水工建筑物变形监测

一、水工建筑物变形监测的内容与方法

水工建筑物是水利枢纽中调控水的建筑设施，主要有堤坝、船闸、溢洪建筑物等。随着水利资源的深入开发，坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也向高、大方向发展。大坝的安全与稳定关系重大，在安全监测系统的设计中，应根据坝型、坝体结构和地质条件等，选定观测项目，设计观测方案。对于土坝、土石混合坝，其失事通常是由于渗透破坏和坝坡失稳，其主要观测项目有垂直和水平位移、裂缝、浸润线、渗流量、土压力、孔隙水压力等。对于混凝土坝、坛工坝，其失事的主要原因是坝体、坝基内部应力和扬压力超出设计限度，表现为出现裂缝、坝体位移量过大和不均匀以及渗水等，其主要观测项目有变形、应力、温度、渗流量、扬压力和伸缩缝等。另外，如果工程位于地震多发区和附近有不稳定岸坡，还应进行必要的抗震、滑坡、崩岸等观测。

（1）水平位移观测。水平位移观测是水利工程安全监测的重要项目，常用的观测方法可分为两大类：基准线法和大地测量方法。基准线法主要包括视准线法、引张线法、激光准直法和垂线法。大地测量方法一般用于水利工程的外部变形监测，主要包括：交会法、精密导线法、三角测量方法和GPS观测法等。

（2）垂直位移观测。垂直位移观测也是水利工程安全监测的重要项目。常用观测方法有几何水准测量法、液体静力水准法和三角高程测量法。

（3）挠度观测。坝体的挠度观测，一般是在坝体内设置固定的铅垂线作为基准线，然后测量坝体不同高度处相对于铅垂线的水平位移，从而得知坝体的竖向挠度。设置铅垂线的方法有正锤线和倒锤线两种。

（4）裂缝观测。水工建筑物裂缝观测，通常可分为土工建筑物裂缝观测和混凝土建筑物裂缝观测。方法是对裂缝进行位置、长度、宽度、深度和错距等的定期观测。

（5）应力/应变观测。将仪器埋设在坝体或地基内部以观测重要点位的应变值，据以计算和掌握建筑物的应力状态，判断其安全程度。应变观测分三种：①混凝土应变观测：在混凝土内埋设应变计，了解坝体内的应力分布。②土坝应变观测：在土坝内埋设土应变计，研究坝体内的应力分布，分析产生内部裂缝或局部破坏的可能性。③基岩变形观测：在坝基内埋设岩石应变计，以观测坝基变形，分析坝基产生滑动的可能性。

（6）分层沉降观测。在土坝内部用十字臂固结管、深式标点组、电磁式沉降仪或水管式沉降仪等观测坝体内部不同高程点位上的沉降量，以便了解坝体内部土料的固结程度，评估设计施工质量，保证大坝安全运行。

（7）倾斜观测。在土石坝或岩土边坡的钻孔内用倾斜仪观测不同高程点位的倾斜度，用以计算岩土体内部的水平位移，以便分析岩土体的稳定性或产生内部裂缝的可能性。

（8）渗流观测。渗流观测是对水工建筑物及其基础内由渗流形成的浸润线、渗透压力（或渗透水头）、渗流量和渗水水质等的观测。以便掌握水工建筑物及其地基的渗流情况，分析判断是否正常和可能发生不利影响的程度及原因，为工程养护修理和安全运营提供依据。进行渗流观测时应同时观测上下游水位、水温及其他必要的水文气象项目。

（9）温度观测。温度观测是指将专用的温度传感器埋设在混凝土建筑物内部进行温度测量。在各种因素引起的建筑物总变形中温度变形所占比重较大，为此，在施工期和运行期都需要进行温度观测。混凝土温度观测使用的仪器有电阻式温度计、热电阻等温度传感器。

（10）检查观测。检查观测是指在施工和运行期间对水利工程的表面观察和原型观测。前者主要指经常性的，有时也包括临时性的检查，可凭直观从外表观察工程情况；后者是在有代表性的工程部位，埋设观测设备，定期用仪器进行观测，可以得到工程内外有代表性部位状态变化的物理数据。二者互相补充。水利工程检查观测项目一般有：水工建筑物的检查与观测、大坝安全检查、库区浸没观测、冰情观测、滑坡崩岸观测和河道观测等。

（11）滑坡崩岸观测。针对河谷、水库、渠道、溢洪道等的岸坡，滑坡监测是对可能滑动的山坡、明堑和填筑坡的变形观测，通常根据具体情况选定观测范围、布设垂直位移和水平位移标点，定期进行观测。在降雨或融冻季节，位移出现异常时期，要增加观测次数。崩岸观测的开展和规模，根据地形、地质和可能的危害程度而定。

（12）变形监测的周期。变形观测的周期与工程的大小、测点所在位置的重要性、观测目的以及观测一次所需时间的长短有关。及时进行首期观测有重要的意义，而且应特别重视首期观测的质量。一般来说大坝首期水平位移测量是在建筑物承受水压力之前进行的，在施工期和水库蓄水时，建筑物的变形发展较快，所以观测的时间间隔不宜过大，它与预期的变形值及水库蓄水阶段有关，期间若遇特殊情况（暴雨、洪水、地震等）应进行加测。在施工结束、水库开始蓄水，库水位下降、水库放空等有代表性的阶段，要进行测量。在大坝运行期间，建筑物及其基础变形已变得缓慢，因而周期可以放长，而各观测期应尽量在每年相同的情况下进行。在时效变形基本停止以后（这一过程一般需10年以上），测量工作并不能停止，应继续观测以防事故的发生。

二、某水电站大坝安全监测实例

某水电站拦河坝为混凝土双曲拱坝，坝顶高程294m、最大坝高157m、底宽35m、顶宽7m。坝顶中心弧长438m、中心角82°，内半径302.3m，坝体共分为29个坝块。坝区地震基本烈度为6°，大坝地震设防烈度为8°。水库正常蓄水位为285.00m，水库总库容为95.65 ×10-8m3。水电站枢纽属一等工程，主要建筑物有：拦河坝、引水道、坝后式厂房、两岸滑雪式溢洪道、一级放空兼泄洪洞和二级放空洞等。坝址区位于东江峡谷的上段，两岸山高大于500m，峡谷呈“V”形，两岸对称，河谷宽高比为2∶1，岸坡45°～50°。大坝地基主要为侵入岩，地质构造属新华夏构造系，坝址区有不同程度的断层和节理裂隙分布。

（一）监测系统概况

该水电站大坝安全监测项目包含变形监测、渗流监测、内部观测三大类，详见表18-1，这里只介绍大坝变形监测项目。

表18-1 大坝变形监测项目汇总表

（二）垂直位移监测

1.坝区一等水准网

为了监测坝区岩体垂直位移，在坝顶及下游布置了包括水准基点组（J1-1、 J1-2、 J1-3和J1-4）、工作基点、岩体垂直位移观测点等点在内的一等水准网，共计29个测点，如图18-7所示。测量使用Ni002精密水准仪配合3m铟钢尺，按照国家一等水准精度要求，每年定期观测1次。

2.坝体垂直位移监测

图18-7 坝区一等水准网

坝体垂直位移测点布设在291、 250、 205、 175、 145五层观测廊道中。垂直位移监测先以R4为工作基点，RJ为其校核点，观测路线从右岸R4开始，将高程引测至各廊道中的工作基点AZ0、 BZ1、 CZ1、 DZ13、 EZ4上，最后附合到左岸的L7点，构成附合水准路线。然后再通过这几个工作基点监测各廊道沉陷测点与倾斜测点。垂直位移监测按二等水准精度要求，每月观测1次。以291廊道为例，廊道内共布设29个沉降测点和3对倾斜测点，由工作基点AZ0引测，沉降测点每个坝块布设一个，编号为AZ0～AZ28；倾斜测点编号为AL3、 AL5、 AL7。

（三）水平位移监测

大坝水平位移监测包括坝区平面控制网，前方交会，正、倒垂线等监测设施。

1.坝区平面控制网监测

坝区平面控制网用于监测坝区两侧岩体的水平位移，同时为大坝水平位移提供基准点。控制网由3个四边形、8个控制网点组成。右岸从上游至下游4个控制点编号为TS7、 TS5、TS2、 TS3，左岸从上游至下游4个控制网点编号为TS8、 TS6、 TS1、 TS4，总共观测18条边组成测边网，如图18-8所示，其中TSI、 TS2、 TS5、 TS6这4个点分别位于S1、 S2、 S5、S6垂线观测房中。观测采用ME5000精密测距仪（标称精度0.2mm+0.2 × 10-6×D），边长观测每边测量4测回，均对向观测。

由于坝区两岸岩体位移方向理论上是朝向迎水面，也就是两岸岩体是相对运动的，因此，控制网观测采用对全网观测及跨河边长观测两种监测方式进行。跨河边长观测是利用控制网测点对跨河边长进行观测，分为TS1—TS2、 TS3—TS4、 TS5—TS6、 TS7—TS8四组对向观测边。控制网全网观测频率为每两年1次；跨河边长观测频率为每两月1次。在4条跨河边长中，TS7—TS8边最长，约为567m，测量中误差为ms=0.31 mm，当岩体有微小水平位移时，完全可以通过跨河边长监测发现。

坝区平面控制网采用独立坐标系，以294m高程拱冠上游坝面中点为原点。

图18-8 坝区平面控制网

图18-9 大坝前方交会示意图

2.前方交会监测

大坝前方交会监测设施用于监测坝体的水平位移，采用测边交会法，使用ME5000高精度测距仪测量。前方交会监测设施共布设37点，见图18-9所示，其中1 （TSI）、 2 （TS2）、 3 （TS3）是前方交会工作基点，为坝区平面控制网点；4～37为坝体位移监测点。34个位移监测点中，有18个点位于291m高程的坝后桥，7个点位于250m高程的坝后桥，滑雪道左右各3个点，电梯井3点。除21号点由工作基点2、 3交会外，其余各点均由工作基点1、 2交会，每两个月测量1次。

3.正、倒垂线监测设施

大坝有正垂9条、倒垂11条，共计20条，其中有5组坝体正倒垂线、6个坝区垂线（组）和1条电梯井正垂线。垂线布设详见图18-10。 20条垂线共有32个测点，分列如下：

图18-10 大坝坝体和坝区垂线分布图

坝区10个测点：S1垂线组位于左岸距水工楼300m左右公路边的亭子内，有正倒垂线各1根，分别设1个测点，布置在286m高程面上；S2垂线组位于右岸，与S1亭子相对，有正倒垂线各1根，在287m高程面每条垂线上各设1个测点；S5只有1根倒垂线，位于右岸坝肩亭子内，共有3个测点，分别布设在294m、 291m、 274m高程面上；S6垂线组位于左岸坝肩亭子内，有正、倒垂线各1根，在294m高程面上各有1个测点；L12和L15各有倒垂线1根，分别位于厂房左岸交通洞中和厂房右岸的观测房内，在162m高程面上各设1个测点。

坝体17个测点：坝体共有L1、 L3、 L5、 L7、 L9五组垂线，各有正、倒垂线1根，其中L1、 L9分别位于5、 20坝块；L3、 L7位于坝体1/3～2/3拱圈处，与坝中轴线对称；L5垂线为坝体拱冠中轴线。17个测点分布在3个高程面上，其中，250m高程面上有7个测点，分别布置在L1、 L9正倒垂线组上各1个，L3、 L5、 L7正垂线上各1个；205m高程面上有L3、L5、 L7共3个正垂测点；175m高程面上有L3、 L5、 L7共6个正倒垂测点；145m高程面上只有L5共1个倒垂测点。

电梯井5个测点：在162m、 185m、 217m、 250m、 281m高程面上各有1个测点。