坝体挠度监测、水平位移监测

项目三混凝土坝和浆砌石坝的安全监测任务二

混凝土坝和浆砌石坝的变形监测（一）主讲：胡昱玲

副教授学习目标：一、掌握垂线法观测坝体挠度的原理及观测步骤二、掌握引张线法观测坝体水平位移的原理及观测步骤三、培养学生具有变形监测的初步能力四、培养学生认真负责的工作态度、弘扬“工匠精神”学习内容：一、坝体挠度监测二、水平位移监测小结

混凝土坝和浆砌石坝建成蓄水运用后，在水压力、泥沙压力、浪压力、扬压力以及温度变化等作用下，坝体发生变形。坝体的变形与各种荷载作用和影响因素的变化具有相应的规律性变化，并在允许的范围之内，这是正常的现象。而坝体的异常变形，则往往是大坝破坏事故的先兆。当运行中出现异常征兆时，通过安全监测系统的连续观测和认真仔细分析，可以早作处理防患于未然。

1993年的佛子岭水库，通过监测，发现该水库大坝向下游位移量明显增大，超过历史最大值30%多，水库管理单位立即进行全面检查和分析，判定为大坝遭遇到不利工况所致，考虑到大坝基础、坝体均存在一定的缺陷，决定控制水位运用，避免了大坝安全性态的进一步恶化。

因此，为保证混凝土坝和砌石坝的安全运行，必须对坝体进行变形观测，以随时掌握大坝在各种荷载作用和有关因素影响下变形是否正常。案例导学一、坝体挠度监测挠度：

坝体垂直断面内，各不同高程点对于底部基点的水平位移。正方向规定：以向下游，向左岸为正；反之为负。测定方法：正垂线法、倒垂线法。（一）正垂线法1.正垂线法原理

在坝体的观测竖井或廊道顶部的一个固定点上悬挂一条带有重锤的不锈钢丝，以此铅垂线为基准。根据监测要求，正垂线可采用“一线多测站式”，沿垂线在不同高程及基点设置多处监测墩，利用固定在监测墩上的坐标仪测量各监测点相对于此垂线的位移值，得出坝体不同高程测点相对坝基的水平位移（如右图所示）。（一）正垂线法2.正垂线构造包括专用竖井、悬挂装置、夹线装置、监测平台、垂线、重锤、油桶和垂线坐标监测仪器等。垂线宜采用强度较高的不锈钢丝或不锈铟瓦丝，其直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍。宜选用φ1.0～1.2mm的钢丝，垂线直径不宜大于1.6mm。1—悬挂装置；2—夹线装置；3—测点；4—坝底测点；5—监测平台；6—垂锤；7—油桶（一）正垂线法2.正垂线构造垂线下端挂上20～40kg的重锤，用卷扬机悬挂在坝顶某一固定点，通过竖井直接垂到坝底的基点。根据监测要求，沿垂线在不同高程及基点设置多处监测墩，利用固定在监测墩上的坐标仪测量各监测点相对于此垂线的位移值。

活动线夹是用在正垂线多点夹线法中，把垂线固定在被监测点位上的专用装置。坝顶垂线固定块保护井垂线钢丝保护箱油槽油重锤（二）倒垂线法1.倒垂线法原理

将一根不锈钢丝的下端埋设在大坝地基深层基岩内，上端连接浮体，使浮体漂浮在液体上，利用液体对浮体的浮力拉紧钢丝，以此铅垂线为基准，测出坝体各测点到钢丝距离的变化量，即为坝体的水平位移（如右图所示）。倒垂线宜采用“一线一测站式”，不宜穿越廊道。（二）倒垂线法2.倒垂线构造倒垂线监测系统由浮体组、垂线、监测平台、锚固点、垂线监测仪等组成。垂线宜采用强度较高的不锈钢丝或不锈铟瓦丝，其直径的选择应保证极限拉力大于浮子浮力的3倍。宜选用φ1.0～1.2mm的钢丝，不宜大于φ1.6mm。（二）倒垂线法2.倒垂线构造垂线下端固定在基岩深处的孔底锚块上，上端与浮筒（如右图所示）相连，在浮力作用下，钢丝铅直方向被拉紧并保持不动。在各测点设监测墩，安置仪器进行监测，即得各测点对于基岩深处的绝对挠度值。因倒垂线的一端要锚固在基岩下稳固不产生位移的位置，所以倒垂线具有相当高精度，非常稳定可靠。有的水库把倒垂线作为整个大坝观测系统的基准线。（三）监测方法一般采用垂线坐标仪来测定垂线相当于监测墩在X、Y方向坐标值的变化。

垂线坐标仪可分为机械垂线坐标仪、光学垂线坐标仪和电测垂线坐标仪。机械式和光学式坐标仪虽然结构简单、价格便宜，但需要人工观测，工作量大且精度较低。电测式坐标仪可实现全自动化观测，观测精度较高。现代水电工程上使用的电测坐标仪包括步进电机光电跟踪式垂线坐标仪、电容感应式垂线坐标仪、电磁差动式遥测垂线坐标仪、差动电感式垂线坐标仪、CCD光电遥测垂线坐标仪等。（四）监测精度进行挠度观测时，一般应观测两测回。自上而下（或自下而上）逐点观测为第一测回，而自下而上（或自上而下）逐点观测为第二测回。每测回应照准两次分别进行读数，一测回中的两次读数差应不大于O.lOmm，取平均值作为该测回的观测值。当两测回不大于O.15mm时，可取其平均值作为本次观测成果。

注意事项：（1）检查垂线是否处于自由状态；倒垂线还应检查调整浮体组的浮力，使之满足要求。（2）用光学机械式仪器观测前后，必须检测仪器零位，并计算它与首次零位之差，取前后两次零位差之平均值作为本次观测值的改正数。

二、水平位移监测水平位移监测的基本原理：设置一条基准线或若干基准线，采用光学、机械学或电子学等原理的监测仪器，测量出不同时间各监测测点相对于基准线或基准点的位置，从而获得各测点水平方向的位移。对于混凝土和浆砌石坝，可以采用基准线方法监测的有垂线法、视准线法、引张线法和激光准直法等；可以采用基准点方法监测的有边角网法（前方交会法）、GPS法、导线法等。二、水平位移监测（一）引张线法监测原理引张线法就是在坝的两端挂重锤，或一端固定另一端挂重锤，使钢丝拉紧并作为基准线，然后测量坝体上各测点在垂直该线段方向上的水平位移值。引张线即相当于视准线法中的视准线。特点：仪器结构简单、适应性强、易于布设且不受环境影响，监测精度高。（二）引张线布置

引张线一般布设在坝顶及不同高程的廊道内；两端点应尽可能延伸至两岸不受大坝变形影响的地基深处；如端点设在坝体上或靠近坝体，则应建立倒垂线或采用其他适当的测量方法观测端点位移；位移标点一般在每一坝段内埋设一点。对于不分段的砌石坝一般可每隔50m埋设一点；当坝体很长或把内廊道不能通视时，可分段布引张线，各分段之间应设置倒垂线进行联测，以提高观测精度。（三）引张线观测设备

引张线观测设备由测线、保护管、端点装置和测点装置等组成。（四）监测方法

1.读数显微镜法观测时，先读取毫米数，再将显微镜置于标尺上方，光轴垂直于尺面。移动显微镜，使测微分划线的刻划线对准标尺相应的毫米分划线的左边缘，读取该毫米分划线左边缘至钢丝左边缘的间距a。再移动显微镜，使测微分划线的刻划线对准标尺相应的毫米分划线的右边缘，读取该分划线至钢丝右边缘的间距b。两间距的平均值即为标尺某刻划中心与钢丝中心的距离，将它加到相应的标尺整分划值上即量得钢丝在标尺上的读数。该法可估读至O.Olmm。2.两用仪法采用两用仪观测引张线时，测点上不需另安标尺，而紧靠测点保护箱，钢丝的垂直下方埋设一个强制对中器，作为两用仪的底盘。观测时将两用仪安置在强制对中器上，通过目镜及读数放大镜进行读数。（五）监测精度整条引张线从靠端点的第一个测点开始测至另一端点的测点为止为一个测回，每次观测应进行两个测回。当使用读数显微镜时，两个测回观测值之较差应不大于0.15mm（当采用两用仪或放大镜观测时，不应超过0.3mm），如符合要求，则取两个测回的平均值作为本次观测成果。测回间，应将钢丝拨离平衡位置，待其恢复平衡时，再进行下一测回的观测。

（六）端点变位测定

引张线的端点按要求应埋设在大坝两岸不受坝体变形影响的坚实基岩上。但有些水库限于条件，往往不易找到理想的位置，端点紧靠坝体，甚至就设在坝体上。在廊道中设引张线，端点必然在坝体上而发生位移。为此，除非端点十分可靠，否则一般都需对端点位置进行定期校测，以判断端点变位，保证引张线观测的精度。

对设于坝顶的引张线，其端点变位可用视准线法或精密丈量等方法观测。设在廊道内的引张线，其端点变位一般用倒垂线观测。1.对于混凝土坝及浆砌石坝水平位移的观测应优先采用（）。A、视准线法B、正垂线法C、引张线法D、倒垂线法

2.混凝土坝及浆砌石坝的挠度观测常用的方法是()。A、水准法

B、垂线法C、引张线法