2第二章 大坝及工程监测设计与监测布置

第二章大坝及工程监测设计与监测布置2.1监测目的从总体上来看，大坝监测的目的可以分成两个大的方面，一个方面是为了验证设计、指导施工、为科研提供必要的资料；另一个方面，也可以说是更重要的方面，就是为了长期监视大坝的安全运行。由此可知一个现代的大坝监测设计不仅要满足上述第一方面的要求，而且应充分考虑到为大坝的安全运行提供可靠的支持。因此一个成功的监测设计不仅应能充分领会坝工设计和施工中的关键问题，还要能尽量估计到大坝在今后的运行中可能出现的问题，选择适宜的监测方法，恰到好处地布置相应的监测设备，卓有成效地获得大坝及基础的运行性态的信息，以昀少的费用投入，获得昀大的实际效益。同时，监测设计还应兼顾到监测系统的灵活性和可扩充性，以备在运行期间根据需要可方便地加以改造和完善。这就要求设计人员应具备较广博的知识，既要精通坝工理论和设计工作，又要对监测仪器和设备的性能有充分的了解，特别是要及时掌握现代快速发展的自动化监测系统的硬软件设备的知识，并要求设计人员具备较丰富的安全管理的经验。大坝监测设计可分为两类：一类是新建坝的设计，它是同坝工设计同步进行的，它依据的主要是坝工设计的资料和已有工程的经验，设计的质量取决于设计人员的经验和水平；另一类是已建坝监测系统的更新改造设计。此时大坝已运行若干年，更新改造的目标是使监测系统能更有效地进行大坝安全监控和更适合于现代化的管理。此类设计主要是针对大坝运行期中出现的问题，结合现有监测资料的分析成果，在原有监测布置的基础上建立一套新的更有效的安全监控系统。由此可知，两类设计虽有相似之处，却有很大的区别，昀大的不同在于设计的依据和设计的内容。前者是一个全面的监测设计，依据的主要是设计计算资料；后者则是一个运行期的安全监测设计，它既不需考虑为设计、施工、科研提供资料，也无需考虑施工蓄水期的安全监测，它仅考虑大坝在运行期的安全需要，对原有的监测系统进行更新和改造。它的设计依据主要是大坝运行状况的资料，如坝体及基础的变形、沉陷趋势，渗流渗压的变异，裂缝、漏水、管涌的出现，库岸、边坡的稳定性问题等等。如果说前者因设计人员难以预估危害大坝安全的因素及作用部位而在监测布置中存在一定的盲目性的话，那么运行期的更新改造设计则是在出现苗头或已发生问题的情况下，有的放矢地进行针对性的监测布置，它是一种比较确定性的设计。应该说，大坝的安全监测系统通过更新改造可以做到更趋于完善、更符合实际，系统在安全监控中也将更为有效。大坝的安全监测有别于校验设计的监测，它着眼于监视在长期荷载作用下，坝体及基础结构性态的演变过程。从大坝失事的教训中可以看出，因基础恶化而导致失事的比率远大于因坝体破坏而造成的溃坝，特别是在现代科技高度发展的今天，因坝工设计失误或施工质量问题而造成坝体本身失事的可能性已大为减少，除了土石坝因漫顶而造成较多事故外，失事的起因更多地来自大坝的基础。坝基及坝区的地质构造通常都较复杂，要完全探测清楚并进行有效的工程处理是很难的，甚至是不可能的。众所周知，水库形成后，坝区岩体失去了原来天然河道的平衡状态，在水库高水头的长期作用下，岩体的结构必然会引起持续的恶化。这是一个不可逆转的进程，其发展的速率与坝区地质条件的好坏、工程处理的程度、荷载作用的大小等诸多因素有关。水库首次蓄水过程是大坝和基础第一次承受库水作用的过程，有些工程因基础未得到有效的处理，往往在第一次蓄水时就出现事故，昀典型的是法国的马尔巴塞拱坝，由于左岸坝基存在薄弱层面，在蓄水过程中即因高压水的作用引起该部分岩体滑动，以致左坝肩向下游位移2.1米而将坝体折断导致溃坝。美国提堂土坝也是由于坝基一处窄断层上的突发管涌而在几小时内溃决。由上述分析可知，导致大坝不安全的主因在基础，对于混凝土坝，变异的起因通常来源于基础的恶化，岩体的压缩、断层、节理、裂隙在高压水的长期作用下，充填物逐渐被软3化、离析，而形成通道。其明显的反映是渗透压力升高，渗流量增大。承受大坝作用荷载的岩体构造的逐渐破坏，必然导致大坝的位移性态变异，并进而引起坝体内部应力应变的异常。因此，渗流、渗压和变形不仅是三个较为直观的宏观特征量，也是监测大坝安全的昀重要的物理量。在大坝安全监测中，也许是因基础渗流、渗压监测量不便于直接估计大坝的安全状况，而坝体变形、应力则较易于分析并能同计算进行比较，因此国内对坝体变形、应力的重视程度远胜于对基础的监测。但是从监测大坝安全的角度考虑，加强基础的监测具有特殊的意义，它有可能及早揭示出大坝性态产生变异的起因，作到防患于未然。渗流渗压的监测设置较变形监测困难，除常规的扬压、漏水量监测布置外，还需根据坝区地质构造的特点，分析各种构造对大坝安全的潜在危险，选择昀有效的监测部位和合适的监测设备。例如在深层可能成为滑裂面的软弱夹层设置渗压计，以监测该处渗透压力的变化；对可能产生滑动的岩层设置基岩变位计等等。国内一些工程曾采用坝基排水孔兼作扬压力监测孔，这是很不合适的。其一是阻碍了排水孔的正常排水作用；更重要的是排水孔所测的“扬压力”已不是坝与基础结合部的扬压力，而是包含了坝与基础结合部至深入坝基十多米这一段岩体的平均渗透压力，它同坝基扬压力的概念已完全不同。坝与基础的结合部是坝工结构的一个薄弱环节，也是对大坝性态反应敏感的区域，应作为安全监测的重点部位。例如重力坝、拱坝的上游坝踵，可以设置变形和应变监测。至于坝体断面的应力状态监测，只有在应力的数量级较高时可作适当布置，对于像重力坝这样的低应力状态的坝型，无论是从校验设计，抑或是监控大坝的安全，都不宜予以考虑。为确保对大坝安全的有效监视，重要的监测设备应考虑备份，特别是那些属于一次性安装且无法更换的仪器设备，如埋在混凝上内的应变计、温度计等。库岸和高边坡是一类特殊的监测对象，库岸和高边坡的稳定问题直接或间接地关系到大坝的安全。因此近年受到相当的关注。近坝区库岸的滑坡不仅可能淤塞坝工建筑物，其涌浪还可能危及大坝和下游人民生命财产的安全。意大利的瓦依昂高拱坝的库岸滑坡产生的水库涌浪越过坝顶造成了下游居民的伤亡，滑坡体淤塞了水库，导致大坝废弃。高边坡通常是因枢纽建筑布置的需要而形成，高边坡的稳定问题将直接影响到坝工建筑物和运行人员的安全，特别是一些大型、特大型工程，其开挖形成的边坡有时高达百米以上，对其稳定性的监视尤其值得重视。清江隔河岩工程厂房的高边坡问题即是典型的一例。其厂房后边坡高达220多米，且其岩层上硬下软，层间还有剪切破碎泥化带，该边坡的稳定与否关系到电站厂房的安危。因此设计布置了几个监测边坡水平和垂直位移的断面，设置了相当数量的变形监测仪器。库岸和高边坡需监测的地域通常较宽广，且均地处野外，因此仅靠传统的监测手段是不够的。近年一些工程除了利用常规的监测方法和监测设备外，还借助现代先进的科技成果，采用卫星通讯技术、卫星定位系统（GPS）等来实施大范围的监测控制，是大坝监测领域的一个可喜的进展。2.2变形监测无论是混凝土坝还是土石坝，大坝变形都是规范要求必须监测的项目。《混凝土大坝安全监测技术规范》（SDJ336-89）中第1.0.8条关于仪器监测的一般性项目中将变形列为各级大坝首要项目。除四级大坝变形仅需观测坝体位移外，一、二、三级大坝的监测范围还包括坝基、坝肩，以及对大坝安全有重大影响的近坝区岸坡和其他与大坝安全有直接关系的建筑物和设施。二级大坝变形监测的内容包括位移和挠度，一级大坝的内容中还增加了倾斜一项。《土石坝安全监测技术规范》（SL-60-94）附录A总则中一、二、三级大坝的表面变形均为必测项目，一级大坝的变形监测内容还增加了内部变形、裂缝和接缝、岸坡位移及混凝4土面板变形，二级大坝则参照上述要求根据需要选设。2.2.1变形监测的精度要求1989年颁布的《混凝土大坝安全监测技术规范》中，对变形观测精度作了一些规定。例如，重力坝、支墩坝的坝体水平位移精度为±1毫米，坝基为±0.3毫米。所有砼坝的坝体及坝基的垂直位移的精度要求为±1毫米，坝基倾斜的精度要求为±1秒等。上述要求无疑很有必要，使观测设计有了定量的客观依据。然而作为一个完善的监测设施，不仅应能及时发现坝体及基础结构性态的突变，也应能及时发现和辨认结构性态中细微的不利于安全的征兆，它们有时是一种历时颇长的趋势性变化。如拱坝失稳前轻微的上抬，支墩坝的侧移以及基岩和坝体因裂缝扩展库水渗透而致的温降等。从保证工程安全出发，确定足够的观测精度以便从实测数据中获得有效的信息是必要的。从一些工程的观测效果及其资料分析情况来看，规范规定某些项目的精度一般只符合安全监测的昀低要求值。这种精度只可以发现较大的突变和较清晰的温度变形的规律性，尚不足以精确研究水压变形的规律性及由此反馈材料的物理力学参数，也不足以及早发现和辨别可能影响安全的不利趋势。为此在作观测设计时尚应根据各坝的特点和重要性作具体分析，对某些项目的精度提出更高的要求。一项设施的精度越高，资料显示出的大坝工作性态变化的规律性就越明显。人们对规律性认识得越透彻，就能更有把握更早地发现异常，及时采取防范措施。2.2.2三角网大地测量六、七十年代盛行于已建工程的传统三角网测量方法的应用范围已经缩小，目前大都应用于施工期。由于其精度低、施测周期长，受环境因素的影响大，不宜应用于日常较为频繁的位移监测，其精度也难以满足混凝土坝微小变形的要求，不易及时发现异常。但它能够监测到大范围的区域变形，是其不可代替的优点。目前它多应用于基点校核和土石坝观测。大地测量的技术也在不断改进，GPS卫星定位技术如何应用于坝体变形测量正在研究中。它具有操作简便，观测时间短，能全天侯作业等优点，文献报道，水平位移观测精度不大于±2毫米，高程观测精度可不大于±10毫米。高精度的激光测距仪如ME5000已在国内广泛应用，其精度可达到0.2mm+0.2PPm。用于量测拱坝二岸坝肩间弦长的变化十分适宜。2.2.3水准测量目前大坝垂直位移即沉陷的观测仍普遍采用精密水准测量方法，大都按一、二等水准测量，水准基点的校准多按一等水准测量的要求进行。关于垂直位移的观测精度，在混凝土坝监测规范中不分坝体和基础，一概规定为±1mm。这种不论坝的高低、何种类型，均作统一要求不免过于一般化。采用精密水准测量只要认真观测，严格执行有关操作规程，能够得到较好的成果。水准测量经常存在的问题有：①为避免库区蓄水的影响，水准基点需远离坝区。因此需定期由基点经过水准传递校测坝区工作基点的稳定性。各地经验证明，水准标点常遭破坏，导致有些工程蓄水不久对工作基点的校测便告中断。②坝基沉陷在大坝施工期就已开始，从开挖初期岩面微弹以及随着大坝不断加高而下沉。坝基的垂直位移观测在开挖时就应进行，以便取得初始值，不能待大坝竣工以后才开始。因此要想取得基础沉陷的全过程必须有设计、施工、运行三方面给予重视密切协作才能获得。③一些工程未能将高程传入廊道，因此廊道内沉陷测值仅为底板的相对升降而不是蓄水后的绝对值。廊道内斜坡段坡度大，水准传递困难，这一点在设计时就要考虑到。究竟从5下游横向交通廊道传入或从竖井用铟钢带尺或变位计垂直传递，应根据具体情况选定。④用于基础倾斜观测效果不佳。一些工程在横向廊道内上下游设置标点，由高差推出倾斜值。此法由于观测精度所限，不易取得理想效果。一条50米长的水准线，上下游端点高差测量的精度需高于0.25毫米，方能符合基础倾斜观测精度±1秒的要求。2.2.4视准线视准线是以前用于观测大坝水平位移昀常用的设施之一，特别是在各类直线型坝。对拱坝亦有设置多条视准线以观测各处位移者。从观测成果看它的优点是设备费用低，能够实现持续观测保证资料的连续性。其缺点是精度偏低，不易及时发现大坝的异常，无论以现行规范或用较高标准来衡量均不易满足实用的要求。2.2.5引张线引张线监测方法始用于原苏联，是国内七十年代以来逐步兴起的一种观测水平位移的新设施，其使用效果远优于视准线，精度可以满足规范要求。国内老坝设施更新改造中已大量采用。2.2.6激光准直大气激光准直和真空激光准直在国内与引张线法同时起步研制。该法的特点是能同时测量水平位移与垂直位移，并能实现遥测和自动化。大气激光准直大气