水利工程安全及其变形监测技术探析

1、水利工程安全及其变形监测技术探析摘？要由于水压引起的水坝变形，对水库的安全构成了严 重威胁。因此必须对水坝变形进行连续而精密的观测。本文 作者结合自身多年的水利工作经验，探讨了水利工程安全措 施，介绍了世界先进的监测技术，以供同行交流。关键词水利工程；工程安全；变形监测中图分类号tp39文献标识码a文章编号 1673-9671- (2012) 112-0112-02水利工程变形监测是水工建设中不可缺少的一个组成 部分，无论是在水利枢纽工程的勘测设计阶段，还是在施工 建造阶段，以及其后的运营管理阶段中，都要进行相应内容 的测量工作。在水利枢纽中，大坝是最重要的建筑物，因此 要定期或不定期地对其进

2、行变形观测，以监视安全并且为科 研之需。我们常把用工程测量的方法观测水工建筑物几何形 状的空间变化称为外部变形观测。包括水平位移观测、垂直 位移观测、挠度观测和倾斜观测等。其观测范围不仅包括建 筑物的基础、建筑物本身，还包括建筑物附近受水压力影响 的部分地区。在这一时期，测量工作的特点是精度要求高、 重复性大、仪器设备多。1水工建筑物的安全监测对水工建筑物而言，对其采取安全变形监测工作尤显重 要，因为溃坝灾害一般在10 min20 min内造成，洪水巨 浪所到之处，摧毁力极强，国内外无数实例令人触目心惊。 另外，由于设置了监测系统，通过长期观测和资料分析，及 时对工程进行加固，把事故消灭在萌芽

3、之中，这种化险为夷 的事例也很多。安全监测不仅确保水工建筑物安全施工和正常运营，也 是对施工质量的评定。例如，葛洲坝电厂是建在产状平缓、 多软弱夹层的地基上，因此担心开挖后会破坏基岩稳定，于 是安装了大量基岩应变计。在施工期间及1981年大江截流 和百年一遇的洪水期间的观测表明，基岩处理后，变形量 在允许范围内，大坝是安全稳定的。此外，安全监测结果也 是对设计数据的验证，为改进设计和科学研究提供资料。1. 1水工建筑物安全监测的内容与精度要求不同结构的水工建筑物，其观测内容也不相同。以大坝 为例，一般包括现场检查，外部观测和内部观测。现场检查 是指对坝的上、下游面、廊道、空腔、坝肩等外露部分是

4、否 存在裂缝、渗水、冲蚀、磨损、松软老化等进行检查。还应 检查排水、止水设备是否畅通或止水。外部观测包括坝的水 平位移、沉降、倾斜、挠度观测以及纵、横缝和裂缝观测， 还要进行基岩变形和岸坡稳定（滑坡）观测。内部观测包括 坝内的应力、应变观测、渗流观测、水力观测、水文和泥沙 观测等。尽管观测项目因对象而异，但共同且必需的项目为水平 位移、沉降和水位观测。对于混凝土坝还应观测伸缩缝和混 凝土温度。安全监测的精度要求取决于观测的目的和建筑物 本身允许变形值的大小。1.2大坝变形监测系统布设就混凝土大坝而言，首先应在坝轴线上、下游靠岸的适 当地点布设变形监测控制点，目前仍以大地测量方法为主， 且多采用

5、边角网。边角网应在坝轴线的两端附近设点，以监 测大坝与岸坡连接部分的变形。对库区滑坡，也应建立边角 网。由于现代测绘仪器的测角、测距精度较高，近年来国内 外已开始用gps控制网来代替边角网，如我国清江隔河岩水 电站，共安装7台双频gps接收机，可连续地、全天候地实 时监测大坝的变形，其精度达亚毫米级，这在国际上也是先 进的。下面结合某重力拱坝的变形监测系统布置作进一步说 明。该重力拱坝的坝高245m,坝顶长1066m,坝顶宽25m, 底宽102m,共分60个坝段，其纵剖面图如图1所示。设计 书提出的精度要求为：大坝和基础水平位移的中误差1 mm, 坝顶拱冠处水平位移中误差3mm,大坝和基础的垂

6、直位移中 误差lnrni。监测系统包括：边角监测网。用于检核导线端点 和垂线的稳定性。2）用精密直伸导线（弦矢导线）测定坝 体水平位移。该导线布置在高程为40 m、109 m和163 m的 廊道和平洞中，平洞深度为70 m100 m,平洞末端的导线 端点为位置相对稳定的起始点。在190 m高程廊道的7个断 面上，悬挂正锤线，正锤线的读数站位于高程为40m、109m、 163 m的导线附近，以便互相校核位移值。在18、33、45坝 段各埋设一个倒锤组，用以确定基础的位移并与正锤线衔 接。所谓倒锤就是用锚块固定在基础稳定的基岩上的锤线装 置，锤线由安装在坝顶浮箱的重锤拉紧，每个倒锤组有4个 不同深

7、度的锚块，坝体读数站相对于倒锤线的移动，表明坝 体的位移。垂直位移观测系统由水准基点和工作基点组成的精密 水准网进行监测。大坝垂直位移分别在40 m109 m、163 m 高程廊道和平洞中进行观测。为了确定大坝和基础的倾斜变 形，又分别在18、25、33、39和45坝段且高程为5 m的灌 浆廊道和40 m的横向廊道中进行观测。用静力水准系统观 测廊道和平洞的垂直位移，该系统包括直径为150 mm的管 子和连接软管，在每一坝段的两接缝处各设置一个垂直位移 观测点。对于直线重力坝，一般是用基准线（视准线、引张 线、激光准直）加正、倒锤组成基准线和垂线系统，用基准 线观测坝体水平位移，以垂线检查基准

8、线端点的位移。2大坝岸坡自动化监测系统为了有效地提高水工建筑物变形监测精度，应当充分应 用现代先进的监测设备。其中瑞士 leica仪器公司研制的由计算机控制、马达驱动的电子经纬仪tm300,可自动跟踪目 标。该仪器装上ccd摄像机就构成tm300 v,利用图像处理 软件和程序指令，仪器自动扫描待测对象上的所有目标，测 出目标点的三维坐标。在tm300 v中若安装测距仪，则为 tm300v/d,这类仪器又称测量机器人。若与软件相结合，则 组成自动化监测系统apsv/do该系统在意大利北部某河段一 座双曲拱重力坝的应用情况。该坝建成于20世纪50年代。 大坝高132m,坝顶弧长为408 m,设计容

9、量7200万m3。1964 年水库首次蓄满水，左岸多处渗漏，从而引起地表沉降。经 地质调查研究表明：河右岸的岩基是稳定的，而左岸受太阳 曝晒影响，使地面雨水和库水渗漏。当时监测近坝区的地表 形变主要采用常规的地面控制测量方法，包括布设边角网、 水准网以及5个倒锤装置。为对大坝左岸变形进行自动化监 测，在近坝区右岸，安装了一套apsv/d系统，在坝左岸不 稳定区域埋设了 16个反射棱镜，测站到目标的距离为170 1500m。每个反射器固定在混凝土墩上，其中两个埋设在坝 左、坝右较为平坦的河谷上作为参考点。测站上包括一台带 ccd摄像机的测量机器人，一台微处理机及相应的aps软件, 还包括供电设备

10、、稳压设备和数据转换器。仪器安置在观测 墩上，观测墩设置在装有特殊透光玻璃窗的观测房内。整个 测量过程由aps软件控制。tm300v/d由伺服马达驱动，能按 设置的测量程序对每个目标点进行自动照准，自动获取水平方向、天顶距和距离值。在良好的大气条件下，测角精度可 达0.6",测距精度为lmm+lppnix d kmo系统可通过设置 在护罩外的传感器自动读取温度、气压并进行气象改正。apsv/d系统测量一个目标点，从寻标、照准到读数约需20s,可做重复测量。通过取平均值提高精度和减小大气因素的影响，也可按设定的时间间隔进行周期观测，如每天观 测数个周期。测量工程师仅需每两周去现场一次，对测量成 果进行简单的检查分析，然后将数据传送到远离电站的公司 总部。在那里结合其他观测资料如库水位、含水量等对测量 机器人观测数据做进一步处理和分析评价。3结束语随着科学技术、电子技术的飞速发展，新的监测技术也不断引入到水利水电工程的变形监测中，新技术的应用必然 带来监测技术、数据处理等一系列的技术问题需要解决。利 用gps （全球定位系统）信号对大坝变形等进行监测可以获 得非常精确的结果。各项目单位应认真落实掌握