大坝安全监测的设计

大坝安全监测的设计水利部南京水利水文自动化研究所2目录1安全监测的重要性及失事举例2安全监测的设计2.1混凝土坝的监测设计2.1.1变形监测2.1.2渗流监测2.1.3内部监测2.2土石坝的监测设计2.2.1渗流监测2.2.2变形监测3观测仪器3.1垂线坐标仪、引张线仪3.2差阻式仪器4自动化系统的设计11安全监测的重要性及失事举例大坝建造在地质构造复杂、岩土特性不均匀的地基上，在各种荷载的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常，又不被及时发现，任其发展，其后果不堪设想。国内外大坝失事的实例不少。1975年8月暴雨洪水导致板桥水库和石漫滩水库失事，造成大面积水灾和人员伤亡，京广线也被局部冲毁，损失巨大。1993年8月27日沟后水库失事，造成水库下游13km处的恰卜恰镇500人伤亡，直接经济损失1.53亿元。如果事先运用有效的观测手段对这些工程进行监测，就能及时发现问题，采取有效的工程措施，就能避免灾难。1962年安徽梅山连拱坝右岸基岩发现大量漏水，右岸13#垛垂线坐标仪，观测三天内向左岸倾斜57.2mm，向下游位移了9.4mm，且右岸各垛陆续发现大裂缝，经过分析是右岸基岩发生错动。在垂线坐标仪监测下放空水库进行加固处理，避免了一场溃坝事故。1985年6月12日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2000万m3堆积体连带新滩古镇一起滑入江中。可是险区居民全部提前安全撤出，无一伤亡，这全靠安全监测所作出的准确预报。大坝失事的原因是多方面的，从世界上300多座大坝失事的原因分析，认为35%是泄洪能力不足，在勘测、设计中洪水计算和防洪能力方面存在问题，大部分失事是洪水以外的工程原因，有一个量变到质变的过程，可以用监测方法及早发现的。为了保证大坝、下游人民生命财产的安全及社会的安定，我们国家对水库大坝的安全制定了相应的法律法规及规范，来加强水库大坝运行期的安全管理。土石坝安全监测技术规范（SL60-94）混凝土坝安全监测技术规范(SDJ336-89)，能源部,水利部,1989年混凝土坝安全监测技术规范(DL/T5178-2003)，国家经济贸易位员会水库大坝安全管理条例，国务院，1991年水电站大坝安全管理办法，电力工业部，1997年水电站大坝安全监测工作管理规定，电力工业部，1997年大坝安全监测自动化系统设备基本技术条件（SL268-2001），水利2部，2001年2大坝安全监测的设计岩土工程的安全监测设计应该看成整个工程设计的一个重要组成部分，根据建筑物的等级确定监测项目，监测设计必须与所有其他工程设计一样统一安排。监测设计贯穿于工程设计、施工以及整个工程寿命期内，合理的监测设计可以获得作为工程安全状况的正确评估，还可以改进大坝的设计、指导大坝的施工，使未来的设计、施工和运行更合理、更安全。大坝安全监测工作一般分以下几个阶段：可行性研究阶段。应提出监测系统的总体设计方案、观测项目及其所需要的仪器设备的数量和投资估算（一般约占主体建筑物总投资的1~3%）。初步设计阶段。应优化监测系统的总体设计方案、测点布置、观测设备及仪器的数量和投资概算。招投标设计阶段。应提出观测仪器设备的清单、各主要观测项目及测次；各观测设施安装技术要求和投资预算。施工阶段。应根据监测系统设计和技术要求，提出施工详图。承包商应编制施工规程，做好仪器设备的安装、埋设、调试和保护、电缆走线、施工期观测及施工期观测资料分析，及时指导大坝施工，并应保证观测设施的完好率及观测数据连续、准确、完整。工程竣工时，应将观测设施和竣工图、埋设记录、施工期观测记录、以及整理分析等全部资料汇编成正式文件，移交管理单位。正常运行阶段。应根据正常运行阶段的监测设计，进行正常的合特殊巡视检查与观测。对监测系统的设施进行检查、维护、校验、更新、完善，定期委托科研院所等专业机构对监测资料进行整编、分析、作出工程性态评价，提出监测报告和安全预报意见。2.1混凝土坝的监测设计在混凝土大坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003）中按照大坝的3级别对各个监测项目的设定有明确的规定(见附表1)，对新建大坝各个观测项目规定了观测周期。各个监测项目应该相互协调和同步，变形监测、渗流渗压监测和应力应变温度等监测仪器仪器宜在同一重要观测坝段上布置，以便相互校核和补充。观测断面的选择和观测仪器的布置应该根据工程规模、建筑物等级、结构特点及监测目的确定。仪器布置应该选择有代表性的坝段进行，所谓有代表性的坝段，一般指最大坝高坝段或观测成果易于与设计比较的坝段。当地基存在地质问题时，如软弱夹层、泥化夹层，监测重点应是基础和与基础结合的混凝土坝内的坝踵、坝址部位。重力坝可以选取溢流坝段或非溢流坝段作为重点观测坝段，对地质复杂的工程可增设一个坝段，作为次要观测坝段,其他作为一般观测坝段；拱坝拟选择拱冠梁和拱座作为重点观测坝段，对于高拱坝还可以在1/4拱、3/4拱处各选择一个坝段作为次要观测坝段；对于支墩坝一般选择一个坝高较大的支墩作为重点观测坝段，对于重要和基础地质情况复杂的工程，可以增设观测坝段，并作为次要观测坝段，其他作为一般观测坝段。2.1.1变形监测混凝土坝的变形监测项目主要有坝体变形、接缝、裂缝，以及坝基变形、滑坡体和高边坡的位移等。在混凝土大坝安全监测技术规范中规定了各个监测量的精度要求和符号约定，各个项目测量时应该尽量同步。2.1.1.1变形监测的精度和符号变形监测的精度一般按照表1要求。变形量的正负号遵守如下规定1水平位移：向下游为正，向左岸为正，反之为负。2垂直位移：下沉为正，上升为负。3倾斜：向下游转动为正，向左岸转动为正，反之为负。4接缝和裂缝开合度：张开为正，闭合为负。5高边坡和滑坡体位移：向下滑为正，向左为正，反之为负。4表1变形监测的精度项目位移量中误差限值水平位移(mm)坝顶重力坝支墩坝±1.0拱坝径向±2.0切向±1.0坝基重力坝支墩坝±0.3拱坝径向±0.3切向±0.3坝体垂直位移(mm)坝顶±1.0坝基±0.3倾斜(″)坝体±5.0坝基±1.0坝体表面接缝和裂缝(mm)±0.2近坝区岩体和高边坡(mm)水平位移±2.0垂直位移±2.0滑坡体(mm)水平位移±3.0（岩质边坡）±5.0(土质边坡)垂直位移±3.0裂缝±1.02.1.1.2水平变形监测的设计1水平位移变形监测方式选择和测点的布置顺水流方向和垂直坝轴线方向的水平位移，可以用垂线―引张线或视准线方式观测。垂线直线―引张线方式配置适当的自动化测量仪器就可实现自动化测量，并且可以和人工观测并存。视准线方式一般用于人工观测。直形重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线―引张线方式观测，引张线可以分段布置，分段中间要设垂线。如果坝体较短，条件有利，坝体水平位移可采用视准线法观测。拱坝坝体和坝基水平位移宜采用导线法观测，如果条件允许，也可以用垂线方式测量水平位移。拱坝和高重力坝近坝区岩体水平位移，应布设边角网，监测岩体的变形。水工建筑物位移标点的布置，应该根据建筑物的重要性、规模、5施工、地质情况以及采用的观测方法而定，以能全面掌握建筑物及基础的变形状态为原则。通常垂直位移与水平位移标点设在同一观测墩上。垂线测点的设置，首先应该选择地质或结构复杂的坝段，其次是最高坝段和其他有代表性坝段。拱坝的拱冠和拱座应设置垂线，较长的拱坝还应在1/4拱和3/4拱处设置垂线，各高程廊道与垂线相交处应设置垂线观测点。水平位移测点，应尽量在坝顶和基础廊道设置。高坝还应该在中间高程廊道设置测点，每个坝段宜设置一个测点。2工程实例拱冠垂线布置图垂线945.00IP1960.00导流底孔IP2IP4IP3987.00(正常蓄水位)972.00坝顶观测室991.10约15m倒垂线钢丝挂重卡箍正垂线钢丝Φ250mm钢管垂线保护钢管垂线坐标仪至少30cm坝基坝体泄水冲砂闸室1137.5(正常蓄水位)1140防浪墙拱冠垂线布置图坝轴线6倒垂线坝顶引张线引张线仪大坝下游立视图73垂线的设计垂线测量的是坝体顺水流方向及垂直水流方向的坝体水平位移，有正垂线、倒垂线之分。正垂线就是在建筑物顶上悬挂钢丝，在基础廊道内设挂重及垂线测点，利用倒垂线可以测量坝顶到基础廊道的相对位移，设备简单，安装方便。倒垂线是指从坝顶或坝体基础廊道钻孔到坝基相对不动点，将钢丝锚固在孔底，在坝顶或基础廊道设浮桶及垂线测点，利用正垂线可以测量坝顶或基础廊道的绝对位移。垂线的中部坝体廊道内也可以设垂线测点。垂线长度不宜大于50米，否则垂线容易受空气对流而震动，不易回到平衡位置，造成测量误差。正倒垂结合时宜在同一个观测墩上衔接，否则正倒垂之间的坝体变形应设因瓦尺或量具仪观测。正垂线设计正垂线重锤应设止动片，阻尼箱内应装防锈、粘性小的抗冻液体，其内径和高度应该比重锤直径和高度大10~20cm。重锤重量一般按下式确定：W20(1+0.02L)，式中：W--重锤重量，kg；L—垂线长度，m。垂线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍，宜适用Φ1.0mm~1.2mm的钢丝，一般垂线钢丝直径不宜大于Φ1.6mm。垂线安装完成有效孔径应不小于85mm。观测站宜用钢筋混凝土观测墩，观测站宜设防风保护箱或修建安全保护观测室。倒垂线设计倒垂线钻孔深入基岩深度应该按照坝工设计计算结果，达到变形可以或略处，缺少该项计算结果时，可取坝高的1/4~1/2，钻孔深度不小于10m。倒垂线孔内宜埋设壁厚5~7mm无缝钢管作为保护管，内径不宜小于100mm，垂线安装完成有效孔径应不小于85mm。垂线浮体组宜采用恒定浮力式，浮子的浮力一般按下式确定：倒垂线正垂线图1典型正、倒垂线布置垂线测点8P250(1+0.01L)式中：P—浮子浮力，N；L—测线长度,M。垂线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的3倍，宜适用Φ1.0mm~1.2mm的钢丝，一般垂线钢丝直径不宜大于Φ1.6mm。4引张线的设计引张线的设备包括端点装置、测点装置、测线及其保护管。端点装置可采用一端固定、一端加力的办法，也可以采用两端加力的方法。测线愈长引张线所需要的拉力愈大。长度为200~600m的引张线，一般采用40~80kg的重锤张拉。重锤重量按下式计算H=S2W/(8Y)式中：S—引张线长度，m；W—引张线钢丝单位重量，kg/m；H—水平拉力（重锤重量），kg；Y—引张线悬链线直径，mm。引张线钢丝宜采用强度不锈钢丝，直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍，宜适用Φ0.8mm~1.2mm的钢丝。引张线保护管一般用Φ110～160mm的PVC管。5视准线的设计视准线应离障碍物1m以上。工作基点应采用钢筋混凝土墩，测点设观测墩，墩上埋设强制对中底盘要求水平，配活动占标，高于地面1.2m。为了保证观测精度，视准线的长度不能过长，一般按如下控制：重力坝和支墩坝300m拱坝300m滑坡体800m2.1.1.3竖直变形监测竖直变形是指坝体铅直方向的变形，即坝体沉降。沉降测点可以和水平位移测点结合布置，可与视准线的水平位移测点布置在同一个测点墩上。坝体廊道和坝面的沉降变形可以使用精密水准测量，如需要实现自动化测量，可以采用利用连通管原理设计的静力水准仪系统。930滑轮2及支架120垂线测点306Φ6@20引张线活动端钢架重锤φ15.640kg2031引张线线体滑轮1120726.2坝体4Φ12引张线测点墩见图二-自-009现场配打膨胀螺栓固定726.2引张线726.09622305Φ6@207254Φ12垂线测点引张线保护管支架，每2米设一个引张线测点引张线活动端引张线固定端引张线示意图10引张线固定端引张线固定端引张线体遥测引张线仪人工比测装置引张线浮托装置测点保护装置(图三)引张线系统框图11初始水位本次水位23坝段22坝段21坝段20坝段24坝段25坝段26坝段27坝段本次位置原始位置静力水准原理12100予埋水准标心201005010020开挖线8125010020回填土最深冻土线施工完成后回填土20490.1m沉降测点墩结构强制归心底盘水准标观测墩顶面