大坝变形观测在大坝建设、管理运行中的作用

大坝变形观测在大坝建设、管理运行中的作用36 肖桥 国际软件学院一、大坝变形的原因一般来讲，大坝变形主要是由两方面的原因引起的，一是自然条件及其变化，即建筑物地基的工程地质、水文地质、土壤的物理性质、大气温度等。例如基础的地质条件不同，有的稳定，有的不稳定，会引起建筑物的不均匀沉陷，使其发生倾斜；建筑在土基上的建筑物，由于土基的塑性变形而引起沉陷；由于温度与地下水位的季节性和周期性的变化，而引起建筑物的规律变化。另一种是与建筑物本身相联系的原因，即建筑物本身的荷重、建筑物的结构、形式及动荷载（如风力、震动等）的作用。此外，由于勘测、设计、施工以及运营管理工作做得不合理，还会引起建筑物产生额外的变形。这些变形的原因是互相联系的。随着水工建筑物的兴建，改变了地面原有的状态，对于建筑物的地基施加了一定的外力，这就必然会引起地基及其周围地层的变形。而建筑物本身及其基础，也由于地基的变形及其外部荷载与内部应力的作用而产生变形。 水工建筑物的变形按其类型来区分，可以分为静态变形和动态变形。静态变形通常是指变形观测的结果只表示在某一期间内的变形值，也就是说，它只是时间的函数；动态变形是指在外力影响下而产生的变形，故它是以外力为函数来表示的动态系统对于时间的变化，其观测结果是表示建筑物在某个时刻的瞬时变形。 变形观测的任务是周期性地对观测点进行重复观测，求得其在两个观测周期间的变化量。而为了求得瞬时变形，则应采用各种自动记录仪器记录其瞬时位置。二、大坝变形观测的重要性随着我国水利水电建设事业的发展，筑坝数量已跃居世界之首，筑坝技术也日趋成熟。到目前为止，筑坝总数约86000余座，其中15m以上的高坝约有18000多座，10om以上的有20多座，水电站装机容量在1.2万kw以上的大坝有136座。已建成的150m高的高坝中有龙羊峡、乌江渡、东江、白山和刘家峡等大坝，还有一批高坝如二滩、紧水滩、安康、东风、天生桥等正在建造中。随着时间的推移，大坝的老化是不可避免的，且我国有不少大坝，限于建坝时的经验与运行中的管理，以及设计或地质结构处理等问题，还存在着某些缺陷或隐患，如拓林、陈村、天桥、丰满、梅山等大坝都有这类情况。这种老化或者变形在一定限度之内，应认为是正常的现象，但如果超过了规定的限度，就会影响大坝的正常使用，严重时还会危及大坝的安全。因此，在大坝的施工和运营期间，必须对它们进行监视观测。新中国建立后，政府和有关部门十分重视大坝安全管理工作。水电部门在50年代开始就制订了各项设计规程或规范，以后又组织过多次修改补充。1985年底成立了全国性的“水电站大坝安全监察中心”，并开始建立各地区、各省的大坝安全监察机构，逐步培训监察人员，完善监察组织。对水电部主管的136座大中型水电站的大坝进行了书面普查，对全国32座重要的水电站进行了实地考察。1987年9月，水电部颁发了水电站大坝安全管理暂行办法，作为全国开展和加强水电站大坝安全管理工作的基本规定，在此基础上，还制定了水电站大坝安全检查施行细则和混凝土大坝安全监测技术规范等。我国在大坝安全监测技术的研究、学术交流和人材培养方面都取得了可喜的进展，在大坝安全管理方面也积累了不少经验。三、大坝变形观测在大坝建设、管理运行中的作用预防事故或使事故缩小到最低限度是水利枢纽进行变形观测和研究的最主要任务之一。国际大坝委员会认为，研究水工建筑物，其中包括大坝的位移，仍是目前能说明大坝实际状况的唯一精确和可靠方法。而确定这种状况的因素通常在设计过程中难以探明。国际大坝委员会在1974年出版的大坝事故中引出的教训一书中曾对大坝失事破坏的原因作过统计分析，提出滑动所引起的破坏只占破坏总数的15%，也就是说只有15%的情况可以用安全系数这个概念来估计，其余85%的破坏都是由常规的稳定分析以外的因素引起的，如设计、施工和运行等。这些因素很难由计算来确定， 如果不进行检查观测，不了解水工建筑物工作情况和状态变化，盲目地运行将是十分危险的，不少工程中，由于没有设置观测设备，缺少定期检查观测，未能及时发现异常预兆，以致造成了严重的事故。因此必须在大坝上安装必要的观测设备，借助这些设备进行观测，以保证大坝在施工和运行期间的安全。近年来，国内、外坝工建设者有关大坝安全监测所积累的成功事例足以说明这个问题，例如:松花江上的丰满大坝是日伪时期修建，工程质量低劣。解放初期坝的渗漏和变形都很大，根据对大坝原型观测的实测资料推算，在遭到百年一遇的洪水时，坝就有失去稳定的危险，因此进行了加固，使扬压力、渗流量和位移明显减少，有效地提高了坝的稳定性，保障了安全运行。梅山连拱坝高88m，于1962年11月发现右岸大面积漏水，在此之前，通过原型观测发现S1号垛锤线读数向下游增大19.6mm，向左增大14.smm，一天以后向左突然增至39.5mm，过了两天又增大到43.6mm，情况异常，当即放空水库，加固大坝，1965年再次蓄水至今，运行情况良好。瑞士的佐伊采尔拱坝，坝高156m，竣工后20年大坝及其基础突然开始变形。1976-1980年坝顶下沉10cm。两岸距离缩短了5cm，拱冠顶向下游移动9cm，高出计算值一倍多。泄放了90%的库水才发现坝体有裂缝，并查明了变形的原因靠坝(距离大坝1.5km，比坝底低320m处)开挖了一条隧洞，用以排泄地下水，而水坝正建在浸透地下水的岩体上，于是停止掘凿隧洞以后的测量表明变形有所衰减。苏联于1948年建成的什洛柯夫土石坝，坝高48m，至1971年坝顶下沉达74cm，水平位移达96cm。由于及时发现问题，采取了加固坝体的措施。施工期间进行变形观测能检验和评价建筑物的施工质量，有助于修正设计方案和检查核实工程施工方法。如在灌浆时经常观测到的标志的沉陷(隆起)有可能了解施工过程的状况。实测的变形数值可以验证设计方案的理论依据，核对计算公式和公正地评价设计质量。从分析事故的原因可知，在许多情况下并非由于大坝的强度不够而引起事故，而是岩基基础受到破坏所致。测量基础的沉陷和水平位移能够验证勘测时近似确定的基础弹性模量，从而可以更可靠地判定建筑物的稳定性和预报以后的变形。原型观测的一个重要任务就是研究大坝与基础相互作用的形式与范围，确定活动的变形地带以及向下游、两岸深处和基底以下延伸的范围。利用大地测量方法能够解决这类问题。一般山区建筑大坝是在复杂地质条件下进行，坝址处往往有构造裂缝，而在坝址附近则常有断层。研究岩石沿裂缝和断层的运动对于解决枢纽施工的可能性和坝型选择问题是重要的。因而，这些地区在施工以前，应在勘测工作中组织水平与垂直位移的观测，同时开始滑坡和潜在不稳定岩体的观测。通过这样的观测就可以对上述地区的地质状况做出估计，解决能否施工和有无必要采取边坡加固措施等问题。山区大型水库蓄水在许多情况下都会导致地震活动的增加，这种局部“大坝式”地震有可能造成严重的后果。例如，1967年印度的科英水利枢纽8-9级的地震引起坝面出现裂缝和破裂，使103m高的大坝遭到严重破坏，损失惨重。所有这些迫使人们开始对“大坝式”地震进行研究，以便掌握地震的时间与性质。可以断定，地震与库区地壳形变是有联系的，因而可以推导出最大垂直位移与地震级间的概略关系。以上，大坝变形观测除了主要预防事故或使事故缩小外，还有着以下作用：(1).为枢纽安全鉴定提供依据。(2).通过对监测资料的分析，可以与设计理论计算结果进行对比，以实际情况来检验设计理论的可靠性；以利于进行反馈设计和建立有效的变形预报模型。(3).通过对监测成果的整编与分析，可以对被监测的大坝建立位移变化的数字模型，对各种工况下的位移变化特点进行分析，找出影响枢纽安全的最不利工作条件，在运行过程中采取措施，尽量避免不利工作条件的产生。(4).科学、准确、及时地分析和预报工程及大坝的变形状况，为判断其安全提供必要的信息。(5).作为施工决策的依据。通过监测检查施工质量，掌握施工过程中坝与基础的实际性态，从而确定、调整设计或施工技术方案。(6).充分发挥工程效益。通过安全监测判