水工建筑物安全监测技术1

水工建筑筑物安全全监控理理论及其其应用－安全监监测技术术与方法法郑东健健zhengdj@一水工工建筑物物安全监监控的发发展和教教训1830～1838年，法国国，格罗罗斯博斯斯坝根据据观测指指导施工工1891年，德国国埃施巴巴赫混凝凝土重力力坝开始始变形观观测1903年，美国国对布恩恩顿重力力坝进行行温度观观测1908～1909，澳大利利亚在拱拱坝进行行变形观观测1919～1920，瑞士布布置了世世界上第第一座永永久观测测仪器的的拱坝20世纪50年代，中中国开始始研制大大应变计计（差阻阻式－卡卡尔逊仪仪器），，70年代，垂垂线、引引张线，，激光照照准现在：GPS、光纤、、激光三三维、声声发射1.工程安全全信息采采集系统统2.工程安全全信息分分析评价价系统变形监测测渗流监测测应力监测测水文及水水力学监监测地震监测测信息管理理系统分析评价价系统决策支持持系统专家系统统二安安全监测测系统组组成（一）信信息采集集系统1.确定性（（量化））信息（1）变形形监测水平位移移垂直位移移挠度度倾斜斜接缝及裂裂缝扬压力渗流压力力孔隙压力力绕坝渗流流地下水位位渗流量水质监测测（2）渗流监监测2.不确定性性（模糊糊）信息息原因量（（荷载、、环境））变形渗流应力水文及水水力学地震常规监测测爆破松动动塑性变形形锚杆灌浆浆饱合度度（砂浆粘粘结锚杆杆）岩土体及及材料物物理力学学特性岩体声发发射、电电阻率、、声速有害气体体和放射射性岩体松动动范围水文及水水力学监监测流速动水压力力空化掺气雾化冲刷调压井水水位专项监测测地震监测测位移速度加速度动空隙水水压力动应变、、应力动水压力力地壳变形形专项监测测（二）定定量信息息的监测测方法（1）变形监监测变形监测测是了解解大坝工工作状态态及安全全管理的的重要内内容。变变形监测测项目主主要包括括：水平平位移、、垂直位位移、挠挠度、倾倾斜、裂裂缝等。。环境量监监测：水水位、气气温、降降雨变形监测测内容位移－水水平、垂垂直、转转动、洞洞身收敛敛等沉陷－地地表、地地中、分分层、地地基等其他－隆隆起、挠挠度、缝缝位移、、自生体体积、膨膨胀等方法：（1）经纬仪仪、水准准仪、电电子测距距仪激光准直直仪。（2）埋设仪仪器一、监测测布置在最大坝坝高、原原河床处处、合龙龙段、地地形突变变处、地地质条件件复杂处处、坝内内埋管或或运行可可能发生生异常反反应处。横向、纵纵向、内内部。1土石坝(含堆石坝坝)2混凝土坝坝(含支墩坝坝、砌石石坝)3近坝区岩岩体及滑滑坡体(一)观测断面面水平位移移(二)观测点1．位移标标点2．工作基基点3．校核基基点图1-1二、监测测方法部位方法适用范围重力坝引张线视准线激光准直一般坝体、坝基均适用坝体较短时用包括大气和真空激光,坝体较长时可用真空激光拱坝视准线导线交会法重要测点用一般均适用,可用光电测距仪测导线边长交会边较短、交会角较好时用土石坝视准线大气激光卫星定位(GPS)测斜仪位移计交会法坝体较短时用有条件时用,可布设管道坝体较长时用测内部分层及界面位移用同拱坝近坝区岩体测斜仪交会法卫星定位多点位移计一般均适用同拱坝范围较大时用也可用于滑坡体及坝基高边坡、滑坡体视准线卫星定位直线测距边角网同轴电缆(TDR)一般均适用范围较大时用用光电测距仪或因钢线位移计、收敛计一般均适用,包括三角网、测边网及测边测角网可测定位移深度、速率及滑动面位置二、监测测方法（续）断层、夹层断层监测仪变位计测斜仪倒垂线可测断层水平及垂直三维位移可测层面水平及垂直位移一般均适用必要时用校核基点岩洞稳定点倒垂线边角网延长方向线伸缩仪也可精密量距或测角一般均适用有条件时用有条件时用用于基准点传递和水平位移观测二、监测测方法（（续））视准线法法水平位移移观测方方法前方交会会法引张线法法引张线测测点正垂线垂线法白山拱坝坝正垂线倒垂线垂直位移移一、监测测方法部位方法说明混凝土坝一等或二等精密水准三角高程激光准直坝体、坝基均适用可用于薄拱坝两端应设垂直位移工作基点土石坝二等或三等精密水准三角高程激光准直坝体、坝基均适用可配合光电测距仪使用或用全站仪两端应设垂直位移T作基点近坝区岩体一等或二等精密水准三角高程观测表面、山洞内及地基回弹位移观测表面位移高边坡及滑坡体二等精密水准三角高程卫星定位(即GPS法)观测表面及山洞内位移可配合光电测距仪使用或用全站仪范围大时用内部及深层沉降板沉降仪多点位移计变形计固定式，观测地基和分层位移活动式或固定式，可测分层位移固定式，可测各种方向及深层位移观测浅层位移高程传递垂线因钢带尺光电测距仪竖直传高仪一般均适用一般需利用竖井要用旋转镜和反射镜可实现自动化测量，但维护比较困难垂直位移移监测方方法(1)土基标：：由标志志和底盘盘组成，，在标柱柱的顶箍箍标志的的副点以以作校核核。底盘盘应埋设设于最大大冻土深深度以上上。(2)岩石标：：适用于于岩石覆覆盖层较较薄的地地表岩石石标，也也可用于于混凝土土表面。。1．水准基基点(一)精密水准准法(3)深埋钢管管标：如如岩石覆覆盖层较较厚，为为了使水水准基点点埋设于于新鲜岩岩石上，，可设计计如下图图的深埋埋钢管标标。钢管管深入新新鲜基岩岩2m以下。(4)双金属管管标：在在地表覆覆盖层较较厚，全全年温度度变化幅幅度较大大的地方方，为了了避免温温度变化化影响基基点高程程，可采采用双金金属管标标。(5)平洞标：：在平洞洞内埋设设水准标标志是比比较稳定定可靠的的，为避避免视线线通过不不同气温温层产生生折光影影响，可可在洞口口设一过过渡室，，观测时时，先将将内标点点的高程程传至外外标点，，然后再再传至洞洞外(1)土基标(2)岩基标，，也适用用于埋设设在混凝凝土上。。2．工作基基点（1）综合标标：将水水平和垂垂直位移移标点结结合起来来，多用用于坝面面。（2）混凝土土标：适适用于坝坝顶、廊廊道及其其他混凝凝土建筑筑物，也也可用于于基岩。。（3）钢管标标：适用用于当基基础部位位浇注的的混凝土土较厚时时，用来来观测地地基岩石石的位移移。（4）墙上标标：多用用于净空空较矮的的廊道内内，不便便竖立3m长的水准准尺时，，可在廊廊道墙上上埋设墙墙上标，，用特制制的微型型水准尺尺进行观观测。该该尺也可可用于外外表面的的标点观观测3．位移标标点(二)三角高程程法(三)遥测法1．沉降仪仪法沉降仪主主要用于于监测土土石坝及及滑坡体体内部沿沿导管或或测斜管管轴向多多点的垂垂直位移移，读数数精度一一般为1mm，测值为为相对于于沉降管管管口或或管底的的位移。。如要求求监测绝绝对值，，则应先先测定管管口或管管底高程程。沉降仪可可分电磁磁式、钢钢弦式、、电感式式、干簧簧管式、、水管式式及横梁梁式等多多种，有有的还可可同时测测量温度度。分层层沉降观观测一般般多采用用电磁式式沉降仪仪。2．多点位移移计法位移计分单单点和多点点两种，主主要用来测测量围岩或或近坝区岩岩体钻孔孔孔口与锚固固端之间的的轴向位移移及其位移移速率，已已广泛用于于大坝、地地基、边坡坡及地下洞洞室等变形形监测，可可在垂直的的、水平的的或任何方方向无套管管的钻孔内内安装。位移计主要要由传感器器、锚头及及传递钢杆杆组成，国国外还采用用玻璃纤维维杆，其温温度膨胀系系数很小，，约相当于于因钢。按按其读数方方式可分为为机械式和和电测式两两种，钻孔孔深度可达达200m，测量变形形范围为可可达20cm，分辨率可可达0.01～0.02mm，量测精度度较高，约约为0.1mm。3．变形计法法变形计可用用来测量大大坝、围岩岩及界面的的垂直、水水平或任意意方向沿仪仪器轴向变变形。它与与位移计的的区别是仅仅适用于表表面附近，，最大钻孔孔深度一般般为10m。该仪器可可由测缝计计改装而成成，测量范范围一般为为12mm，最大可达达100mm，分辨率为为0.01～0.02mm。垂直位移观观测方法固定连通管管式（2）渗流监测测根据国内外外统计，因因渗流问题题引起的大大坝失事占占工程总数数的40％。因此，，渗流监测测受到国内内外坝工界界的高度重重视。国际大坝委委员会第23号会刊的报报告中指出出：“坝基基扬压力和和渗流量的的观测是最最直接的也也是最有意意义的安全全措施。如如果是重力力坝，这些些观测是头头等重要的的”。渗流监测目目的混凝土坝和和砌石坝基基础与地基基结合面上上的扬压力力是由渗流流引起的作作用在大坝坝上的重要要的外荷载载。坝体内内的一种扬扬压力，对对坝体应力力、变形及及稳定都有有一定影响响。观测土坝坝坝基和岸坡坡中渗流沿沿程压力分分布，可以以了解土坝坝防渗和排排水设施的的作用，估估算实际水水力坡降，，推算潜水水是否可能能形成管涌涌、流土和和接触冲刷刷等变形破破坏。绕坝渗流。。如果坝与与岸坡连接接不好，岸岸坡过陡，，产生裂缝缝，或岸坡坡中有强透透水层，就就可能发生生集中渗流流，造成变变形或漏水水，威胁坝坝的安全和和蓄水效益益。在渗流处于于稳定状态态时，其流流量与水头头保持稳定定的相应变变化。若渗渗流量显著著增加，有有可能发生生管涌或集集中渗流通通道，反之之可能是排排水体堵塞塞的反映。。在正常情情况下，随随着坝前泥泥沙淤积，，渗流量会会逐年减小小。渗流水浑浊浊不清，可可能在水中中带有泥沙沙颗粒或可可溶盐成分分，反应出出坝基或两两岸接头岩岩土受到溶溶滤或被渗渗流水带出出。这些现现象往往是是管涌、内内部冲刷或或化学侵蚀蚀的先兆。。当地下水水含有高浓浓度硫酸盐盐成分时，，可能会对对混凝土产产生侵蚀作作用，甚至至使之成为为酥松状态态。渗流监测项项目1．扬压力及及渗流压力力监测；2．孔隙压力力监测；3．绕坝渗流流及地下水水位监测；；4．渗流量及及渗流水质质监测。压力或水位位：测压管、渗渗压计、压压力表、测测深锤渗流流量量：量水水堰堰、、量量杯杯水质质：水温温计计、、pH计、、电电导导率率计计、、透透明明度度计计、、自自动动水水质质监监测测仪仪渗流流监监测测方方法法对混混凝凝土土坝坝和和砌砌石石坝坝进进行行扬扬压压力力观观测测土石石坝坝进进行行渗渗流流压压力力观观测测浸润润线线如如何何监监测测？？渗流流压压力力观观测测渗流流量量观观测测渗流流量量观观测测包包括括渗渗漏漏水水的的总总流流量量、、分分区区流流量量。。对坝坝体体、、坝坝基基、、绕绕渗渗及及导导渗渗(包括括土土坝坝减减压压井井和和减减压压沟沟)的渗渗流流量量，，应应分分区区分分段段进进行行观观测测。。所所有有集集水水和和量量水水设设施施，，设设计计时时应应避避免免客客水水干干扰扰。。(一)下游游渗渗流流量量当土土坝坝下下游游有有渗渗漏漏水水出出逸逸时时，，一一般般在在下下游游坝坝趾趾附附近近能能汇汇集集渗渗流流的的地地方方设设导导渗渗沟沟(可分分区区分分段段设设置置)，在在导导渗渗沟沟的的出出口口处处布布置置量量水水堰堰。。将将坝坝基基内内向向下下游游排排泄泄的的水水量量(潜流流)视为为常常数数。。渗流流量量观观测测方方法法(1)当流流量量小小于于1L/s时采采用用容容积积法法。。(2)当流流量量在在1～300L/S之间间时时采采用用量量水水堰堰法法。。(3)当流流量量大大于于300L/s或受受落落差差限限制制不不能能设设量量水水堰堰时时，，应应将将渗渗流流水水引引入入排排水水沟沟中中，，采采用用流流速速仪仪法法。。(4)流量量计计法法。。1．混混凝凝土土坝坝渗流流量量分分区区时时，，可可按按不不同同地地段段进进行行设设计计，，如如按按河河床床坝坝段段、、边边坡坡坝坝段段、、电电站站坝坝段段、、溢溢流流坝坝段段等等进进行行分分区区观观测测渗渗流流量量。。(二)分区区渗渗流流量量2．土土坝坝将各各分分区区间间用用横横向向不不透透水水隔隔墙墙将将各各段段分分开开。。在各各分分区区心心墙墙或或斜斜墙墙下下游游的的基基槽槽内内铺铺设设排排水水管管，，分分别别将将各各区区渗渗流流量量引引向向设设在在下下游游坝坝趾趾的的观观测测房房内内。。排排水水管管的的直直径径及及进进水水段段花花管管的的长长度度应应根根据据设设计计计计算算的的渗渗流流量量而而定定，，以以排排水水管管内内是是无无压压流流为为条条件件。。3．面面板板堆堆石石坝坝可在防渗渗面板背背面汇集集或分区区汇集透透过防渗渗面板的的水，并并引至下下游或检检查廊道道内进行行观测。。此外，在在心墙或或下游基基槽的下下游侧，，可视需需要设置置纵向不不透水隔隔墙，墙墙顶略高高于下游游最高水水位，以以避免下下游回水水的影响响。(三)廊道渗流流量对设有检检查廊道道的混凝凝土坝、、心墙坝坝、斜墙墙坝、面面板堆石石坝等，，可在廊廊道内分分区、分分段设置置量水堰堰，进行行观测。。(四)坡降法渗渗流量当透水层层深厚、、地下水水位低于于地面时时，可在在坝基河河床中顺顺水流方方向布设设渗压计计或测压压管测点点，两测测点间距距10～20m，其中一一测点布布设在下下游坝趾趾处，通通过观测测坝基地地下水渗渗流坡降降结合坝坝基河床床过水断断面积及及透水层层渗透系系数计算算出渗流流量。在垂直水水流方向向，可根根据控制制过水断断面及其其渗透系系数的需需要布置置适当排排数。(五)减压井渗渗流量单井流量量、井组组流量和和总汇流流量的观观测。必必要时每每年汛后后可量测测减压井井淤积量量并对淤淤积物进进行颗粒粒分析。。适用于渗渗流量大大于50L/s时采用适用于渗渗流量10～300L/s时采用适用于渗渗流量小小于70L/s时采用行进流速速、水流与堰堰口接触触为一直直线、自由出流流、堰口上游游3～5倍堰上水水头处测读水质监测测(一)监测内容容主要包括括物理指指标和化化学指标标两部分分。其中中物理指指标有：：渗漏水水的温度度、pH值、电导导率、透透明度、、颜色、、悬浮物物、矿化化度等；；化学指指标有：：总磷、、总氮、、硝酸盐盐、高锰锰酸盐、、溶解氧氧、生化化需氧量量、有机机金属化化合物等等。(二)监测部位位人工采集集水样及及自动化化监测部部位，均均应在相相对固定定的水库库及渗流流出口、、观测孔孔或堰口口进行。。水质分析析主要分析析物理指指标，将将渗漏水水质分析析与水库库水质分分析结果果进行对对比。若若发现有有析出物物或有侵侵蚀性的的水流出出等问题题时，则则应进行行化学分分析。。（一）物物理分析析(二)化学分析析化学分析析时，主主要增加加有机污污染物的的化学指指标分析析，同时时也可了了解水库库富营养养化程度度，一般般需在采采取水样样后在实实验室内内进行分分析。（3）应（压压）力监监测采用应力力应变计计（组））、压应应力计、、基岩变变形计、、位移计计、收敛敛仪、无无应力计计、钢筋筋计、钢钢板计、、土压力力计、围围岩压力力、锚杆杆（索））等观测测。（一）混混凝土应应力及应应变根据坝型型、坝高高、结构构特点及及地质条条件选择择关键的的有代表表性的部部位进行行布置。测点的应应变计支支数和方方向根据据应力状状态而定定，空间间应力状状态宜布布置7～9向应变计计，平面面应力状状态宜布布置4～5向应变计计，主应应力方向向明确的的部位可可布置1～3向应变计计。5向应力应应变计组组布置7向应力应应变计组组布置（二）岩岩体应力力及应变变（1）根据大大坝或地地下工程程基岩及及围岩力力学性质质和结构构情况合合理布置置测点，，以便掌掌握岩体体变形、、应变和和应力的的变化规规律和发发展趋势势。（2）深层特特定结构构面发生生滑移、拱坝坝肩肩岩体应应力及左左右岸应应变差异异，观测近坝坝区岩体体及高边边坡和消消能区山山体的稳稳定状态态，包括括裂缝、、压缩、、剪切应应变的发发展情况况。（3）观测坝坝基、坝坝肩和洞洞室围岩岩经锚固固、洞塞塞、混凝凝土置换换等基础础处理结结构的应应力、应应变状态态，以了了解处理理效果。。（三）钢钢材应力力及应变变在水工建建筑物的的底孔、、廊道、、闸墩、、隧洞、、管道、、厂房等等钢筋混混凝土结结构内，，根据工工程需要要布设适适量的钢钢筋应力力观测断断面。对于影响响工程运运行安全全的重要要的钢管管、蜗壳壳等结构构，布没没钢板应应力观测测断面。。（四）自自由体积积应变混凝土自自由体积积应变包包括温度度变形、、湿度变变形和自自生变形形3部分一、混凝凝土无应应力计二、岩体体无应力力计在进行岩岩体应力力和应变变观测时时，应布布设岩石石无应力力计。在在靠近岩岩石表面面钻成环环形槽，，以便与与周围介介质受力力条件隔隔开，中中心钻孔孔安装岩岩石应变变计。（四）土土压力(1)土压力(应力)观测包括括土与堆堆石体的的总应力力(即总土压压力)、垂直土土压力、、水平土土压力及及大、小小主应力力等的观观测。(2)土壤或堆堆石体的的大、小小主应力力，通过过采用不不同埋设设方向的的土压计计组的观观测结果果间接确确定。一、坝内内土压力力(一)监测内容容接触土压压力监测测包括土土和堆石石体等与与混凝土土、岩石石或圬工工建筑物物接触面面上(边界)的土压压力观观测，，以及及混凝凝土坝坝上游游淤沙沙压力力观测测。采采用的的仪器器为边边界式式土压压计。。对于混混凝土土与岩岩体接接触面面上的的压力力，则则应属属于混混凝土土压应应力观观测，，而不不应作作为接接触土土压力力观测测。二、接接触土土压力力（五））温度度、地地震考虑结结构温温度场场的状状态，，在温温度梯梯度较较大的的部位位，如如坝面面或孔孔口附附近的的测点点宜适适当加加密。。坝体、、坝面面、基基岩等等各种种温度度应结结合布布设。。一温温度1．混凝凝土坝坝(1)重力坝坝可分分别在在溢流流和非非溢流流坝段段各选选一个个有代代表性性的观观测坝坝段布布设观观测点点。拱拱坝的的观测测断面面宜选选择在在拱冠冠和拱拱座部部位，，以观观测到到最大大地震震反应应为原原则。。(2)观测点点一般般布设设在坝坝顶和和坝基基廊道道内，，必要要时可可在其其间及及其他他薄弱弱部位位增加加测点点。但但对薄薄拱坝坝一般般应在在2/3坝高处处增设设测点点。2．土石石坝(1)土石坝坝观测测断面面宜选选择在在最大大坝高高或重重点观观测基基面处处及地地质条条件复复杂部部位。。(2)测点一一般布布设在在坝顶顶和坝坝趾部部位，，必要要时可可在半半坝高高处增增设测测点。。3．附属属建筑筑物大坝的的主要要附属属建筑筑物如如闸墩墩、进进水塔塔、升升船机机等抗抗震的的薄弱弱环节节，也也可布布设少少量测测点。。二地地震a、地震震强震震b、动孔孔隙压压力(1)动孔隙隙压力力观测测的重重点部部位是是土石石坝的的砂壳壳底部部、松松软坝坝基和和高含含水量量粘土土宽心心墙等等。(2)观测布布置可可参照照孔隙隙压力力部分分进行行。但但对于于心墙墙砂壳壳坝靠靠近心心墙的的上游游砂壳壳底部部附近近，以以及有有较大大的砂砂透镜镜体或或砂夹夹层的的松软软坝基基，可可适当当增设设观测测点。。(3)对混凝凝土坝坝可在在上游游面不不同高高程布布设少少量动动孔隙隙压力力计作作为观观测上上下游游方向向地震震动水水压力力的测测点。。对地震震基本本烈度度7度及其其以上上地区区的1、2级大坝坝，论论证有有必要要时可可进行行坝体体地震震反应应监测测。如如果发发现达达到或或超过过设计计标准准的水水库诱诱发地地震时时，应应加强强地震震观测测。测震系系统(1)测震系系统包包括传传感器器、放放大器器和记记录器器3部分(包括触触发、、启动动、时时钟、、电源源等记记录服服务系系统)。对于于地震震强震震观测测一般般采用用的传传感器器为数数字式式强震震仪，，观测测物理理量为为加速速度，，重要要测点点采用用三分分量强强震仪仪，一一般测测点可可采用用顺水水流方方向的的横向向或沿沿坝轴轴线方方向的的纵向向单分分量强强