单，施工详图及埋设安装技术要求，各监测项目测定的规定，监测系统的工程概算等。施工阶段：做好仪器设备的检验、率定、埋设、安装、调试、维护，施工期的监测，竣工报告及监测报告的编写。运行阶段：需进行日常的及特殊情况下的监测工作，定期采集数据及巡视检查，及时整理、整编和分析监测成果并编写监测报告，建立监测档案，做好监测系统的维护、更新、补充、完善工作。第一次蓄水是大坝安全的一个关键时期，应专门制定监测计划，拟定主要的安全监控指标。地震、大洪水以及大坝工作异常时要作为特殊情况，加强检查和重点部位的监测。三、原型监测工作概况1.1.主要监测项目不同级别的大坝要求监测的项目不同。对于一二级大坝，仪器监测主要有以下项目：1)1)工作条件监测：上下游水位、库水温、气温、坝前淤积、下游冲淤2)2)渗流监测：渗流量、绕坝渗流、渗水透明度及化学分析、混凝土坝的扬压力，土石坝的浸润线、坝基渗水压力、导渗降压等3)3)变形监测：水平位移和垂直位移，接缝和裂缝，混凝土坝的挠度和倾斜，土石坝的固结等4)4)应力应变及温度监测：混凝土坝的混凝土应力、应变，钢筋应力，钢管、蜗壳的钢板应力，混凝土温度、坝基温度、土石坝的孔隙水压力、土压力5)5)其它监测：近坝区岸坡稳定，局部结构的应力、应变，坝体地震反应，水力学监测其中变形和渗流观测是最重要的观测项目。观测物理量分为：荷载集（水压力、泥沙压力、温度、地震荷载）荷载效应集（变形、裂缝开度、应力、应变、扬压力或孔隙水压力、渗流量和水质）2.2.主要检查项目在施工期和运行期，除了仪器监测外，还要进行巡视检查。混凝土坝有以下检查项目：1)1)坝体：相邻坝段间的错动情况，伸缩缝开合及止水情况，坝面、廊道壁、宽缝内表面的裂缝及漏水情况，混凝土有无破损、溶蚀及侵蚀现象，排水孔工作状态，渗水量和水质有无显著变化等。2)2)坝基和坝肩：基础岩体有无挤压、错动、松动、鼓出，坝体与基岩结合处有无错动、开裂漏水，坝肩有无裂缝、滑坡、溶蚀、绕渗，坝基排水设施工作是否正常，渗水水量及浑浊度有无显著变化等。3)3)引水和泄水建筑物：进水设施有无淤堵、损坏，泄水建筑物有无裂缝及损伤，消能设施有无磨损、冲蚀，下游河床及岸坡冲淤情况等。4)4)其它：近坝区岸坡地下水露头变化情况，岸坡裂缝变化情况，闸门及门槽、支座、止水情况，起闭设施能否应急启动工作，地区控制系统及备用电源能否正常工作等。土石坝主要检查项目：坝体有无裂缝、滑坡、塌陷、坍坑、表面冲蚀、坡脚凸起，背水坡及坝脚有无漏水、管涌、流土、沼泽化现象，泉眼、减压井、反滤排水沟的渗水有无异常变化，渗水是否浑浊或带色，块石护大坝安全监测第4页共25页坡有无松动、翻起、垫层流失，表面排水有无损坏或淤积，有无虫害（白蚁）、鼠兽（獾）活动痕迹等。3.3.监测和检查次数仪器监测的次数因项目和阶段而异。第一次蓄水前及第一次蓄水后头五年运行中，一般每旬一次至每月一次；第一次蓄水期一般每天一次至每旬一次；经过第一次蓄水且运行超过五年后，一般每月一次至每季度一次。各时期上下游水位及气温每日均需观测。内部观测的传感器在埋设后头一个月内要加密测次，间隔从4h，8h，24h到5d，以后逐渐转入正常频次。如遇地震、大洪水及其它异常情况，应适当增加测次。自动化监测测次可适当加密。经过长期运行后，可通过鉴定对测次作适当调整。巡视检查分为日常巡查、年度巡查及特殊巡查三类。日常巡查在施工期宜每周一次；水库第一次蓄水或提高水位期间每1～2d一次，正常运行期间每月不少于一次，汛期特别是高水位期应加密检查次数；年度巡查应每年2～3次，在汛前、汛后及高水位、低气温时进行；特殊巡查在发生有感地震或大洪水以及其它特殊情况下立即进行。4.4.对监测工作的要求：基本要求：全面、准确反映大坝工作性态，及时发现异常迹象，有效地监视大坝安全，为设计、施工和管理提供可靠资料。对监测工作各环节的要求：1)1)设计的仪器布置能全面反映大坝工作状况，目的明确、重点突出。监测重点放在坝体机构复杂、承载大或地质条件复杂的部位。2)2)仪器设备应精确可靠、稳定耐用、便于观测。自动化监测设备应有自检、自校功能，可长期稳定工作且具备人工观测条件。3)3)监测施工必须严按照设计要求精心进行，确保埋设、安装质量，做到竣工图、考证表及施工记录齐全。4)4)切实做好施工期及运行期观测数据的采集工作，严格遵守规程规范，做到记录真实、注记齐全、整理上报及时。5)5)定期对监测结果作分析研究，对大坝工作状态做出评估（正常、异常、险情）。大坝异常或险情时，应立即向主管部门报告并通告设计单位。四、大坝安全监测发展史第一阶段：早期阶段，从远古到19世纪末。筑坝材料是土石，对坝的监测、了解只是外表观察、感性认识。第二阶段：发展阶段，20世纪初到50年代末。坝工理论逐渐形成体系，混凝土坝大量建成，当地材料坝也有很大发展。为监测混凝土坝的扬压力安设了测压管；为测定水平位移和垂直位移出现了三角量测法、视准线法和精密水准法；以后又出现了观测大坝挠曲的垂线法和观测倾斜的静力水准法；1919年出现了弦式仪器；1932年发明了差动电阻式仪器。此后许多大坝埋设电测仪器，开展坝内温度、应变、应力、接缝张合和孔隙压力等项目。50年代，大坝观测体系已经齐全，光学、机械和电测方法得到普遍应用，各监测项目都有成型的观测仪器。取得了大量监测资料，对实测值和设计值以及实测值与模型试验之间作了比较。一些设计计算方法如拱坝试载法、重力坝坝基扬压力计算方法被观测资料验证而得到肯定和推广。第三阶段：成熟阶段，60年代以来。新建高坝、大库迅速增加，地形、地质条件复杂，新结构和新施工方法出现，坝工建设对监测提出了更高要求。同时马尔巴塞、瓦依昂等坝的失事引起了公大坝安全监测第5页共25页众和政府对大坝安全的深切关注。监测对象从坝体和坝基浅部扩展到坝基深处及近坝区更大范围。对坝基、坝肩及岸坡的观测给予了更多重视，出现了观测深部岩体的多点位移计、滑动测斜计等新仪器。观测技术向更高水平发展，自动化和半自动化仪器逐渐代替了手工观测仪器。从单点就地监测发展为遥测、自动成批观测，建立了自动化监测系统。在监测资料分析上普遍应用了数学模型技术，正分析和反分析方法有不少进展，监控指标的建立被深入研究，建立了监测数据库或监测信息系统，基于监测资料的大坝实际性态研究取得丰富成果，有些坝实现了远距