水工建筑物安全监测与健康诊断(ebook)

'课程编号：S205C196水工建筑物安全监测与健康诊断学时：24，学分：1.5授课单位：建工学院任课教师：徐国宾参考教材：吴中如.水工建筑物安全监控理论及其应用.高等教育出版社,2003主要参考书：*1.赵志仁.大坝安全监测的原理与应用.天津科学技术出版社,19922.王德厚.大坝安全监测与监控.中国水利水电出版社,20043.郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统.中国水利水电出版社,20034.吴中如,顾冲时.大坝安全综合评价专家系统.北京科学技术出版社,1997绪论§0-1大坝安全监测与健康诊断必要性大坝安全监测与健康诊断就是收集大坝观测数据和解释这些数据。在水利界，“大坝”一词，有时也具有“水库”、“水利枢纽”、“拦河坝”等综合性含义。所以大坝安全监测与健康诊断，实际上也可以理解为以大坝为中心的各种水工建筑物的安全监测与健康诊断。我国目前已建成8.5万多座大坝，由于历史原因和当时的经济、技术条件，一些大坝的安全度较低或者设计标准偏低等，以及多年运行，年久失修，约有33%的大坝存在较多的隐患和老化病害，尤其是中小型水库病坝更为严重，影响着这些工程效益的发挥，甚至威胁下游人民的生命财产安全。另外，随着水能资源的深入开发，一些新建或待建的大坝坝址的地质条件越来越复杂，大坝的规模也越来越大，增加了大坝出事的风险因素。如近些年来我国已建坝高在150m以上的工程，有二滩、龙羊峡、乌江渡、白山、三峡等，正在建设和准备建设的如小湾、拉西瓦、锦屏一级、溪洛渡等高拱坝均为300m级的超高坝。因此，大坝的安全已引起人们的普遍关注。1 水工建筑物的特点，不仅表现在投资大、效益大，设计施工复杂，也表现在其失事后果严重。大坝建成后，随着结构老化以及其它随机性的原因，出现事故，也难于完全避免。但是可以采取措施减免事故发生，或将事故发生所造成的损失减至最小，特别是减少人员伤亡还是能够做到的。可以采取的措施包括：①改进大坝设计方法；②加强大坝安全监测；⑧重视工程的规划和勘探，特别是水文分析和地质、地基工作；④严格大坝运行管理、除险加固。大坝的寿命可分为运行初期、正常运行期和老化期三个阶段。大坝运行初期和老化期，最容易出现问题。见图1-1。大坝失事概率运行初期正常运行期老化期坝龄图1-1大坝各龄期失事概率示意根据世界大坝的统计资料，几乎60％左右的大坝失事，都是在水库蓄水后头几年内发生的。在大、中型水电工程中，常常提出“提前发电”的要求，即在主体工程尚未全部竣工之前，水电站便开始投入运行，大坝便开始工作。此刻水库尚未形成，工作条件可能比设计情况更恶劣，最容易出现问题。所以，在运行初期，要加强监测及时排除故障。大坝在正常工作的龄期内，产生洪水漫顶导致垮坝的，属随机事故。这类事故在失事坝中的比重，各国统计数字均占首位，在我国占51.5％。漫顶失事的概率密度与大坝寿命和质量关系不大，主要随遭遇洪水而定，表现为随机失效特点。漫坝失事主要是土石坝。漫顶，主要是入库流量超标，溢洪道故障，闸门操作失灵等原因。持续漫顶，会增加失事致灾的可能。大坝由于材料老化，混凝土受冷热交替、气候变化影响，地下水浸蚀，泥沙作用，逐步丧失强度和稳定，同时附属设施等也会出现老化现象。在老化期，容易出现问题。目前对大坝老化有如下几点认识：1)土石坝与混凝土坝、砌石坝相比，其老化速率较慢，但洪水漫顶是土石坝的致命危险。2 2)筑坝技术对堤坝老化和事故影响很大，随着筑坝技术的发展，坝的技术性能在不断提高，其老化和破坏率也随之减小。3)随着坝龄增加，坝坝遭受各种外力作用及意外考验的概率增高，使坝坝老化加剧。也就是说除了坝自身外，水库蓄泄的频次和幅度以及地震、洪水、异常气候、生物侵害等不利影响均随坝龄增长而增大，这就是坝坝老化的外因。4)加强管理、维修工作，保持堤坝承载能力，可延缓堤坝的老化过程。大坝最严重的失事就是垮坝。水库垮坝是一种特殊的灾种，一旦发生，后果十分严重。例如：1975年河南板桥、石漫滩两座大型水库、两座中型水库和58座小型水库垮坝，致使29个县市1100万亩农田遭受毁灭性灾害，冲毁铁路102km，直接经济损失100亿元，死亡人数达9万人。这次垮坝堪称是世界最大垮坝惨剧；1963年海河大水，5座中型水库垮坝，死亡达1000多人；1993年青海沟后小(一)型水库垮坝，死亡320余人。随着经济与社会发展，城市化、人口与财产高度集中，垮坝所造成的后果也会越来越严重。水库垮坝悲剧，如同阴影，伴随着人类自进入“工业革命”时代以来的水库兴建史，一再重演。下面为国外部分水库垮坝事故一览：1864年，英国戴尔戴克水库在蓄水中发生裂缝垮坝，死亡250人，800所房屋被毁。1889年，美国约翰斯敦水库洪水漫顶垮坝，死亡4000－10000人。1959年，西班牙佛台特拉水库发生沉陷垮坝，死亡144人。1959年，法国玛尔帕塞水库因地质问题发生垮坝，死亡421人。1960年，巴西奥罗斯水库在施工期间被洪水冲垮，死亡1000人。1961年，苏联巴比亚水库洪水漫顶垮坝，死亡145人。1963年，意大利瓦伊昂拱坝水库失事，死亡2600人。1967年，印度柯依那水库诱发地震，坝体震裂，死亡180人。1979年，印度曼朱二号水库垮坝，死亡5000－10000人。大坝失事的原因虽然多种多样，但在大多数情况下，总与不能及时掌握建筑物及其基础的实际运行状状有关。事实上，绝大多数建筑物的破坏过程都不是突然发生的，一般都有一个缓慢的从量变到质变的发生过程。即使建筑物存在一定的缺陷，或在设计理论和施工技术上有一些未确定因素，运行中有一定的风险，3 但只要在建筑物施工和运行中通过认真仔细的检查、监测、分析，就能了解和掌握建筑物及相关岩体的性状变化和出现的异常症状，及时发现事故前兆，防患于未然。大坝安全监测最初是为验证设计，由设计部门提出的。然而，一系列重大水工事故使人们认识到，大坝监测工作对于监视大坝安全来说是必不可少的。这是因为人类对客观规律的认识有局限性，水工建设中的地质勘探、设计施工难以做到完美无缺、万无一失。况且近几年在地质条件复杂的条件下兴建的大库高坝越来越多，使水工建设中的各个环节包含着一定的风险因素，虽然人们可以精心设计、精心施工，提高大坝的安全度，把失事的概率减低到最小程度，但监视大坝性状变化仍是不可缺少的。因此，对任何施工、蓄水和运行中的水库大坝及其它水工建筑物都应布设监测系统，量测坝体及基础的变形(位移)、渗压渗流、应力应变状态等，以了解大坝和基础性状的演变趋势，发现危及安全的异常因素。事实上很多失事的坝在事前的监测资料中都可找到前兆反映，但是，监测仪器的布设和量测频度，很难做到空间与时间上的连续性。从目前的监测水平来看，监测系统反映出来的各效应量的变化，只是一些分散的不连续的现象。一些重要的异常迹象可能被遗漏，在某些出事的部位又恰好没有布置监测仪器，或者虽然布置了仪器，但因仪器本身有缺陷或老化，输出的是错误的信息，这些都影响了监测系统的可信赖性。§0-2大坝安全监测与健康诊断系统概况一、大坝安全监测系统大坝安全监测是指直接或借用专门的仪器设备，对建筑物本身及相关岩体，从施工之前开始包括对施工、蓄水、运行整个过程，对其性状变化所进行的量测与分析。这一过程包括三个基本环节：数据量测、数据采集和数据分析。一个完整的大坝安全监测系统也应该由这三部分组成。1．数据量测：数据量测的目的是通过量测手段从监测仪器取得实测数据。即在选定的建筑物若干部位，根据监测设计的要求，在土建施工中预先埋设或安装监测仪器或设施，按照规定的观测频率进行量测，获取反映建筑物及相关岩体性状变化的数据和资料。监测仪器应重点布置在工程地质条件或结构形式相对薄弱的部位，或对工程安全评价比较敏感的部位，区分为三种：关键监测部位或断4 面、重要部位或断面、一般部位或断面。按监测物理量类型可分为两大类、环境(原因)量和效应量。环境量主要包括：气温、水温、降水量等，效应量监测项目分为常规监测、专项监测和日常目试检查三大类。常规监测主要有变形监测、渗流渗压监测、应力应变和坝体温度监测；专项监测是指为常规监测提供必要的控制数据、基准数据、环境参数及其他一些辅助|生监测项目，例如：坝区变形控制网、地应力监测、水力学监测、振动爆破监测等；另一类监测是指对大坝坝体、廊道、坝肩、泄水设施、发电设施、通航建筑物、高陡边坡等通过目视检查和一些辅助手段进行的日常或定期检查。2．数据采集：数据采集(包括传输)是指定时或定期把量测得到的数据或资料通过数据自动采集装置或人工手段或半自动半人工的方式采集起来作短时存放，或使用互联网、电话线或专用电缆集中传送到近坝区或远方的监测中心。3．数据分析：数据分析(包括数据管理、分析解释、安全评价和辅助决策)的主要功能是对传输来的各类监测数据和资料进行有序管理，建立数据库、图库、分析方法库、数学模型库和相关知识库等，并应用一系列数据分析软件，通过对测点监测数据的时序分析、相关分析，对建筑物及相关岩体的性状变化和安全状态作出评价。在出现可能危及建筑物安全的异常状况时，及时作出预报，进行分类分级报警，并提出应对措施的建议，为主管部门决策提供依据。二、监测方法通过现场观测及数据处理得到大坝性态(如实测渗水量、位移、应力)的实测值，以其与监测模型求得的预测值进行比较，若两者之差小于容许值，属正常，否则，属：①大坝性态异常；②荷载或结构条件变化；⑧观测系统不正常。此刻都需要采取措施或找出原因。这个过程的实现需要建立一整套观测与分析系统。这个系统能够在计算机辅助下，实现大坝观测数据自动采集、处理、分析与计算，能对大坝性态正常与否作出初步判断和分级报警的观测。这种自动化的观测系统是保证大坝安全的重要手段，和人工观测系统相比，具有：①快速、及时、多样、反复比较；②可靠性大；⑧费用低等特点。三、监测模型对大坝安全进行定量评估，在于建立安全评价的数学模型和大坝观测的数据库。在我国，一般应用分析软件包对原始观测数据库进行处理和计算。5 1．数学模型大坝安全监测能够采集到大量的实测资料，但如何对大坝工作状态和对大坝安全性进行定量评价，关键是建立安全评价的数学模型。用这些数学模型计算出理论参考值，再与实测资料进行比较，对大坝的工作状态和大坝安全性作出合理评价。目前我国多采用：统计模型、确定性模型和综合二者建立起来的混合模型计算理论参考值。(1)统计模型：根据正常运行状态下某一效应量(也是因变量，如位移)的实测数据，通过统计分析建立起效应量与原因量(也是自变量，如水位、温度)之间相互关系的数学模型。只要原因量在运行变化范围内，则可预测今后相应关系的效应量。回归分析是建立统计数学模型的一种主要方法。统计模型建立后，将模型计算值与实测值进行比较，即可对大坝工作状态和大坝安全性进行评价。(2)确定性模型（决定论模型）：是以水工结构分析的方法为基础，建立起来的原因量与效应量之间的因果关系式。对坝的结构分析计算一般采用强度理论或三维有限元法。当在同种条件下某一效应量的实测值与模型预报值之差，处于容许的范围之内时，则认为该部位处于正常状态，否则为不正常。(3)混合模型：在考虑原因量与效应量之间的因果关系时，一部分采用力学计算方法，另一部分采用统计分析方法。统计模型、确定性模型和混合模型各有其适用范围，选用何种模型应根据效应量和实测资料的具体情况确定。从实用的观点来看，在施工和第一次蓄水阶段以采用确定性模型为宜，而在正常运行阶段，统计模型可以用于各种因变量的分析。到目前为止，确定性模型仅对混凝土坝的位移分析取得了较好的结果，但就大坝安全而论，位移不一定是最重要的，比如：渗流量就常常是衡量大坝安全状况的一个非常重要而敏感的效应量，但是至今还未能建立起比较理想的确定性模型，而只能利用统计模型。至于对复杂地基和土石坝变形，由于存在强非线性成分，更难以采用确定性模型。除了上述3种模型以外，还有基于灰色系统理论、模糊数学理论、遗传算法、人工神经元网络、突变理论、混沌理论及其他非线性动力学理论建立的各种预测模型。6 2．数据库数据库用于对观测资料进行整理和保存。对一个工程来说要求数据库和软件包具有广泛的适用性和针对性。一座混凝土坝的安全监测数据库系统，需要有一个仪器观测数据库(坝体变形、温度、接缝、基岩变形、应力及应变、扬压力等分库；)和工程情况库(上、下水位、气温及水温、闸门、发电钢管等分库)。应用软件能够对大坝观测数据的各类数据库文件进行管理。通过以上简要论述可以看出：建立一个完整的大坝安全监测监控系统，涉及水工结构、岩石力学、监测技术、仪器仪表、数字技术、计算机技术等专业，涉及的学科包括工程学、数学、力学、物理学、人工智能、计算机科学等，很多问题涉及学科的前沿，因此它是一个跨学科跨专业的领域，需要多方面的专家共同研究和探索。四、大坝安全监测与健康诊断目的通过对大坝进行安全监测与健康诊断，主要达到下面三个目的：(1)为了短期(水库第一次蓄水)和长期大坝及基础统一体的安全，对运行性状进行监测。(2)为了提高将来设计水平，将实际状况与设计预测的进行对比。(3)掌握施工过程中坝与基础的实际性状，据以修改、补充设计或施工技术方案。要达到第一个目的，首先要能准确、及时地提出监测资料；特别要能及时检测出反常性状。完成第二、三个目的所要求的任务，必须要由有经验的工程技术人员掌握一个比较符合实际的设计模型或预报模型，通过预测与实测值的对比，来检验和判断设计所采用的参数和假设与实际相差的程度，做出相应的修改、补充，达到提高设计和施工水平的目的。国内外大坝安全监测的经验教训，有不少大坝出现险情的部位并不发生在装设仪器监测的断面上；也有监测仪器装设齐备的大坝然而却失事了。因此，安全监测系统并不能包揽大坝的安全，这是必须正确认识的，因为不论安全监测部位如何周到，监测项目如何齐全，但就枢纽整体而言，仍属局部；而且人们对事故类型、可能发生的部位和时间，尚不可能预料。为了确保枢纽整体的安全，纵使有了符合枢纽建筑物及其基础实际、具体条件比较周全的量测系统，也还必须有掌握和熟悉建筑物及其基础全面情况的监测人员或设计人员，进行经常的或定7 期的全面、深入、认真的现场目视检查，与之紧密结合，对整个枢纽的安全状况以及在后续运行中应该注意的事项或需采取的措施，作出可靠的评价。§0-3大坝安全监测及关键技术问题安全监测的主要目的是及时发现大坝运行中(特别是在洪水、汛期、非常规条件下)出现的异常征状并进行分析和评估，对可能出现的事故前兆进行报警并提出处理建议，包括工程处理措施、水库调度方案以及下游紧急疏散方案和防洪、泄洪预案等。这就是大坝安全监控的真正含意。显然它不是一种实时监控系统，而是一种监测信息反馈决策支持系统。它应该建立在对监测数据进行快速采集、传输、分析、处理的基础上，实际上是一个依托监测数据量测、传输、管理、分析工作及一系列计算机软件和硬件设备，为工程管理部门服务的安全决策支持系统。大坝安全决策支持系统需要的数据类型比较多，有工程勘测设计数据、工程施工资料、监测仪器性能参数、埋设安装记录和大量的动态的实测数据、记录等，数据类型有数字、文字、图表、音像等，形式多样。为了对这些数据进行有序管理并及时提出有用的信息，必须建立功能优越、查询高效的数据信息库，应用现代数据库管理技术，包括数据仓库、数据发掘技术等才能充分发挥数据的潜在作用。监测系统有很多监测项目，对同一种监测项目又有多种仪器在多个部位监测，并提供多种类型的监测数据。如何有效地利用这些数据得出安全评估的结论呢？先要对原始监测数据做初步处理，包括对数据进行可靠性检查、一致性检查，以及数据的粗差、误差处理、数据滤波和统计分析等。再对数据的规律进行分析，涉及很多对数据序列趋势的分析处理方法和技术。一般使用建立数学模型即监控模型的方式进行。为此提出了各种建模方法，风险评估方法和异常征兆分析方法。有时还要使用数值计算方法(如有限元法)进行仿真计算。很多专家为此发挥了聪明才智，提出了大量有创意的研究成果。建立数学模型为实现大坝安全监控提供了途径，但又提出了监控指标的问题，不同监测项目、监测数据和不同类型的监控模型都要求有相应的监控指标。一般而言，在大坝设计文件中，除对大坝扬压力的要求可直接用于监测外，作为安全设计标准之一的安全系数，不是实测的效应量(如位移、应力、应变等)，在8 其间如何建立对应关系是一个需要研究的问题。事实上根据大坝出现异常或失事前兆所反映的效应量(如位移值)来制定监控指标是比较直观的，但非常缺乏这样的实测数据。要真正解决这些问题，需要设计、施工和工程管理部门及有关专家积累经验、收集数据，共同探索。安全监控系统在对大坝安全状态作出评估发现异常时，还应该为工程管理部门提出处理大坝异常症状的方案和措施。为此，大坝病害诊断系统、大坝安全评估专家系统、安全决策支持系统包括专家会商系统的研究近几年得到很多专家的重视，并提出了一批有应用价值的研究成果和计算机软件。§0-3大坝安全监测与健康诊断技术的发展趋势随着世界各国水力资源的不断开发和利用，大坝及其它类型的水工建筑物的数量在不断增加。因而，水库大坝及其它水工建筑物的安全问题也越来越引起社会公众的关心。国际大坝委员会(ICOLD)在第8、13、34、15、17届大会上都讨论了大坝及基础安全监测问题，并先后发表了第21、23、41、60、68号公报，对大坝及基础的监测提出了一系列的要求。一些发达国家如美、意、法、日等国都设立了专门负责大坝安全的管理机构，建立了法规、法令和制度。我国政府对大坝安全问题也非常重视，上世家60年代水电部主管部门编制出版了《水工建筑物观测技术手册》，80年代颁发了《水库工程管理通则》，近几年水利部、国电公司先后成立了大坝安全监察中心和大坝安全监测中心，各流域机构、各大网局、各大水利设计院和各省市的水利部门都有专门从事大坝安全管理和监测的机构和专业技术人员。我国继人大常委会颁布《中华人民共和国水法》之后，水利部、能源部在1989年制定颁发了《混凝土坝安全监测技术规范(试行)》，1990年水利部还编写印发了《土石坝安全监测技术要点》。这些工作使我国的大坝安全监测工作逐步走上了正规的道路，也将进一步促进我国大坝安全监测技术的发展。从近几年一些国家大坝安全监测与健康诊断技术发展来看，有下面一些动态和特点。1．监测系统设计方面(1)普遍认为监测的主要目的是监视大坝安全，发现异常迹象。因此，监测系统的设计更加强调监视安全这一条，其次是验证设计和指导施工。(2)监测布置应该把大坝及基础作为一个单元来考虑。要加强对基础和坝肩9 岩体的变形观测和渗流观测。(3)监测工作包括资料的量测采集、资料的处理、解释和管理，以及现场目视巡查。因此，监测系统的设计应包括资料量测系统和资料管理系统的设计，还要对现场目视巡查所需的条件作出设计和安排。(4)监测系统必须有快速反应能力和应变能力，能适应不同阶段不同条件下监测工作的需要。(5)坝体及基础的位移监测，倾向于以正倒垂线与引张线相结合组成整体观测系统，辅以静力水准仪、滑动测微计、钻孔倾斜仪、多点位移计等仪器量测坝体转动和基础变形。同时，在大坝外围布设多级控制网，以观测和控制坝体及两岸的整体位移。(6)对于混凝土坝，应变计只用在一些部位；关于渗漏量测，重要的是将一个有效的排水系统与这些仪表相结合。2．仪器选择和仪器埋设方面(1)仪器的量程和精度必须满足监测要求。(2)仪器的元器件应长期耐用，运行可靠，能适应恶劣环境。(3)更多地选用在空间上和时间上能连续量测的仪器，如可沿深度连续测量位移的滑动测微仪(瑞士)、测渗压的钻孔滑动测渗仪(法国)、坝体和基岩的声波层析造影(意大利)以及能在时间上跟踪量测的自动化仪器(日本)。(4)注意发展垂线技术，包括垂线的安装和自动量测技术。(5)注意研制能沿钻孔直接连续量测基岩应力和残余应力的仪器。(6)强调仪器的安装或埋设必须严格按照正确的方法进行，以保证运行可靠。3．自动化监测及遥测遥传技术方面(1)为了提高资料采集的效率和可靠性，使监测系统能及时起到监视安全的作用，应该发展自动化技术，尽量采用可靠的自动化仪器和计算机技术。发展自动化量测技术是一种趋势，很多国家都在加速开发(如美国、意大利、日本)。(2)目前发展的自动化监测技术有三种形式：一是偏重数据量测记录自动化(日本、美国)；二是只有资料分析解释自动化(葡萄牙)；三是联机实时综合性的自动化系统(意大利)。(3)对边远偏僻、自然环境恶劣的坝址，注意发展无线遥测技术(意大利)10 或利用通讯卫星遥测遥传监测信息(美国、加拿大)。(4)资料的远距离传输多借用电话线或布设专用电缆(意大利)。4．资料的采集、处理、解释和安全监控方面(1)强调对大坝在整个施工期、水库第一次蓄水和运行初期(3～5年)全过程的监测并分别对各个阶段提出监测要求和安全监控指标，以指导工程施工和管理。(2)以及时定量为目标，使资料处理及时迅速，资料解释定量化。(3)认为对资料进行定量分析，关键是建立数据监测模型，如意大利、西班牙特别重视建立确定性的数值模型。法国对建立和使用统计学模型有深一步的研究。(4)西班牙采用渗流量、渗压力和位移三项指标，与库水位、温度和渗流量三项基本参数结合形成确定性模型，对监控资料进行解释。(5)发展反馈分析技术，利用实测资料，通过计算模型对设计参数进行反演和检验。总的来看国外大坝监测技术的发展，以意大利取得的成就最大，水平最高，反映了大坝安全监测技术的当今发展趋势，主要表现在以下几个方面。(1)提出了对大坝进行实时定量安全监控的概念和方法，促使安全监测的各个环节，包括系统的设计、仪器布设，资料采集，处理、解释及预报等必须进行全面的变革。(2)对实际建筑物提出了比较确切的安全度概念。也就是说，大坝及基础是否安全？要看其在外部荷载(即原因量)作用下所产生的反映(效应量)变化幅度是否在其材料弹性性能变化幅度所允许的范围之内。(3)强调安全监测的成果并不意味着收集多少数据，关键是如何及时地解释这些数据。这种解释并不纯粹是根据经验，而是依据理论模型对大坝及基础的性状作出定量的评价，进而对其安全状态作出正常或非正常的判断。基本方法是对大坝及基础关键部位关键监测项目的监测数据建立理论模型，然后使用这一模型预测此后某一时刻在某一环境条件(如水位、温度)下该效应量的值。当在同样条件下取得的该效应量实测值与模型预报值之差(离差)处于一个弹性允许范围之内时，认为大坝处于正常范围之内，否则认为不正常。(4)认为确定性模型能从本质上反映大坝及基础在正常运行状态下效应量11 的变化规律，可对大坝及基础效应量产生的机理作出定量的分析和解释，因此，对大坝进行安全监控将主要使用确定性模型。意大利国家电力局ENEL下属结构及模型试验所ISMES和水力及结构研究中心CRIS，对建立确定性模型的理论和方法做了很多研究工作，有一套独创的方法和计算机程序，并在若干混凝土坝上成功地建立和应用了位移量的确定性模型，如PONTECOLA坝、TALVACCHIA坝、RIDRACLI坝、BABELINA坝等。(5)研制并在工程上实现了联机实时的全自动化安全监控系统，其功能包括坝及基础主要原因量和效应量数据的自动巡检、量测、采集、存储、制表、随机检索，使用数值模型作安全监控等。(6)监测数据可以通过电缆线远距离从坝址传输到贝加摩的ISMES计算中心，使用大坝安全资料管理系统MIDAS和P型三维有限元计算程序FIESTA进行脱机处理或建立数值模型。另外，使用无线电遥测遥传也已在几个工程和滑坡监测中心实现。近几年国外的大坝监测技术发展是迅速的。我国的观测界根据国内水利水电建设的实际情况，研制了一系列用于混凝土坝、土石坝和岩体的监测仪器，在研制监测自动化所需的硬件和软件方面也取得了很大的进展，达到了先进水平。但同时也应该看到：在监测系统设计、监测仪器制造及其自动化，数据处理、解释、管理技术方面，与先进国家相比，我们还存在不少差距。这就要求我国的大坝安全监测工作必须进一步改进和提高。§0-4本课程讲授内容1.变形观测及相应统计模型2.应力观测及相应统计模型3.渗流观测及相应统计模型4.灰色系统理论及其预测模型5.模糊数学及其预测模型6.原型观测资料的反分析方法7.水工建筑物安全综合评价专家系统12 第1章变形监测大坝在自重、水压力、扬压力、泥沙压力及温度等荷载作用下，必然会产生变形，变形监测是了解大坝工作状态及安全管理的重要内容。变形监测项目主要包括：水平位移、垂直位移、挠度、倾斜、裂缝等。§1-1水平位移一、监测布置(一)观测断面1．土石坝(含堆石坝)(1)观测横断面：布置在最大坝高、原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处、坝内埋管或运行可能发生异常反应处。一般不少于2～3个，如图1-1所示。(2)观测纵断面：在坝顶的上游或下游侧布设1～2个，在上游坝坡正常蓄水位以上1个，正常蓄水位以下可视需要设临时断面，下游坝坡2～5个。(3)内部断面：一般布置在最大断面及其他特征断面处，可视需要布设1～3个，每个断面可布设1～3条观测垂线，各观测垂线还应尽量形成纵向观测断面。2．混凝土坝(含支墩坝、砌石坝)(1)观测纵断面：通常平行坝轴线在坝顶及坝基廊道设置观测纵断面，当坝体较高时，可在中间适当增加1～2个纵断面。当缺少纵向廊道时，也可布设在平行坝轴线的下游坝面上。(2)内部断面：布置在最大坝高坝段或地质和结构复杂坝段，并视坝长情况布设1～3个断面。应将坝体和地基作为一个整体进行布设。拱坝的拱冠和拱端一般宜布设断面，必要时也可在1/4拱处布设。3．近坝区岩体及滑坡体(1)靠两坝肩附近的近坝区岩体，垂直坝轴线方向各布设1～2个观测横断面。(2)滑坡体顺滑移方向布设1～3个观测断面，包括主滑线断面及其两侧特征断面。1 (3)必要时可大致按网格法布置。(二)观测点1．位移标点(1)土石坝：在每个横断面和纵断面交点等处布设位移标点，一般每个横断面不少于3个。位移标点的纵向间距，当坝长小于300m时取30～50m，坝长大于300m时，一般取50～l00m。(2)混凝土坝：在观测纵断面上的每个坝段、每个垛墙或每个闸墩布设一个标点，对于重要工程也可在伸缩缝两侧各布设一个标点。(3)近坝区岩体及滑坡体：在近坝区岩体每个断面上至少布设3个标点，重点布设在靠坝肩下游面。在滑坡体每个观测断面上的位移标点一般不少于3个，重点布设在滑坡体后缘起至正常蓄水位之间。图1-12．工作基点(1)土石坝：在两岸每一纵排标点的延长线上各布设一个工作基点。当坝轴线为折线或坝长超过500m时，可在坝身每一纵排标点中部增设工作基点兼作标点，工作基点的间距取决于采用的测量仪器。2 (2)混凝土坝：可将工作基点布设在两岸山体的岩洞内或位移测线延长线的稳定岩体上。(3)近坝区岩体及滑坡体：选择距观测标点较近的稳定岩体建立工作基点。3．校核基点(1)土石坝：一般仍采用延长方向线法，即在两岸同排工作基点连线的延长线上各设1～2个校核基点，如图1-1所示。必要时可设置倒垂线或采用边角网定位。(2)混凝土坝。校核基点可布设在两岸灌浆廊道内，也可采用倒垂线作为校核基点，此时校核基点与倒垂线的观测墩宜合二为一。(3)近坝区岩体及滑坡体。可将工作基点和校核基点组成边角网或交会法进行观测。有条件时也可设置倒垂线。二、监测方法见表1-1。表1-1水平位移监测方法部位方法适用范围引张线一般坝体、坝基均适用重力坝视准线坝体较短时用激光准直包括大气和真空激光,坝体较长时可用真空激光视准线重要测点用拱坝导线一般均适用,可用光电测距仪测导线边长交会法交会边较短、交会角较好时用视准线坝体较短时用大气激光有条件时用,可布设管道土石坝卫星定位(GPS)坝体较长时用测斜仪或位移计测内部分层及界面位移用交会法同拱坝测斜仪一般均适用交会法同拱坝近坝区岩体卫星定位范围较大时用多点位移计也可用于滑坡体及坝基视准线一般均适用卫星定位范围较大时用高边坡、直线测距用光电测距仪或因钢线位移计、收敛计滑坡体边角网一般均适用,包括三角网、测边网及测边测角网同轴电缆(TDR)可测定位移深度、速率及滑动面位置3 断层监测仪可测断层水平及垂直三维位移变位计可测层面水平及垂直位移断层、夹层测斜仪一般均适用倒垂线必要时用岩洞稳定点也可精密量距或测角倒垂线一般均适用校核基点边角网有条件时用延长方向线有条件时用伸缩仪用于基准点传递和水平位移观测三、系统设计(一)引张线法引张线是在两端点之间张拉一根钢丝作为基准线，用来测量坝上各位移标点相对于该钢丝的水平位移，由于端点的张力产生一个水平分力，使钢丝力图保持原位，故而成为一条基准线。引张线法的成本低、精度高（可达0.1～0.3mm），外界影响小，可遥测自记，操作简便，不受距离和气候影响，已获得普遍应用。此外，引张线还可兼测垂直位移。（1）引张线测线一般采用0.8～1.2mm的高强不锈钢丝，要求其极限强度不2少于1500N/mm，钢丝直径选择宜使其极限拉力为所受拉力的2倍。（2）引张线跨度一般长达数百米，由于钢丝重力作用其垂径（挠度）可达数十乃至数百厘米。为了解决垂径过大问题，一般在中间设置若干浮托装置，将引张线自由地托在装置上，使之成为一悬链线而近似在同一高度上。当线长不足200m或采用“分段引张线法”时，也可采用无浮托式，主要根据引张线垂径大小及观测要求决定。垂径（挠度）算式如下：2SWY=（1-1）8H式中:Y—引张线垂径，m；S—引张线长度，有浮托时为两浮托之间的长度，m；W—引张线钢丝的单位重，kg/m；H—水平拉力，近似于所挂重锤之重量，N。(3)引张线的设备包括端点装置、测点装置、测线及保护管。端点装置可用一端固定、另一端加拉力的办法，加力端结构设计实例见图1-1，加力大小可按式（1-1）计算。(4)有浮托的引张线测点装置包括水箱、浮船、读数设备及保护箱，无浮托的引张线则无水箱及浮船(盒)。4 (5)引张线宜设防风保护管，以免引起观测误差，其值取决于风速的大小。(6)有浮托引张线的缺点是只能观测水平变形，无浮托引张线则可同时观测水平和垂直变形。因此，最好采用无浮托的双向引张线，当线体较长、垂径过大时，则可采用“分段引张线法”来解决。(7)当需要穿过公路或其他原因设计的引张线两端点不等高时，其垂径的计算公式为：图1-1式中：Y1、Y2—引张线最低点与低端点、高端点之间的垂径，m；h—两端点高差，m。当端点不等高时，引张线最低点位置算式为：式中：a、b—最低点距低端点、高端点之水平(二)视准线法视准线法原理是通过或平行于坝轴线建立一条固定不变的视准线，定期观测各位移标点对该线的偏离值，借以确定各点的位移量。（1）视准线法按其使用工具和作业方法的不同分为活动觇标法和小角度法两种。前者是将活动觇标安置于位移标点上，令觇标图案的中线与视准线重合，然后利用觇标上的分划尺及游标读取偏离值；后者是将仪器置于工作基点，测定视准线与位移点间的微小夹角(水平角)α和水平距离S，按下式计算或查表求得偏离值LL=Sα/ρ=k′α式中：ρ—测量常数，其值为206265′′；k′—角度换算偏离值的系数，其值为S/ρ。（2）视准线工作基点之间的长度不宜超过表1-2之规定。当超过此要求时，5 可适当增加测回数或采用倒垂线等已知固定点、增设工作基点而设计成“分段视准线法”。也可采用“分段观测法”，分段观测法又分为中点设站、连续设站及逐点设站等多种方法，各有其特点，在设计中可根据视准线长度情况选用。表1-2（3）视准线的工作基点一般设置在大坝两端的廊道内或山坡上，距大坝一定距离处，埋设在新鲜的岩石或稳定土层内。视线俯角不宜太大也不宜太低，并应布设在靠近下游面与坝轴线平行处，视线离开吊车架、栏杆等障碍物lm以上。工作基点的观测墩采用钢筋混凝土浇筑，顶部埋设固定的强制对中设备，精度不低于0.2mm，观测墩设计见图1-3。(4)视准线的位移标点采用钢筋混凝土设置在结构物上，与视准线的偏离值不应超过2cm，距地面高度不小于lm及旁离障碍物不小于1m，标点顶部同样埋设上述强制对中设备，以便安置觇标，详见图1-4。考虑到折光差的影响等因-6素，视准线法的观测精度约为3×10。为了提高观测质量和观测速度，有条件时，宜布设在廊道内进行观测。（5）视准线觇标的形状、结构、尺寸、颜色对观测精度有重要硬响，应当合理设计。一般来说，觇标应满足图案对称、没有相位差反差大、便于安装、具有适当参考面积等条件，实践证明，白底黑标志的平面觇标为最佳。并要求觇标的旋转轴通过标志的中心。从使用方法上可分为人工觇标和遥控觇标，前者又分为活动觇标和固定觇标两种，后者又分为有线遥控觇标和无线遥控觇标两种。(三)激光准直法可分为大气和真空激光准直两种方法。6 1．大气激光准直法又可分为激光经纬仪法和波带板法两种，其中前者又分为激光器法和衍射投影法两种。（1）激光器法。本方法是在经纬仪望远镜上安装一个激光器构成激光经纬仪，以便发射一条可见的红色激光束直接准直，然后与上述活动觇标视准线法的原理基本相同，进行两点准直法观测，此为简单的目视法。（2）衍射投影法。本方法是由一个发散透镜将氦氖激光管发射的激光束扩大为目镜有效孔径的1.5倍左右射进望远镜，使激光束通过十字分划后，产生相干光的衍射现象，并投影到观测屏上成像。此法的优点是望远镜可以在竖直面内俯仰，因而测站点和被测点不必同高，使用方便灵活，其中投影成像的十字黑线，不受激光漂移的影响，观测精度较高，在认真仔细操作的情况下，准直距离可达800m。（3）波带板法。它是把激光器和接收靶分别安置在两端固定的工作基点上，而将波带板安置在位移标点上，从激光器发出的激光束照满波带板后，在接收靶上会聚形成一个亮点或“十字”亮线，按照三点准直方法，在接收靶上测定“十字”亮线的中心位置，即可决定位移标点的位置。如图1-5。这种观测要求光源、波带板中心和接收靶中心三点基本在同一高度上。该法仪器结构简单、使用方便、观测精度较高，大约比视准线法高三倍，比大气照准法高一倍。2．真空激光准直法包括激光准直系统和真空管道系统两部分，前者的设计和上述大气激光准直相同。真空管道法与大气波带板法的观测方法基本相同，只是将激光束置入真空管道传输，从而避免了大气折光的影响，观测精度更高，同时也可观测垂直位移，但其成本较高。7 (四)边角网法(1)设计边角网时，其视线坡度不宜过大，并应超越或旁离建筑物2m以上，测距边应避开强电磁场干扰，视线与大于ll0kV高压输电线平行时应旁离30m以上，与高压线交叉时不得在几条高压线之间穿过。(2)观测墩应设置可靠的保护盖，基准点宜设计观测室，室内观测墩可采用图1-3所示的结构，对于经常暴露在野外的观测墩宜采用双层观测墩，结构见图1-6。(3)设计边角网时，应进行现场踏勘，以便核定点位条件、通视情况和观测环境是否满足精度要求。(五)交会法交会法是利用2个或3个已知坐标的工作基点，测定位移标点的坐标变化，从而确定其变形情况。主要用于观测大坝不同高程或近坝区岩体及滑坡体的位移，包括测角交会和测边交会两种方法。（1）工作基点应选在地质条件良好的基岩上，尽可能离开承压区，不受人为的碰撞或震动，并定期校核是否发生变动，工作基点到交会点的边长不能相差太大，最好大致相等，与交会标点应大致同高，以免视线倾角过大，影响观测精度。视线离地面或障碍物1.2m以上，以减少折光影响。工作基点上应设强制对中底盘，以减少仪器对中误差。0（2）采用测角交会法时，交会点上所成的夹角最好接近90，如条件限制也00应设计在60～120之间。工作基点到测点的距离，在观测曲线坝体时不宜大于200m；在观测高边坡和滑坡体时不宜大于300m。当采用三方向交会时，上述要求可适当放宽。在测点上应设置觇牌或塔式照准杆。0(4)采用测边交会法时，交会点处所成的夹角最好接近90，如条件限制可设00计在45～135之间。工作基点到交会点距离在观测曲线坝时不宜大于400m，在观测高边坡和滑坡体时不宜大于600m。测点上应埋设安置反光镜的强制对中底盘。(六)导线法8 导线法包括测角量边导线和弦矢导线两种，适合于设计在廊道内观测拱坝的径向和切向水平变形，但导线的端点之间不通视，无法进行方位角连测，故一般均需设计倒垂线控制和校核端点位移。（1）边角导线的系长不宜大于320m，边数不宜多于20条，并应采用隔点设站法测量导线转折角。其目的在于将相邻两条边合成一条边，即视为折线量距法处理，以减少导线转折点数，提高导线精度，同时要求相邻两导线边的长度不宜相差过大。此法的关键在于提高测角精度，减少旁折光的影响。(2)弦矢导线的系长不宜大于400m，边数不宜多于25条，如矢距量测精度不能保证转折角的中误差小于1′′时，导线长应适当缩短，边数应适当减少，如矢距量测精度较高，系长也可适当放长。因为此法的关键是提高三角形高(矢高)的观测精度，一般需采用因钢杆尺、读数显微镜及调平装置等设备。（3）当拱坝轴线较长时，为保证观测精度，可增设倒垂线以减少系长。由于边角导线测角比较困难，故建议尽量采用弦矢导线。§1-2垂直位移一、监测方法垂直位移监测方法见表1-3，对表中未列出的部位可参照布设。在一般情况下，采用精密水准法比较方便，对混凝土坝宜按一等水准进行观测，土石坝及滑坡体宜按二等水准进行观测，并应尽量组成水准网。对于中小型工程和施工期的工程按位移变化情况，必要时可考虑降低1个等级。表1-3垂直位移监测方法部位方法说明一等或二等精密水准坝体、坝基均适用混凝土坝三角高程可用于薄拱坝激光准直两端应设垂直位移工作基点二等或三等精密水准坝体、坝基均适用土石坝三角高程可配合光电测距仪使用或用全站仪激光准直两端应设垂直位移T作基点一等或二等精密水准观测表面、山洞内及地基回弹位移近坝区岩体三角高程观测表面位移二等精密水准观测表面及山洞内位移高边坡及滑坡体三角高程可配合光电测距仪使用或用全站仪卫星定位(即GPS法)范围大时用9 沉降板固定式，观测地基和分层位移沉降仪活动式或固定式，可测分层位移内部及深层多点位移计固定式，可测各种方向及深层位移变形计观测浅层位移垂线一般均适用因钢带尺一般需利用竖井高程传递光电测距仪要用旋转镜和反射镜竖直传高仪可实现自动化测量，但维护比较困难二、监测布置(一)精密水准法1．水准基点水准基点是观测的基准点，应根据建筑物规模、受力区范围、地形地质条件及观测精度要求等综合考虑，原则上要求该点长期稳定，且变形值小于观测误差，一般在大坝下游1～3km处布设一组或在两岸各布设一组3个水准基点，组成边长50～100m的等边三角形，以便检验水准基点的稳定性。对于山区高坝可在坝顶及坝基高程附近的下游分别建立水准基点。有条件时。最好将水准基点布设在两岸灌浆廊道内，以简化观测。根据实际情况设计水准基点结构时，可采用以下几种形式。(1)土基标：如图1-7所示，由标志和底盘组成，在标柱的顶箍标志的副点以作校核。底盘应埋设于最大冻土深度以上。(2)岩石标：如图1-8，适用于岩石覆盖层较薄的地表岩石标，也可用于混凝土表面。10 (3)深埋钢管标：如岩石覆盖层较厚，为了使水准基点埋设于新鲜岩石上，可设计如图1-9的深埋钢管标。钢管深入新鲜基岩2m以下。(4)双金属管标：在地表覆盖层较厚，全年温度变化幅度较大的地方，为了避免温度变化影响基点高程，可采用双金属管标。(5)平洞标：在平洞内埋设水准标志是比较稳定可靠的，为避免视线通过不同气温层产生折光影响，可在洞口设一过渡室，观测时，先将内标点的高程传至外标点，然后再传至洞外。如图1-11所示。11 2．工作基点工作基点是观测位移标点的起始点或终结点，应力求布设在与所测标点处于大致相同的高程上，如坝顶、廊道或坝基两岸的山坡上，对于土坝可在每一纵排标点两端岸坡上各布设一个。有以下两种结构型式：(1)土基标：如图1-12所示。(2)岩基标：如图1-13所示，也适用于埋设在混凝土上。3．位移标点一般分别在坝顶及坝基处各布设一排标点，在高混凝土坝中间高程廊道内和高土石坝的下游马道上，也应适当布置垂直位移观测标点。另外，对混凝土坝每个坝段相应高程各布置一点；对于土石坝沿坝轴线方向至少布置4～5点，在重要部位可适当增加；对于拱坝在坝顶及基础廊道每隔30～50m布设一点，其中在拱冠、四分之一拱及两岸拱座应布设标点，近坝区岩体的标点间距一股为0.1～0.3km。大型工程一般布设成水准网的型式。按埋设位置的不同，位移标点可设计成以下几种结构型式：．（1）综合标：将水平和垂直位移标点结合起来，多用于坝面。（2）混凝土标：适用于坝顶、廊道及其他混凝土建筑物，也可用于基岩。（3）钢管标：适用于当基础部位浇注的混凝土较厚时，用来观测地基岩石的位移。（4）墙上标：多用于净空较矮的廊道内，不便竖立3m长的水准尺时，可在廊道墙上埋设墙上标，用特制12 的微型水准尺进行观测。该尺也可用于外表面的标点观测，如图1-14。(二)三角高程法近年来由于光电测距仪和全站仪的应用及对大气折射问题的深入研究，人们对三角高程测量给予了高度重视，已能达到或接近二等水准测量的精度。(1)此法测量外业简单、快速，而且可以观测难以到达测点的高程和垂直位移。布设测点时要求推算高程的边长不大于600m，每条边的中误差不大于3mm，竖角中误差小大于3.0′′，仪器高度量测的中误差不大于0.1mm。(2)工作基点至少设置两个，位移标点最好安置光电测距仪的反射镜，并采用对向观测作业。如往、返测不能做到同步进行，则可使其问隔时间保持在0.5h左右，以使往、返测高差平均值中，垂直折光的影响最小。(三)遥测法1．沉降仪法(1)沉降仪主要用于监测土石坝及滑坡体内部沿导管或测斜管轴向多点的垂直位移，读数精度一般为1mm，测值为相对于沉降管管口或管底的位移。如要求监测绝对值，则应先测定管口或管底高程。(2)观测横断面宜布设在坝体最大横断面及其他特征断面，在每个观测断面的坝轴线附近及其上、下游可布设1～3条观测垂线，垂线上的测点间距根据材料特性及施工方法而定，一般为2～10m，在地基表面应设置测点，当填土直接与基岩接触时，沉降管管底应深人基岩。另外，水管式沉降仪可布设在建基面(软基)、1/3、1/2及2/3坝高处，每处设测点1～3个。(3)沉降仪可分电磁式、钢弦式、电感式、干簧管式、水管式及横梁式等多种，有的还可同时测量温度。分层沉降观测一般多采用电磁式沉降仪，国外多采用便携式位移计直接读数，读数仪电线长度可以定制。国产仪器由沉降管、沉降环、三角架、钢卷尺及测头(探测器)组成。当测头处于沉降环位置时，蜂鸣器会发出声音，此时从测尺上读取读数。2．多点位移计法位移计分单点和多点两种，主要用来测量围岩或近坝区岩体钻孔孔口与锚固端之间的轴向位移及其位移速率，已广泛用于大坝、地基、边坡及地下洞室等变形监测，可在垂直的、水平的或任何方向无套管的钻孔内安装。(1)位移计主要由传感器、锚头及传递钢杆组成，国外还采用玻璃纤维杆，13 其温度膨胀系数很小，约相当于因钢。按其读数方式可分为机械式和电测式两种，钻孔深度可达200m，测量变形范围为可达20cm，分辨率可达0.01～0.02mm，量测精度较高，约为0.1mm。3．变形计法变形计可用来测量大坝、围岩及界面的垂直、水平或任意方向沿仪器轴向变形。它与位移计的区别是仅适用于表面附近，最大钻孔深度一般为10m。该仪器可由测缝计改装而成，测量范围一般为12mm，最大可达100mm，分辨率为0.01～0.02mm。§1-3挠度一、监测方法(一)正垂线1．观测站法将垂线从坝顶或适当位置的悬挂点挂下，在各测点上均设测站安置仪器进行观测，所得观测值为各测点与悬挂点之间的相对位移，如图1-15(a)所示，则任一点N的挠度S的算式为：NS=S−SN0式中：S—正垂线悬挂点与最低点之间的相对位移；S—任一测点N与悬挂点0之间观测的相对位移。14 2．支持点法在垂线的最低点建立观测站安置仪器，而在各测点处安装支持点，观测时把垂线分别夹在各支持点上，所得观测值减去首次观测值即为各测点与最低点观测站之间的相对挠度，如图1-15(c)。（二)倒垂线倒垂线是将铅垂线底端固定在基岩深处，依靠另一端施加的浮力将垂线引至坝顶或某一高程处保持不动，故只能采用多点观测站法，如图1-15(b)所示。所得观测值即为各测点对于基岩深处的相对位移，等于或接近绝对位移。一般在基岩面高程须设置观测点以观测坝基处的位移。二、监测布置(一)观测部位1．混凝土坝应选择地质或结构复杂的坝段、最高坝段或其他有代表性的坝段及位移基点等处，一般拱坝的拱冠和拱端应设置垂线，较长的拱坝还可在1/4拱处布设；重力坝可选2～3个坝段进行布设，并可同时用来校核导线、引张线、视准线端点等的稳定性。2．土石坝及岩体根据位移校核基点的需要布置，特别是当观测精度要求较高时。例如，作为基准点可将倒垂线布设在土石坝坝肩或近坝区岩体和滑坡体变形监测控制网的起始点上。(二)观测点1．垂线布置一般同一坝段设置一条垂线即可，当坝体结构特殊时可设计采用“分段垂线法”监测，即从上向下设置2～3条垂线串联起来。为了了解地基变形量及范围，还可在地基不同深度设一组倒垂线并联起来。对于曲率较大的双曲拱坝或薄拱坝，当坝内设置垂线导管或竖井有困难时，可设在坝后靠近下游面的保护管内。2．测点布置每一条垂线可根据坝高等情况在不同高程布置若干测点，在靠近坝顶、坝基部位及垂线与廊道相交处应布设测点，一般每坝段沿坝高不少于3个测点。如果垂线设置在两个坝段的交界处，则可同时在两坝段上布设测点，利用同一条垂线15 观测两坝段的位移及两坝段之间的错动。(三)观测站测站一般布设在廊道内，有门框嵌在廊道壁的混凝土中，如设在坝顶或地面露天部位，则应修建观测房。观测站内宜采用钢筋混凝土观测墩，当正、倒垂线结合布设或与引张线、视准线等端点结合布设时，宜尽量在同一个观测墩上衔接，否则应在两个观测墩上设置标志。三、垂线设计(一)正垂线(1)最高悬挂点应设在坝顶附近，必须保证换线前后位置不变，并考虑到换线及调正的方便。(2)重锤应设止动叶片，重锤重量按下式计算：W=201(+KL)1式中：W—重锤重量，kg；L—测线长度，m；K—系数，K=(0.02～0.03)/m。11(3)测线宜采用强度较高的不锈钢丝或不锈因钢丝，一般直径为Φl.0～2.0mm，应保证其极限拉力大于重锤重量的两倍。若设计为三维垂线，则应采用温度膨胀系数比钢丝约小一个数量级的不锈因钢丝。(4)重锤阻尼箱内设防锈抗冻液体，其内径和高度应比重锤(包括阻尼叶片)直径和高度大15～20cm。(5)在竖井、宽缝和直径较大的垂线井中，应设垂线防风管，管内径视变形幅度而定，但不得小于10cm。(二)倒垂线(1)倒垂线钻孔深度宜参照计算结果达到变形可忽略不计处。无计算结果时，对混凝土坝可取坝高的1/4～1/2，对土石坝宜深入稳定基岩或坚硬土层，但最小均不宜小于l0m。(2)倒垂孔内岩石完好且无腐蚀性地下水时可不设保护管，仅在孔口部位设置保护装置即可。当需设置保护管时，其保护管内径不宜小于10cm，倒垂线防风管内径也不宜小于10cm。保护管和防风管的有效孔径不得小于5～10cm。(3)浮体组宜采用恒定浮力式，浮子的浮力按下式计算：P=2001(+KL)216 式中：P—浮子浮力，N；L—垂线长度，m；K—系数，K=(0.01～0.02)/m。22(4)测线的强度要求与正垂线相同，当正、倒垂线结合布设或采用倒垂组时，宜在同一观测墩上进行衔接。(5)倒垂孔钻孔的垂直度要求较高，一般为1‰左右，其值主要取决于钻孔直径和要求的有效孔径。§1-4倾斜一、监测方法监测方法见表1-4。表1-4倾斜监测方法部位方法说明倾斜仪包括光学及遥测仪混凝土坝静力水准仪用于坝体及坝基一等精密水准用于坝体及坝基表面倾斜测斜仪或倾斜仪用于观测内部或面板倾斜、挠度土石坝及面板坝静力水准仪用于坝体及坝基一等或二等精密水准用于坝体及坝基表面倾斜倾斜仪多采用遥测倾斜仪测斜仪或应变管可分固定式与活动式两种高边坡及滑坡体静力水准仪多采用遥测静力水准仪二等精密水准用于观测表面倾斜二、系统设计(一)倾斜仪1．气泡式倾斜仪适用于布设在标距较短(0.5～2m)的两点之间的倾斜观测，可以固定在建筑物上，也可以是携带式的。固定式倾斜仪，可安放在专门设计的壁阁中。对于活动式倾斜仪，在每次观测前应在设计的专用墩、台上进行校正。该墩台应建立在建筑物附近变形影响区以外的坚固岩石上。利用气泡倾斜仪观测倾斜，是通过转动测微鼓使水准管内的气泡精确居中，再根据测微鼓角度分划值τ读数换算成倾斜角α。设两次观测的读数差为△α，则倾斜角算式为：α=τΔα若测微鼓分划值τ用长度量度表示，倾斜仪基线长为L，则倾斜角算式为17 α=Δhρ/L式中：ρ—测量常数，ρ=206265′′；Δh—倾斜度长度变化量。气泡倾斜仪误差取决于安置误差、置平误差和读数误差。根据分析，活动式倾斜仪的观测精度为±(3′′～4′′)，对于固定式倾斜仪则为±(1′′～2′′)。倾斜仪除水平安置外，还可以垂直安置，以观测垂直壁或微斜壁的变形，并适用于沿长度方向进行系统的观测，即进行“分段倾斜法”监测。2．遥测倾斜仪这种仪器一般固定布设在测点上，能自动进行观测，也可作动态观测，因此便于实现观测自动化。遥测倾斜仪的种类较多，按其电器原理不同可分为电容式、电感式、电阻式、电解式、伺服加速度式等多种，其测量范围和分辨率差别较大，其观测精度可达±5.0′′。遥测倾斜仪分单轴和双轴两种，如组合使用则可同时监测三维变形，有的产品还可兼测温度。(二)测斜仪(1)测斜仪类型可分为活动式和固定式两种，前者探头是移动式的，后者则将探头固定在套管的某个位置上进行测读，其优点是可以安装在库水位以下靠上游坝面及其他观测人员难以到达的部位，然后进行遥测。但活动式测斜仪则可以用一个探头测量沿整个孔深的倾斜角，比较经济，因而多用，特别适用于土石坝和滑坡体的倾斜及分层水平位移监测。(2)测斜仪的工作原理是测量测斜管轴线与铅垂线之间的夹角变化量，进而可以计算出沿钻孔深度各测点的水平位移大小和倾斜(挠度)曲线。(3)国产CX系列测斜仪有4种型号，系统总精度为±4mm/15m，分辨率为0±0.1mm/500mm，导轮间距为500mm，量程为±53；美国和加拿大测斜仪相应值0分别为：±2mm/25m,±0.02mm/500mm，500mm，±53。(三)静力水准仪(1)静力水准仪由水管式倾斜仪组成。这种仪器测量精度高，中误差小于0.1mm，量程为±(50～100)mm，操作方便，一般不受距离限制，并能保证同步性和连续性，特别是安装在大坝廊道内及人员不易到达的地点，既可提高效率又可克服不便进行光学观测的困难，更重要的是便于实现自动记录和遥测，因而在高精度倾斜和高程观测中得到广泛应用。18 (2)静力水准仪的测量原理，如图1-16，为一连通管结构。假定水管两端位于同一水准面上，则此起始液面高程在平衡时应相等，即H10=H20=H0。当两端的基底出现Δh的相对高差变化时，两端液面高差分别改变h1、h2，而达到新的水准面O1O2。由此可得：Δh=h+h=H−H=(b−a)−(b−a)=(a−a)−(b−b)=Δa−Δb121212122121式中:H、H—分别为位移后两端液面的高程，mm；a、b—分别为位移前水1211准面读数，mm；a、b—分别为位移后水准面读数，mm。22将上式求出的Δh值代入倾斜角算式，即得两水管之间的地面倾斜角。(3)上述方法只是观测两点间的相对垂直位移，为了同时观测多点之间的垂直位移，可将一系列的水管串联起来，组成静力水准。这样不仅可节省一半水管，而且为观测绝对位移创造了条件。这就要求在系统中设计一个具有一定直径的补偿器(贮水箱)，如图1-17，将补偿器设置在稳定的基岩上或采用钻孔建立倒垂线、深埋钢管标、多点位移计等方法对补偿器的位移进行校测，即可求出各测点的绝对位移。19 三、观测布置(1)观测基面一般选在最大坝高及两坝肩处或其他地质条件差等特殊需要监测的部位，从基础到坝顶一般选3～5个测点，坝体测点和基础测点最好设在同一个垂直面上。(2)倾斜观测点应尽量设置在垂线测点附近，以便互相校核，并尽量设置在廊道内进行观测，当设置在廊道内有困难时，也可设置在下游面上。对于拱坝最好设置双向倾斜仪。(3)用精密水准法观测时，两点间距离在基础附近不宜小于20m，在坝顶不宜小于6m。(4)采用测斜仪观测时，其测斜管可兼作沉降仪的测量管。对观测高边坡及滑坡体倾斜，宜尽量采用遥测法。静力水准仪一般布设在基础廊道进行观测。§1-5接缝及裂缝一、监测方法监测方法见表1-5。表1-5接缝及裂缝监测方法项部位方法说明目测微器、卡尺及百分表或千分表适用于观测表面混凝土坝测缝计(单向及三向)适用于观测表面及内部接测缝计观测面板接缝，可分别测定各向位移缝面板坝两向测缝计河床部位周边缝观测三向测缝计岸坡部位周边缝观测测微器、卡尺、伸缩仪观测表面裂缝长度及宽度混凝土坝超声波、水下电视观测裂缝深度测缝计观测裂缝宽度裂钻孔、卡尺、钢尺观测表面裂缝长度、宽度、深度缝探坑、竖井及电视观测立面裂缝长度、宽度、深度及位移土石坝位移计、测缝计观测表面及内部裂缝及发展变化探地雷达观测裂缝深度二、系统设计(一)测微器1．金属单向标点20 采用直径约20mm、长约80mm的金属棒，埋入混凝土60mm，外露部分做成标点和保护盖相结合的螺纹丝扣，两标点间距不少于150mm，其结构型式如图1-18，两点间距离变化用游标卡尺测量，精度可达0．1mm。对于要求精度较高的混凝土裂缝，其宽度可在测点表面固定百分表或千分表等量具进行观测。百分表安装在焊于底板的固定支架上，底板螺栓固定在上述金属标点上。安装时测杆应正对百分表测针，并稍压紧，使百分表有适当的预读数。2．板式三向标点将两块宽为30mm，厚5～7mm的金属板，作成相互垂直的3个方向的拐角，并在型板上焊三对不锈钢的三棱柱条，用以观测接缝或裂缝3个方向的变化，用螺栓将型板锚固在混凝土上，其结构型式如图1-19。用外径游标卡尺测量每对三棱柱条之间的距离变化，即可得三维相对位移，也可加工成板式二向标点。3．杆式三向标点0如图1-20，加工支杆1、2。支杆1弯曲成90。，支杆2弯曲成130，分别安装在缝4两侧的钻孔3中，每个支杆露出混凝土部分焊上两个不锈钢标点5、21 6和7、8。这种标点呈垂直圆柱形，直径10～20mm。标志6的下部和标志8的上部端面呈球形状，钻孔3的中心线平行间距为140mm，而高度为30mm，支杆安装在钻孔时要使标志6和标志8位于同一条垂直线上，而通过标志5～7和5～8的中心水平线应相互垂直。垂直的圆柱形标志的长度要使得5、7和8上端的高程保持相同，每次观测标志5～7和5～8之间的水平距离及标志6～8之间的垂直距离，即可求得三维变化。(二)测缝计1．单向测缝计测缝计可分为电阻式、电感式、电位式、钢弦式等多种，是由波纹管、上接座、接线座及接座套筒组成仪器外壳。其内部构造以差动电阻式为例，是由两根方铁杆、导向板、弹簧及两根电阻钢丝组成部件，两根方铁杆分别固定在上接座和接线座上，形成一个整体。如图1-21。2．三向测缝计三向测缝计布设在混凝土坝块之间、坝块与基岩间、基岩的软弱夹层间、面板与周边缝间及容易产生伸缩和剪切变形的部位，来观测三维变形。如图1-22。22 (三)超声波当声波通过混凝土的裂缝时，绕过裂缝的顶端而改变方向，使传播路程增加，即通过的时间加长，由此可通过对裂缝绕射声波习最短路程上通过的时间与良好混凝土在水平距离上声波通过的时间进行比较来确定裂缝的深度，如图1-23。(四)位移计为了观测土工建筑物内部接缝和裂缝可采用位移计，该仪器通常布设在土坝坝体与两岸连接处，测量拉伸和剪切位移，以及不同土料分区之间或土坝与混凝土建筑物连接处的相对位移，并可在坝体表面或内部不同部位布设，可单支也可数支串联布设。三、监测布置(一)混凝土坝(1)在可能或已经产生裂缝的部位(如坝体受拉区、并缝处及基岩面高程突变部位等)和裂缝可能扩展处的混凝土内部及表面宜布设裂缝计。(2)在观测基面坝体纵缝不同高程代表性的部位布置3～5个接缝观测点，必要时也可在键槽斜面处布置测点，支墩坝和宽缝力坝靠空腔附近可增设测点。强震区拱坝横缝可适当布置测点。(3)在坝踵、岸坡较陡坝段的基岩与混凝土结合处，宜布设单向、三向测缝计或裂缝计。(二)土石坝23 (1)对在建坝可在土体与混凝土建筑物及岸坡岩石接合处易生裂缝的部位，以及窄心墙或窄河谷坝拱效应突出部位布设测点。(2)对已建坝出现的表面非干缩裂缝及冰冻缝，在以下几种况时应布设测点：①缝宽大于5mm；②缝长大于5m；③缝深大于2m；④穿过坝轴线；⑤裂缝呈弧形；⑥有明显竖向错距；⑦土体与混凝土建筑物连接处；⑧可能产生集中渗流冲刷；⑨两坝端贯穿性的横向缝；⑩可能产生滑动的纵缝。(三)面板堆石坝(1)对周边缝一般应监测三向变位。在最大坝高河床处布1～2个测点，在两岸坡坝高的1/3、1/2及2/3处各布设l～2测点，在岸坡较陡、坡度突变及地质条件差的部位可增加测点。(2)面板接缝测点在高程上的分布原则与上述周边缝相同，与周边缝的测点组成纵横观测线，还应与坝体沉降、水平位移及面板中的应力应变观测相结合。24 第二章渗流监测§2-1渗流监测的意义及监测项目一、意义大坝建成蓄水后，在水头作用下导致坝体、坝基和坝肩出现渗流现象，这对大坝运行是不利的，但又是不可避免的。渗流过大有可能引起大坝的失事和损坏。例如法国马尔巴塞(malpasset)拱坝和美国提堂(teton)土坝的失事，就是由于渗流造成的。根据国内外统计，因渗流问题引起的大坝失事占工程总数的40％。因此，渗流监测受到国内外坝工界的高度重视。由于大坝渗流是一个三维问题，影响因素比较复杂，边界条件难以确定，致使根据设计计算或实验采用的防渗、导渗措施不可能很完善。实践证明，原型观测是监控渗流状态最真实的行之有效的方法，因而被大多数工程所采用。国际大坝委员会第23号会刊的报告中指出：“坝基扬压力和渗流量的观测是最直接的也是最有意义的安全措施。如果是重力坝，这些观测是头等重要的”。二、监测项目混凝土坝和砌石坝基础与地基结合面上的扬压力是由渗流引起的作用在大坝上的重要的外荷载，目前设计都是假定为二维问题并按直线分布的图形计算，有必要通过观测作进一步校核。观测土坝坝基中渗流沿程压力分布，可以了解土坝防渗和排水设施的作用，估算实际水力坡降，推算潜水是否可能形成管涌、流土和接触冲刷等变形破坏。在土坝坝体内，渗流水将形成一个逐渐降落的渗流水面即浸润面，在土坝横断面上显示为一条曲线，称为浸润线。如果实测的浸润线高于设计线，就降低了坝坡的稳定性，甚至可能造成滑坡事故。此外，地下水也可能影响库边稳定。库水在混凝土坝体内的渗流将形成孔隙水压力，也即是坝体内的一种扬压力，对坝体应力、变形及稳定都有一定影响。渗流绕过两岸坝肩从下游岸坡流出，称为绕坝渗流。如果坝与岸坡连接不好，岸坡过陡，产生裂缝，或岸坡中有强透水层，就可能发生集中渗流，造成变形或漏水，威胁坝的安全和蓄水效益。1 在渗流处于稳定状态时，其流量与水头保持稳定的相应变化。若渗流量显著增加，有可能发生管涌或集中渗流通道，反之可能是排水体堵塞的反映。在正常情况下，随着坝前泥沙淤积，渗流量会逐年减小。渗流水浑浊不清，可能在水中带有泥沙颗粒或可溶盐成分，反应出坝基或两岸接头岩土受到溶滤或被渗流水带出。这些现象往往是管涌、内部冲刷或化学侵蚀的先兆。当地下水含有高浓度硫酸盐成分时，可能会对混凝土产生侵蚀作用，甚至使之成为酥松状态。综上所述，可将渗流监测项目概括为：1．扬压力及渗流压力监测；2．孔隙压力监测；3．绕坝渗流及地下水位监测；4．渗流量及渗流水质监测。§2-2扬压力一、坝基(一)观测断面1．观测横断面主要是对混凝土坝和砌石坝进行扬压力观测。横断面的位置和数量取决于坝的地质条件、结构型式、规模大小及工程等级等因素，应选择在最大坝高、不同结构型式、有无横向基础排水廊道及地质条件复杂坝段，如有断层、夹层及破碎带的坝段。数量一般为2～5个。2．观测纵断面纵向断面位于灌浆帷幕和第一排排水孔的下游侧或排水幕线上，一般选择1个观测断面。(二)观测点(1)每个横断面的测点数量一般是3～5个，从上游起第1个测点布置在帷幕后或第一道排水幕线上，横断面上的测点应布置在各排水幕线上。有下游帷幕时，应在其上游侧布置测点。若有影响大坝稳定的浅层软弱带时应增设测点。(2)纵断面每个坝段应布置1个观测点，坝基条件复杂坝段可适当增加测点。(3)在坝基开挖后，可对设计的测点位置进行适当调整使其处在有可能产生2 最大扬压力的裂隙岩石上，此外，在透水性大的岩层或断层、夹层中及陡坡坝段可适当增设深层扬压力观测点。(4)对于重力坝和宽缝重力坝均采用上述方法布置。重力拱坝观测横断面应垂直于拱坝坝轴线，支墩坝横断面测点主要布置在上游支墩头部，薄拱坝一般可不进行坝基扬压力观测。(5)河床式厂房基础扬压力观测可参照重力坝坝基进行布置。二、坝体(一)观测断面坝体扬压力观测断面主要选择在靠近坝基的施工分层工作缝上，此处被认为是可能渗水的薄弱环节，同时也要在完整的混凝土块体内选择断面，以资比较。断面位置一般与坝基扬压力观测横断面相结合，但数量仅为1～3个。(二)观测点(1)由于受设置横缝及坝体排水孔等坝体构造的影响，为了测最大值，一般将测点布置在靠近坝基处的坝段中心部位且处坝面与排水孔之间。(2)测点与坝体上游面的最大距离一般可取此观测断面最大静水压力的1/10或到达上游廊道的中心线附近。靠近上游面水力坡度较陡应布置密些，最上游测点与坝面距离应不小于0.2m，为了观测排水效果，可在排水管的上、下游布设测点。(3)碾压式混凝土坝一般在上游面防渗层及其与内部混凝土交界面及碾压层面附近布置测点，交界面上游侧较密，下游侧较稀。三、观测设备(一)测压管1．设置要求测压管适用于岩基上坝基扬压力观测。设计时有两种布置方式。(1)有横向廊道：可将各测点测压管垂直引入横向廊道，靠近上游灌浆廊道附近的测压管也可倾斜引入纵向廊道。这样既便于施工，也便于淤堵时进行处理。(2)无横向廊道：此时宜将测压管以2％～5％的坡度引入纵向廊道底下，再以直管引入廊道观测。由水平管转入垂直管的弯头高程，应设置在大坝可能发生的最低扬压力高程以下。3 应该指出，测压管与排水管不能互相利用，否则会造成观测值失真，甚至影响大坝安全。测压管的构造可分为进水段、导管段和出口段3部分。2．进水段进水段为直径不小于50mm的基岩钻孔，孔深距建基面不小于1m，孔内应清洗并保持干净，防止灌浆等其他原因淤堵。3．导管段导管段宜采用直径不大于50mm的无缝镀锌钢管，内壁涂防腐防锈材料，接头用细丝扣对箍接头。导管段上部与孔口段联接，低部下至大坝建基面，沿管身外壁全部采用水泥砂浆封堵。4．出口段测压管出口段一般布置在基础廊道底板上，有橡皮密封盖子盖紧使其不漏水，并用三通管在测压管出口处旁通直径为25mm的钢管引到靠近廊道侧壁的观测站内，其上安装压力仪表及阀门，以便进行观测。当管中扬压力低于廊道底板高程时，可将出口顶盖除去用电测水位计进行观测。当测压管堵塞时，可从测压管出口处往里进行清洗。每个观测断面测压管出口段的头部在纵向廊道内是集中到廊道侧壁较大的一个观测站内，如果设有横向廊道，则各测压管出口段的头部是就地分散在横向廊道侧壁的小型观测站内。靠坝下游部分的测压管，也可引到下游面进行观测，但要增设保护装置和注意防冻。观测站所在的廊道应高于尾水高程，以免积水无法观测，否则应设有排水设备。5．水位计当为无压孔时，可采用电测水位计或压力传感器进行观测，国内外生产的电测水位计型号较多，最好选用分辨率为1mm，并同时具有测温功能的仪器。观测测压管水位时，两次读数之差不大于1cm。建议采用精度较高的带有不锈钢导线的电测平尺式水位计，感应水面的探头直径为l0～20mm，见表2-1。4 表2-1电测水位计主要技术指标厂名型号测量范围(m)分辨率(mm)测温功能西安兰华TP0～1501有曲靖银河SS-l0～100l无大连基康110T0～150l有金坛土木SWl0～1501无洛克泰斯(加)CPR0～1501无当为有压孔时，选用量程合适的压力表，使读数在1/3～2/3量程范围内，压力表的精度不得低于1.5级。在这种情况下，即使采用0.2～0.4MPa的低量程压力表，其精度也在30～60cm之间，可见压力表的精度较低，宜用于定性观测。(二)渗压计1．设置要求(1)该议器既适合于坝基又适合于坝体的扬压力观测，其量程应与测点的实有压力相适应。(2)设计坝基扬压力测点时可与测压管结合使用，也可单独埋入观测点处直接进行观测，在单独使用时不干扰渗流流态，且节省了安装测压管的工作量，效果更好。(3)渗压计不需设置专门的横向廊道，施工方便可靠，精度高，不滞后，且便于遥测和自动化观测，建议扬压力观测设计中优先选用。2．安装埋设(1)埋设在基岩表层时：先钻集水孔，孔深为0.5～lm，孔径5cm，在孔口放仪器处可稍扩大，先在孔内填满反滤料，再将装入铜砂网袋内并浸水饱和的仪器放入孔口内，用水泥砂浆覆盖封堵，如图2-1。(2)埋设在基岩内部时：先在设计位置钻仪器孔，孔深由设计决定，但不小5 于lm，孔径l0cm。孔底lm范围内填满反滤料并将装入铜砂网袋内的仪器放入距孔底0.5m处，距孔底lm以上用水泥砂浆封堵。如孔深较大、仪器电缆较长时，可在电缆上绑扎14号铅丝保护。(3)埋设在混凝土块体内时：先将已装入铜砂网袋中的仪器浸水饱和后放在测点部位，周围60cm范围内混凝土用人工捣实。(4)埋设在混凝土施工缝上时：在缝下层已浇注混凝土预留或开挖长、宽、深各为30、20、30cm的槽，将仪器放入槽内，周围填满级配砂，上部用水泥砂浆封住。3．传感器代表性的渗压传感器见表2-2。由于各厂家仪器规格不统一，表中仅取测量范围为0.2MPa左右的仪器指标为代表。表2-2渗压计主要技术指标测量范围分辨率最小读数过压能力厂家原理型号测温功能(MPa)(％F.S.)(mm)(％)国家标准GB/T0.16≤0.232120无北京博文XJSO.20.120150有曲靖银河SDS0.20.120120无葛南实业VWP0.20.0459120有丹东电器振弦式JXS0.20.240120无美国、45000.1724加拿大PW(25psi)0.0254.3200有西安兰华电感BSY0.160.046.4150有传感器厂调频电力自动化差动GY0.25O.0615150无研究院电感从上表可以看出：(1)采用渗压计代替压力表观测渗流压力，精度有很大提高，一般可提高一个数量级以上。(2)国家标准和部分国产振弦式仪器分辨率较低，且无测温功能，对了解影响渗流的温度变化是不利的，有必要进一步改进和提高。即使选用国外仪器，其量程也应与测点最大压力相适应，如：辽宁省某输水工程在最大水头仅3．5m的情况下，却选用量程35m(50psi)的进口振弦式仪器，致使观测精度大为降低。6 (3)西安兰华传感器厂生产的电感调频式仪器分辨率在国产仪器中是较高的，适用于静、动态观测且具有测温功能，已形成系列产品及配套的数据采集与处理系统，经水利土木等工程广泛使用表明性能稳定可靠，抗干扰能力强，可远距离传输，曾获中美两国专利和国家发明奖，建议进一步推广应用。§2-3渗流压力一、坝基(一)观测断面(1)主要对土石坝进行渗流压力观测。其中坝基渗流压力包括：坝基天然岩土层，人工防渗设施和排水系统等关键部位渗流压力的分布情况。观测横断面的位置应根据工程重要性、土石坝的规模、防渗和排水措施、施工方法和质量、坝基工程地质构造、地层结构和水文地质条件及设计和试验结果等综合考虑而定。(2)观测横断面一般布置在能控制主要渗流情况和预计可能发生问题的部位，其中包括：河床最大坝高断面及合龙断面、可能产生裂缝及地形变化显著的断面、坝基土层变化的分界断面、施工质量差或存在疑问的断面、基岩破碎或有断层通过的断面。(3)观测横断面的数量，对于大型和重要的中型水库，宜不少于3个；当坝体较长时，可不多于5个。各观测横断面宜顺流线方同布置，并尽量与坝体渗流压力观测断面相结合。(二)观测点1．均质透水坝基(1)用水平铺盖防渗的坝。对铺盖的防渗效果及坝基内部管涌和外部流土是监测的重点。对于有铺盖的均质坝、斜墙坝或心墙坝均应在铺盖的末端底部和渗流出口内侧设置测点，其余部位可适当补充测点。测点埋入坝基的深度为1～2m。(2)用垂直截水墙防渗的坝。有截渗墙(槽)的心墙坝、斜墙坝，应在墙(槽)的上下游侧各布设1个测点。对于粘土截水墙防渗的坝，可在截水墙内的上部和底部各增设1个测点。当墙(槽)位置偏向上游坝踵时，可仅在下游布设测点。有刚性防渗墙与塑性心(斜)墙相接时，结合部的粘土层易出现拉应力而产生裂缝，需在结合部适当增7 设测点，如图2-22．层状透水坝基(1)上层为强透水层。即上层为砂层或砂砾石层，下层为弱透水的粘土层，可作为上述单层坝基对待。将弱透水层作为相对不透水层，而仅在上层布设测点，测点位置在横断面中下游段和渗流出口附近。(2)下层为强透水层。可将测点布设在下层，位置也在横断面中下游段及渗流出水口附近。当有减压井(或减压沟)等排水时，可在其上下游侧和井间适当布置测点，如图2-3。3．岩石坝基当有贯穿上下游的断层、破碎带或其他易溶、软弱带时，沿其走向在与坝体的接触面、截渗墙(槽)的上下游侧或深层所需监测的部位布置测点。二、坝体(一)观测断面土石坝坝体渗流压力观测包括确定断面上的压力分布和浸润线位置。为此，观测横断面布置原则与上述坝基渗流压力相同。宜选在最大坝高处、合龙段、地形或地质条件复杂坝段，并尽量与变形、应力观测断面相结合，一般宜布设38 个。(二)观测垂线根据坝型结构、断面大小和渗流特性，在观测横断面上，布设3～4条观测垂线。1．均质坝均质坝指坝体各部位的渗透系数基本相同。按其流网特点可分为上游坝肩以左的上游楔体区和以右的梯形区。在楔体区一般布设2条，其中一条在坝肩；在梯形区至少布设2条，其中一条在排水体前缘，如图2-4。2．斜墙坝或面板坝由于斜墙坝上游坝壳厚度和面板坝的混凝土或沥青面板均较薄，故不需在斜墙及面板内布置测点。在斜墙或面板下游侧底部、排水体前缘及其间部位应布设测线，如图2-5。此种坝堆石体浸润线位置较低，等势线近于垂线。3．心墙坝9 (1)宽塑性心墙坝。在心墙内可设1～2条，另在心墙下游侧和排水体前缘各布设1条。(2)窄塑性或刚性心墙坝。在心墙体外上、下游侧各布设1条，另在排水体前缘布设1条。经论证有必要时可在墙体内增设1条。(三)观测点根据坝高和需要监测的范围以及渗流场特性，并考虑便于通过流网分析确定浸润线位置，在观测垂线上分别布置1～3个测点，一般原则是：(1)在均质坝横断面的梯形区，心墙和斜墙坝墙体下游坝壳区及面板坝的堆石体内强透水料区，其等势线近于垂线，故每条垂线只布设一个测点，其高程应设在死水位形成的浸润线之下。(2)在渗流进、出口段，渗流各向异性明显的土层中，以及浸润线变幅较大处，包括均质坝的楔体区，非均质坝、心墙坝的上游坝壳区和心墙区及面板坝的垫层内，应根据预计浸润线的最大变幅沿垂线不同高程布设测点，每条垂线的测点数一般为2～3个。(3)需观测上游坝坡内渗流压力分布的均质坝和心墙坝，应在上游坝的正常高水位和死水位之间适当增设观测点。三、观测设备(一)测压管1．设置要求-4测压管一般适用于作用水头小于20m的坝、渗透系数大于或等于10cm/s的土中、渗水压力变幅小的部位及监测防渗体裂缝等。2．孔口段应设置管口保护装置，要求简单牢固、开启方便，并能锁闭、防止损坏。当自动或遥测时能满足接收仪表的测量要求。3．导管段采用直径不大于50mm的无缝镀锌钢管，内壁涂防腐防锈材料，外壁应严密封堵，以防客水干扰或压力水串通。封孔材料为膨润土球、高崩解性粘土球或水泥砂浆，以避免渗透。应该指出，测压管导管段管径一般为50mm(2英寸)，但实际上不少工程管径10 都在75～150ram(3～6英寸)之间。管径增大后，当管中水位上升(或下降)时，则补充(或排出)管中相应渗水量所需的时间即滞后时间与管径呈正比，当岩土的渗透系数较小时，增加管径造成的时间滞后是严重的，若库水位变化较快时，观测误差就更大。设库水位上升(或下降)ΔH时，影响测压管内的渗流量为Q，测压管内水位相应上升(或下降)Δh，相应管内所需补充(或排出)水的体积为V，则所需的时间即滞后时间t可按下式估算：VdΔht==（2-1）Q4kinL式中：d—测压管导管段管径，cm；k—岩土渗透系数，cm/s；i—岩土渗透坡降；n—测压管进水段开孔率，％；L—测压管进水段长度，cm。-2-7取Δh=lcm；i=0.1，n=0.15，L=100cm，d=5，10，15cm，k=10～10cm/s，代入上式求出的滞后时间列于表2-3。从表2-3可以看出：表2-3测压管导管段管径d与滞后时间t的关系(单位：d)k(cm/s)管径d=5cm管径d=10cm管径d=15cm-21×100.000960.001930.00289-3l×10O.009650.019290.02894-41×100.096450.192900.28935-51×100.964511.929012.89350-61×109.6450619.2901228.93500-71×1096.45061192.90122289.35000(1)在测压管水位变化Δh仅为lcm的情况下，当管径为5cm、渗透系数为-41×10cm/s时，滞后时间约为0.1d，基本上能满足观测要求。(2)测压管滞后时间与管径呈正比，与渗透系数呈反比。因此，除在强透水性坝基和砂石填筑区外，一般岩基应严格控制测压管管径在规范允许的范围内，建议设计时采用30～50mm为宜。4．进水段对于土石坝测压管进水段管外应包扎无纺土工织物防止土颗粒进入管内，管底封闭不留沉淀管段。进水段管长不小于1.0m．进水孔应排列均匀，内壁无毛刺，原则上尽量增大开孔率，也可采用与导管段内径相同的多孔聚乙烯过滤管或透水石管作进水段。11 进水段钻孔直径不小于10cm，下管前先填10cm厚反滤料，下管后管外需填反滤料并逐层夯实，直至进水段顶部。反滤料要有足够的透水性又能防止细颗粒进入测压管，其渗透系数宜大于周围介质的10～100倍，对粘壤土或砂壤土可用纯净细砂，对砂砾石层可用洗净、风干的细砂到粗砂的混合料。目前在土坝测压管进水段钢管上钻进水孔，一般均按梅花型排列。孔径约5mm，形成花管进水段，面积开孔率n仅为10％～20％。根据式(2-1)仍设Δh=lcm，-2-7i=0.1，L=100cm．d=5cm,k=10～10cm/s，并分别取n=0.15，0.30，0.50，1.0，代入式(2-1)求出相应的滞后时间列入表2-4。表2-4测压管进水段开孔率n与滞后时间t的关系(单位：d)k(cm/s)n=0.15n=0.30n=0.50n=1.0-21×100.O00960.000480.O00280.00014-31×100.009650.004820.002890.00144-41×100.096450.048230.028940.01446-51×100.964510.482250.289350.14468-61×109.645064.822532.893521.44676-7l×1096.4506148.2253128.9351814.46759从表2-4可以看出：(1)测压管的开孔率与滞后时间呈反比．因此应尽量增大开孔率。对于混凝土坝，原则上应取消进水段的花管，使进水段开孔率达到100％，即n=1。(2)为了防止进水段淤堵，一般土石坝均需设花管，外包扎足以防止土颗粒进入管内的无纺土工织物，这对于强透水地基或砂砾料填筑区，观测效果基本不受影响，但也应尽量增大开孔率。-4而对于渗透系数小于10cm/s的粘壤土，则难以测出真实的渗水压力，且取消花管又可能造成淤堵。在这种情况下，建议采用渗压计进行观测。5．观测仪器当为无压孔时，可选用与上述表2-1相应的电测水位计进行观测。(二)渗压计1．设置要求-4渗压计适用于作用水头大于20m的坝、渗透系数小于10cm/s的土中、观测不稳定渗流过程及不适宜埋设测压管的部位，如铺盖或斜墙底部、接触面等。2．安装埋设12 (1)挖坑埋设时。在填筑高程超出测点0.3m时，开挖长、宽、深分别为30、30、40cm的坑，将已浸水饱和装入铜砂网袋内的仪器放入坑中，回填原开挖土料，人工夯实，上部填土保护厚度为1m。(2)钻孔埋设时。孔径按孔中安装仪器数量而定，一般为Φ108～146mm，成孔后在仪器上、下各回填中粗砂30～40cm，其上按设计充填封孔材料阻水并分段捣实。3．传感器可选用与上述表2-2中相应的渗压计进行安装和观测。§2-4孔隙压力一、监测部位(一)观测目的观测目的是为了掌握饱和土及饱和度大于95％的非饱和粘性土在固结过程中产生的孔隙水压力的分布和消散情况。(二)观测部位在均质土坝、冲填坝、尾矿坝、松软坝基、土石坝土质防渗体、砂壳等土体内需进行孔隙水压力观测。二、监测布置(一)观测断面宜布设于最大坝高、合龙段、坝基地形地质条件复杂处，并尽量与变形、土压力观测断面相结合，同时最好能与上述渗流压力观测互相兼顾。一般设置1～2个观测横断面。(二)观测点观测点布设以能测绘孔隙水压力等值线为原则。在每个横断面上，可分布在3～4个高程上，每个高程不少于3个测点，一般在坝轴线附近应布设测点，如图2-6所示。对宽心墙坝宜在心墙轴线及其两侧不同填筑材料(反滤料)交界处布置测点。在测点附近有代表性的部位，一般应适当取样，进行土的干密度、级配等物理试验，必要时尚应进行有关土的力学性质试验。13 三、观测设备同本章第二节渗流压力中埋设渗压计进行观测。§2-5绕坝渗流一、监测部位包括土石坝及混凝土坝的两岸坝肩及部分山体，土石坝与岸坡或混凝土建筑物接触面，以及伸入两岸山体的防渗齿墙或灌浆帷幕与两岸结合处等关键部位。二、监测布置(一)观测断面(1)在大坝两端沿流线方向或渗流较集中的透水层(带)各设1～2个观测断面。每个断面上设3～4条观测垂线。(2)在土石坝与混凝土建筑物接触面上布设1个断面，2～3条观测垂线。(3)在下游河槽两侧阶地中的绕流区，沿主流线方向每侧可增设1个观测断面。(二)观测点(1)在大坝两岸每个观测垂线的钻孔中设1～2个观测点，如需分层观测应做好层间止水。(2)在土石坝与刚性建筑物结合部位观测垂线上的不同高程布设1～2个测点。(3)在岸坡防渗齿槽或灌浆帷幕的下游侧布设1个观测点，必要时上游侧可增设1个观测点。若有断层通过两岸山体，可沿断层方向的断层内布设测点。(4)对于层状渗流，可利用不同高程上的平洞布设测点。无平洞时，应分别钻孔至各层透水带布设测点。14 三、观测设备(一)测压管1．设置要求绕流测压管的深度，一般应深入死水位以下。当观测自由水面时应根据地下水补给条件确定，但至少应深入到筑坝前的地下水位以下。对于观测不同透水层内渗水压力的测压管，应深入到各层的中间。2．安装埋设绕坝渗流测压管的安装方法根据地质情况决定，若为岩基时，按上述扬压力测压管安装，若为土基时则按上述渗流压力测压管安装。设计时应注意测压管进水段长度包括全部未封堵段。进水段一般长1～2m，当用于点压力观测时，应小于0.5m。但实际上大多数工程都远远超过此规定。例如，江西省某水库土坝测压管进水段最长的达51.0m，孔口封堵段仅2.0m，该省另一水库土坝的9根测压管进水段都占管全长的80％以上，最长的达21.5m；云南省某混凝土浆砌石坝，坝高为87.0m，其绕坝渗流测压管的设计情况列入表2-5。表中高程为实际高程减去1900m。表2-5某混凝土浆砌石坝绕坝渗流测压管设计情况(单位：m)测管号管口高程管底高程测管长花管长进水段长l89.00248.0041.00210.038.002289.69048.0041.69010.038.690389.35848.0041.35810.038.358488.97349.0039.97310.036.973571.47352.9018.5735.015.573688.54449.5039.04410.O36.044788.70748.5040.20710.037.207888.00848.0040.00810.037.008987.99248.0039.99210.036.9921055.28838.0017.2885.014.288从表2-5可以看出：(1)进水段长度为14.288～38.690m，造成进水段过长的原因是花管段和未封堵段均过长。施工时仅在孔口3.0m范围内的测压管与孔壁之间采用砂浆封堵，由于钻孔孔身裸露，容易造成测值异常，甚至测值可能是地下水，而不是绕坝渗流。15 (2)对于进水段过长的土坝测压管，当坝体成层填筑为非均质坝时，其等势线并不垂直，进水段要穿过几条等势线，测值为其平均值，很难说明分层渗流情况；即使对均质土坝和绕坝渗流，测值也为进水段的平均值，也难说明问题。另外由于孔口封堵段过短，可能产生裂缝或渗水通道，使雨水和地面水渗入孔内，从而造成测值失真。3．观测仪器可选用与表2-1相应的电测水位计进行观测。(二)渗压计1．设置要求除水管式渗压计外，其他型式的渗压计都可直接布设在测点部位应用于绕坝渗流的人工或自动化观测。但应注意选用量程和分辨率等性能适合的仪器。2．安装埋设绕坝渗流渗压计的安装方法根据地质条件决定，若为岩基时，按本章第一节、三、(二)、2、(2)中要求先钻孔至孔底高程再按安装在基岩内部时的扬压力仪器进行；若为土基时，则按本章第二节三、(二)、2、(2)中钻孔埋设时的渗流压力仪器进行安装。3．传感器可选用与表2-2相应的渗压计进行安装和观测。§2-6地下水位一、监测部位(一)近坝区岩体对近坝区的滑坡体、高边坡及对坝肩或坝基稳定有重大影响的地质构造带宜进行地下水位观测。(二)地下建筑物对隧洞、地下厂房(包括地下泵站)、调压室及泄水孔等可进行外水压力观测。二、监测布置(一)近坝区岩体1．滑坡体已查明有滑动面者，宜沿滑动面的倾斜方向或地下水的渗流方向布置1～216 个观测断面，地下水位观测点底部高程应在滑动面以下lm，并尽量利用地质勘探孔作为观测点。若滑坡体内有隔水昔层时，应分层布置观测点同时应做好层间止水。2．高边坡对未查明滑动面的高边坡，应分析可能的滑动面，观测点应贯穿可能滑动面钻孔布设，也可利用勘探平洞或专设平洞布设观测点。若有地下水露头时，可布置浅孔观测，以监测表层水的流向稀变化。但孔深不得穿透含水层的底板。3．地质构造带沿渗流方向通过构造带至少布置1个断面，也可利用通过构造带的平洞布置测点。(二)地下建筑物1．隧洞测点宜布设在岩石渗透性较大、地下水位较高、断层与节理发育、灌浆吃浆量较大的地段。一般将渗压计布设在隧洞衬砌与围岩交界面上，可布设在隧洞两侧，也可布设在洞顶或洞底。2．地下厂房包括地下泵站。一般布设在厂房顶拱或上、下游侧岩体表面的钻孔内。3．泄水底孔包括埋涵及高压管道。在钢管与混凝土衬砌之间及衬砌与围岩之间均布置渗压计，观测外水压力及内水外渗情况，每个断面可布设1～3个测点。三、观测设备(一)测压管观测地下水位的测压管，可根据现场地质情况，分别按照上述几种测压管进行加工和安装。其进水段长度，可根据工程地质和水文地质条件确定。(二)观测仪器1．电测仪器采用电测水位计观测时与上述要求相同。采用渗压计进行观测时，除采用砂包过滤体将仪器固定在观测点上以外，对于表面测点也可将仪器直接安装在钻孔内，如图2-1。17 2．压力表对地下建筑物的外水压力，可在岩体表面钻孔，采用压力表进行观测，如图2-7。为了观测到最大压力，除采用渗压计自动观测外，也可采用最大压力表。§2-7渗流量一、布置要求(一)观测内容渗流量观测包括渗漏水的总流量、分区流量及其水质监测。其中水质监测又包括渗漏水的温度、pH值、电导率、透明度、溶解氧等水质的物理和化学指标。(二)观测部位根据坝型和地质条件、渗水出流和汇集条件及所采用的观测方法等确定观测部位。对坝体、坝基、绕渗及导渗(包括土坝减压井和减压沟)的渗流量，应分区分段进行观测。所有集水和量水设施，设计时应避免客水干扰。二、监测布置(一)下游渗流量当土坝下游有渗漏水出逸时，一般在下游坝趾附近能汇集渗流的地方设导渗沟(可分区分段设置)，在导渗沟的出口处布置量水堰，如在导渗沟后接有排水沟，也可设在排水沟内观测出逸(明流)总渗流量。若在下游坝趾附近设置量水堰，还应在坝面及两岸设置排水沟，以减少地面径流的影响。此时可将坝基内向下游排泄的水量(潜流)视为常数。(二)分区渗流量1．混凝土坝渗流量分区时，可按不同地段进行设计，如按河床坝段、边坡坝段、电站坝段、溢流坝段等进行分区观测渗流量。2．土坝将各分区间用横向不透水隔墙将各段分开。在各分区心墙或斜墙下游的基槽内铺设排水管，分别将各区渗流量引向设在下游坝趾的观测房内。排水管的直径及进水段花管的长度应根据设计计算的渗流18 量而定，以排水管内是无压流为条件。3．面板堆石坝可在防渗面板背面汇集或分区汇集透过防渗面板的水，并引至下游或检查廊道内进行观测。此外，在心墙或下游基槽的下游侧，可视需要设置纵向不透水隔墙，墙顶略高于下游最高水位，以避免下游回水的影响。(三)廊道渗流量对设有检查廊道的混凝土坝、心墙坝、斜墙坝、面板堆石坝等，可在廊道内分区、分段设置量水堰，进行观测。(四)坡降法渗流量当透水层深厚、地下水位低于地面时，可在坝基河床中顺水流方向布设渗压计或测压管测点，两测点问距10～20m，其中一测点布设在下游坝趾处，通过观测坝基地下水渗流坡降结合坝基河床过水断面积及透水层渗透系数计算出渗流量。在垂直水流方向，可根据控制过水断面及其渗透系数的需要布置适当排数。(五)减压井渗流量尽量进行单井流量、井组流量和总汇流量的观测。必要时每年汛后可量测减压井淤积量并对淤积物进行颗粒分析。三、观测设备(一)观测方法(1)当流量小于1L/s时采用容积法。(2)当流量在1～300L/S之间时采用量水堰法。(3)当流量大于300L/s或受落差限制不能设量水堰时，应将渗流水引入排水沟中，采用流速仪法。(4)流量计法。(二)量水堰的设置(1)应布设在排水沟直线段的堰槽段。该段采用矩形断面，两侧墙应平行和铅直，槽底和侧墙应加砌护，不漏水，不受其他因素干扰。(2)堰板应与堰槽两侧墙和水流方向垂直，要平整和水平，水流与堰口接触为一直线。19 (3)堰口水流形态必须为自由式出流。(4)测读设备设在堰口上游3～5倍堰上水头处，其零点与堰口高差不得大于lmm。0(5)各种量水堰的堰板宜采用不锈钢板制做，过水堰口下游宜成45斜角。上游侧边缘不允许磨圆或倒角。(三)量水堰结构1．三角堰过水断面为等腰直角三角形，底角为直角，如图2-8。三角堰一般适用于渗流量小于70L/s时采用，堰上水深一般不超过0.35m，最小不少于0.05m。其标准结构及安装尺寸列于表2-6。表2-6直角三角堰标准尺寸最大堰上水深堰口深堰坎高堰板高堰肩宽堰口宽堰板宽流量范围编号H(cm)h(cm)P(cm)D(cm)T(cm)b(cm)L(cm)(L/s)l222722492254980.8～3222732275927641180.8～5332934296329681260.8～6443540357535801500.8～1012．梯形堰过水断面为梯形，常用边坡为l：0.25，如图2-9。梯形堰堰口应严格保持20 水平，堰板顶部两侧高差不大于堰宽的1/500，底宽b不宜大于3倍堰上水头，最大过水深一般不超过0.3m。梯形堰适用于渗流量为10～300L/s的情况，其标准结构及安装尺寸列入表2-7。3．矩形堰适用于渗流量大于50L/s时采用。分以下两种，如图2-10。(1)有侧向收缩矩形堰。其堰前每侧收缩T至少应等于2倍最大堰上水头，即T≥2H，堰后每侧收缩E至少应等于最大堰上水头，即E≥H。maxmax(2)无侧向收缩矩形堰。堰口宽B一般为2～5倍堰上水头，并在0.25～2m范围内。在堰后水舌下部两侧壁上应设通气孔。表2-7梯形量水堰标准尺寸(边坡1：0.25)编堰坎宽堰口宽堰上水深堰口深堰坎高堰板高堰肩宽堰板宽流量范围号b(cm)B(cm)H(cm)h(cm)P(cm)D(cm)T(cm)L(cm)(L/s)12531.68.313.38.321.68.348.20.5～11.525060.816.621.616.638.216.694.00.9～65.237590.025.O30.025.O55.025.0140.01.4～174.44100119.133.338.333.371.633.3185.71.9～360.821 (四)安装要求(1)量水堰堰槽段全长应大于7倍堰上水头，但不小于2m。其中堰板上游段应大于5倍堰上水头,且不小于1.5m，下游段应大于2倍堰上水头且不小于0.5m。(2)堰板为平面，局部不平处不大于±3mm，堰口局部不平处不大于±1mm。堰板顶部水平，两侧高差不得大于堰宽的1/500。直角三角堰的直角误差不大于03′′。(3)堰板和侧墙要垂直，倾斜度不大于1/200，侧墙局部不平不大于±5mm，堰板与侧墙间的垂直误差不大于03′′，侧墙局部间距误差小于±l0mm。(4)建议设计时，可采用活动堰板，以便根据现场流量情况，更换不同型号的堰板。(五)观测仪器1．量水堰(1)人工观测。人工观测时宜采用带游标的水位测针，测针刻度分辨率不大于0.1mm，水位读数应精确至0.1mm，两次读数之差不大于0.1mm。临时观测时，也可采用水尺，水尺刻度、最小读数及两次读数之差均不得大于lmm。(2)电测仪器。可采用小量程的电测传感器或渗压计观测堰上水头，其最小读数和两次读数之差均不得大于0.1mm。22 2．容积法将渗流量引入容器内，充水时间不得小于l0s，两次测值之差不得大于平均值的5％。3．流量计将渗水引入流量计，直接测读渗流量。如将渗漏水引入管道，则可在管口出流处设置管口流量计，可分为翻斗式、量标式及涡轮式3种，后者精度较高，美国生产的管口涡轮转速式流量计精度为1％，适用于流量不小于0.05L/min的情况。§2-8水质监测一、布置要求(一)监测内容主要包括物理指标和化学指标两部分。其中物理指标有：渗漏水的温度、pH值、电导率、透明度、颜色、悬浮物、矿化度等；化学指标有：总磷、总氮、硝酸盐、高锰酸盐、溶解氧、生化需氧量、有机金属化合物等。(二)监测部位人工采集水样及自动化监测部位，均应在相对固定的水库及渗流出口、观测孔或堰口进行。二、水质分析（一）物理分析一般仅限于物理分析，主要分析物理指标，若发现有析出物或有侵蚀性的水流出等问题时，则应进行化学分析。在进行渗漏水质分析时应同时作水库水质分析，以资对比，从而监测影响大坝安全的坝基、坝肩岩土、灌浆帷幕及坝体材料的溶蚀和冲蚀情况断是否形成新的渗漏通道。(二)化学分析化学分析时，主要增加有机污染物的化学指标分析，同时也可了解水库富营养化程度，此项目工作一般需在采取水样后在实验室内进行分析。具体检验方法可参见有关规范。三、观测设备(一)水温计23 水温计可采用便携式仪器在固定测点观测，也可固定安装在测点处并进行自0动记录。水温计必须经过检验，精度在±0．1～0．2C以内，除固定安装的仪器外，需将传感器放入测点5min后再进行读数。采用的传感器主要有深水温度计、半导体温度计及电阻温度计等。(二)pH计水的酸碱度以pH值表示，当pH<7为酸性，pH=7为中性，pH>7为碱性，一般用玻璃电极法测定，用氢离子浓度倒数的常对数表示。玻璃电极法是在水中放入玻璃电极和比较电极，用便携式pH计测量两电极间电位差，读出pH值，精度在±0.01以内。(三)电导率计电导率表示水的含盐量，一般用便携式电导率计测量。考虑到水温的变化与00电导率呈正比，其值约为0.02/C，通常规定25C为测定电导率的标准温度，因此最好使用有温度补偿回路的仪器，仪器的最小读数不大于±0.01μs/cm。一般河水的电导率越大表明水质越差。(四)透明度计现场观测用的透明度计底部固定一个类似铅鱼的重物，将仪器缓缓放入水中，直至沿仪器杆往水中看不见仪器的白色圆板为止，读出杆上的临界深度(cm)，再将仪器缓缓上提至重见白色圆板的深度，两次读数之差不大于±lcm，取平均值为透明度，并可据此换算成浑浊度。(五)自动水质监测仪利用水质监测仪可同时自动监测水温、酸碱度、电导率、浑浊度、溶解氧等指标，可通过电话线将其数据适时传输到管理中心计算机，从而建立一个直观、快捷、可靠的水质信息系统。一般情况下，上述在线监测的水质参数，基本上可以满足大坝安全监测的要求。目前美国、英国、澳大利亚等国都有仪器产品，可进行技术经济比较后选用。24 第四章应力监测§4-1混凝土应力及应变一、布置要求(1)根据坝型、结构特点、应力状况及分层分块的施工情况，合理地布置测点，使观测成果能反映关键部位结构应力分布及最大应力的大小和方向，以便和计算成果及模型试验成果进行对比以及与其他观测资料综合分析。(2)测点的应变计支数和方向根据应力状态而定，空间应力状态宜布置7～9向应变计，平面应力状态宜布置4～5向应变计，主应力方向明确的部位可布置1～3向应变计。(3)除每一应变计组附近均需布置相应的无应力计外，建议单独布设无应力计，直接观测自由体积应变，即将混凝土自由体积应变作为独立监测内容。(4)坝体受压部位可布置压应力计，以便与应变计相互验证，压应力计和其他仪器之间应保持0.6～1.0m的距离。(5)应力、应变及温度监测应与变形和渗流监测结合布置，布置应力、应变监测项目时，宜对所采用的混凝土进行力学、热学及徐变等性能试验。二、重力坝(1)设计时先根据坝高、结构特点及地质条件选择关键的有代表性的部位作为重点观测基面(坝段)。(2)在重点观测坝段(基面)上选择1个水平观测截面，该截面宜靠近坝基且距坝底5m以上，必要时可在混凝土与基岩结合面附近布设适量观测点。(3)观测点应布设在观测截面中心线上，纵缝两侧宜布设对应的测点。通仓浇筑的坝体，其观测截面上一般布置3～5个测点。(4)坝踵和坝趾应加强观测。除布置应力、应变测点外，还应配合布置其他变形和渗流监测仪器。表面应力梯度较大时，可在距坝面不同距离处布置测点，表面测点可布置l～3向应变计，离表面距离不小于20cm。(5)观测坝体应力的应变计组与上、下游坝面的距离宜大于1.5m(在严寒地区还应大于冰冻深度)，但表面测点可不受此限制。纵缝附近的测点宜距纵缝1～1 1．5m。(6)边坡陡峻的岸坡坝段，宜根据设计计算及试验的应力状态按实际需要适当布设应力、应变测点。三、拱坝(1)根据拱坝坝高、体形、坝体结构及地质条件，可在拱冠、拱座处选择观测基面(断面)l～3个，在不同高程上选择水平观测截面3～5个。(2)在薄拱坝的观测截面上，靠上、下游坝面附近应各布置1个测点，应变计组的主平面应平行于坝面。(3)在厚拱坝或重力拱坝的观测截面上，应布置2～3个测点，当设有纵缝时，测点可多于3个。(4)观测截面应力分布的应变计组距坝面不小于lm(浆砌石坝可不小于0.6m)。底部测点高程距离基岩开挖面应大于3m。必要时可在混凝土与基岩结合面附近布置适量测点。(5)拱座附近的应变计组数量和方向以满足观测平行拱岩面的剪应力和拱推力的需要为原则。在拱推力方向还可布应力计。(6)坝踵、坝趾及表面应力和应变监测的设计要求与重力同。腹拱坝观测点主要布置在上游坝踵、腹拱周边拉应力区及压应力集中区。四、支墩坝(1)支墩坝重点观测坝段、观测截面和测点布设可参照重力坝进行设计。(2)支墩坝挡水部分(支墩头部)的应力和应变监测是重点观测部位，应适当加强。测点的具体位置和数量可结合应力计算和试验成果确定。五、面板坝(1)面板混凝土应力及应变测点按面板条块布置，并宜布置于面板条块的中心线上。设置测点的面板条块一般1～3个，其中1个应为面板中部最长的条块。(2)无应力计测点，应与应变测点高程相对应。当坝顶较长或各面板条块混凝土性质不同时，可适当增加布置无应力计测点的面板条块。(3)各测点的应变监测仪器应成组布置，并位于与面板平面平行的同一平面内。一般布置2向应变计，其中一个顺坡方向，另一个呈水平方向，二者夹角为090。2 §4-2岩体应力及应变一、布置要求(1)根据大坝或地下工程基岩及围岩力学性质和结构情况合理布置测点，以便掌握岩体变形、应变和应力的变化规律和发展趋势。(2)了解坝肩岩体及洞室围岩的变形情况，掌握有无沿深层特定结构面发生滑移的迹象，要重视拱坝坝肩岩体应力及左右岸应变差异的观测。(3)观测近坝区岩体及高边坡和消能区山体的稳定状态，包括裂缝、压缩、剪切应变的发展情况。(4)观测坝基、坝肩和洞室围岩经锚固、洞塞、混凝土置换等基础处理结构的应力、应变状态，以了解处理效果。二、坝基和坝肩(1)重点观测断面宜结合混凝土应力和应变观测断面布置，对地质条件复杂和基岩软弱破碎经工程处理的部位要加强观测。(2)测点布置对重力坝重点是靠上下游坝踵和坝趾部位，对拱坝重点是靠两岸坝肩部位。(3)布设岩体表面应变测点时可采用基岩应变计或三向位移计。基岩应变计的标距长度应为1～2m，可按l～3向成组布设，同时还应布设相应的基岩无应力计。(4)布设岩体深层应变测点时，可采用多点位移计或滑动测微计。后者可观-6测钻孔内两球形标之间每间隔1m的相对变形，精度为±0.03mm(即±3×10)，从而可测出沿钻孔的应变分布，或称为“线法观测”(5)观测的岩体应变如计算应力时，应确定岩石界质的弹性模量和泊松比，除室内试验外，可采用铅孔弹模仪等现场测定。当受压条件明确时，如拱坝推力，可布设直接观测压应力的压应力计。三、近坝区岩体(1)布设近坝区的高边坡及滑坡体应变测点时，可采用多点位移计，其锚固点位置应根据位移变化梯度布置，梯度大的部位要适当加密。锚固点不应布置在岩体的不连续面上，要在不连续面两侧各设一个锚固点，最深一个锚固点宜布置在变形可忽略不计处,此外也可采用上述钻孔测斜仪或滑动测微计。3 (2)布设浅层岩体应变测点时，可采用岩石变形计或三向位移计，该仪器可观测岩石变形量，也可换算岩石的应变或应力。(3)布设近坝区岩体和滑坡体深层地应力测点时，可采用应力解除法，布设三向钻孔变形计或三向岩石应力盒。(4)当采用锚杆或预应力锚杆(锚索)加固岩体时，可布设锚杆应力计或锚索测力计进行监测。四、地下洞室(1)根据洞室结构和地质条件选择典型的有代表性的危及工程安全的地段桩号作为重点(永久)观测断面。必要时可选择部分临时观测断面。断面和测站位置要慎重选择并尽量缩短引出电缆的长度。(2)布设观测洞室中开挖过程岩体稳定与松弛情况及喷锚加固长期效果的观测点可采用多点位移计。布设观测地下洞室开挖过程中及运行期内岩体或结构物的相对变形，提供地下洞室净空断面内各个方向收敛值的观测点可采用收敛计或三向位移计。(3)布设地下洞室开挖后，围岩与喷混凝土之间周边缝的接触应力以及衬砌与喷混凝土之间周围压应力分布的测点，为支护设计和稳定监测提供依据，可采用压应力计。(4)布设洞室支护锚杆应力测点时，可采用锚杆测力计，一般布设在洞顶及两侧。当采用锚索预应力加固岩体时，可采用锚索测力计或锚索荷重计观测预应力的变化情况。§4-3钢材应力及应变一、钢筋(1)在水工建筑物的底孔、廊道、闸墩、隧洞、管道、厂房等钢筋混凝土结构内，宜根据工程需要布设适量的钢筋应力观测断面，每个断面一般需布设3～5个观测点，并应布设相应的钢筋无应力计。钢筋应力通常是测量应变求得的。(2)布设的钢筋计应焊接在同一直径的受力钢筋的轴线上，焊接方式可采用对焊、坡口焊或溶槽焊，但不得采用帮焊。(3)受力钢筋之间的绑扎接头应距仪器1.5m以上。当钢筋为弧形时，其曲率半径应大于2m，并需保证钢筋计中安装传感器的钢套部分不受弯曲。4 (4)布设面板坝面板的钢筋应力测点时，宜在面板条块预计拉应力区的顺面板坡方向布置钢筋计，并应考虑与应变计适当结合。二、钢板(1)对于影响工程运行安全的重要的钢管、蜗壳等结构，宜布没钢板应力观测断面。(2)在钢管观测断面上一般至少布置3～4个测点，在蜗壳或其他水工钢结构上可根据应力分布特点布设观测点。(3)每一测点均应布设环向(切向)仪器，并适量布设相应的轴向(纵向)仪器，测点处钢板的曲率半径不宜小于1m。(4)钢板计采用夹具固定在钢板上，焊接夹具时宜采用仪器模具定位,如图4-1所示。夹具及仪器表面应涂沥青。如采用大应变计，则夹具尺寸相应放大。(5)钢板计可不专设无应力计，但在计算时应考虑钢材温度崩胀系数的影响，也可以说钢板无应力计应变等于钢板温度膨胀系数产生的应变。§4-4自由体积应变一、混凝土无应力计(1)混凝土自由体积应变包括温度变形、湿度变形和自生变形3部分，通常是采用无应力计进行观测的。其结构设计如图4-2所示。图中括号内尺寸适用于非大体积混凝土或钢筋混凝土，但应采用小应变计。(2)无应力计与应变计组结合布设时，他们之间的中心距离一般为1.5m。无应力计筒内的混凝土与相应应变计组处施工时采厢的混凝土性质相同，其湿度和5 温度条件也应相同。(3)无应力计的筒口宜向上布设，但当测点温度梯度较大时，则应将无应力计的轴线设计成与等温面正交。(4)有条件时可选择有代表性的靠近结构物自由表面不受外荷载作用处布设2向或3向应变计组，其垂直表面仪器的观测结果在扣除泊松比影响后，可作为自由体积应变与相应无应力计的观测结果进行校核。(5)面板坝的无应力计采用图4-2中括号内的尺寸进行设计，此时在保证无应力计周围混凝土与面板相同情况下，可将无应力计布设在紧靠面板底部的堆石体内。如果面板较厚、尺寸允许，也可将无应力计布设在面板中部。二、岩体无应力计(1)在进行岩体应力和应变观测时，应布设岩石无应力计，如图4-3所示。在靠近岩石表面钻成环形槽，以便与周围介质受力条件隔开，中心钻孔安装岩石应变计。(2)必要时可在测点附近选取性质相同的岩体钻取试样，在室内进行试验，测取岩石温度膨胀系数等力学参数。三、钢筋无应力计(1)在布设钢筋应力计时，应布设相应的混凝土无应力计，作为钢筋无应力计使6 用，其型式可按图4-2括号内数字进行设计碉加工，以便于对钢筋计的观测值进行分析计算。(2)如果在布设钢筋计处同时布设有混凝土应变计组的无应力计时，则可以借用该无应力计的测值，而不必另行布设，也就是说在钢筋混凝土结构中当相近部位的钢筋计和混凝土应变计的混凝土性质相同时，可共用一支无应力计。§4-5土压力一、坝内土压力(一)监测内容(1)土压力(应力)观测包括土与堆石体的总应力(即总土压力)、垂直土压力、水平土压力及大、小主应力等的观测。(2)土壤或堆石体的大、小主应力，通过采用不同埋设方向的土压计组的观测结果间接确定。(二)监测布置1．观测断面根据坝体结构、地质条件等因素确定，一般大型工程可布设1个观测横断面(基面)，特别重要的工程或坝轴线呈曲线的工程，经沦证有必要时可增设1个观测横断面。观测断面的位置应与坝内孔隙水压力、变形观测断面相结合。2．观测点土压力观测断面上，一般可布设2～3个高程的观测截面，如焉从总压力推求有效应力，则在测点处应同时布设渗压计，同一测点内各观测仪器之间的距离约为lm。3．观测仪器观测截面内每一测点处观测仪器的布设应根据实际情况而定。当观测垂直或水平土压力时可布置相应方向的单支土压计，当观测主应力大、小和剪应力时，土压计应成组布设，每组不少于3个。由于坝内土压力监测技术尚不够成熟，不宜大量布置仪器。(三)观测试验一般在土压力测点附近应适当取土样，进行干密度、级配等土的物理性质试验，必要时尚应适当取样进行有关土的力学性质试验。7 二、接触土压力(一)监测内容接触土压力监测包括土和堆石体等与混凝土、岩石或圬工建筑物接触面上(边界)的土压力观测，以及混凝土坝上游淤沙压力观测。采用的仪器为边界式土压计。对于混凝土与岩体接触面上的压力，则应属于混凝土压应力观测，而不应作为接触土压力观测。(二)监测布置1．观测断面一般选择在土压力最大、受力情况复杂、工程地质条件差或结构薄弱等部位，布置1～3个观测断面。2．观测点接触土压力的观测点沿刚性界面布置，可分以下几种情况：(1)挡土建筑物。在每个观测断面上沿墙的高度布设3～4个测点，在1/2墙高以下布置密些，上部可稀一些。观测坝前淤沙压力时，测点布置在死水位以下。(2)建筑物基础。在每个观测截面上布设3～5个观测点，可在截面中心和上、下游各布设1个测点。(3)坝内输水涵管。观测断面宜选择在最大坝高处及管长的3/4处。在每个断面的涵管外壁上对称布设3～4个观测点。(4)混凝土防渗墙。在观测断面上沿深度布设3～5个观测点，位置宜上密下疏。§4-6温度一、布置要求(1)温度监测坝段应布设在监测系统的重点坝段。其测点分布应根据建筑物结构特点及施工方法而定。(2)温度测点位置应考虑结构温度场的状态，在温度梯度较大的部位，如坝面或孔口附近的测点宜适当加密。(3)坝体、坝面、基岩等各种温度应结合布设。如有能兼测温度的其他测点，8 则不应在该测点处再另设温度测点。二、坝体(一)重力坝和宽缝重力坝(1)在重力坝观测坝段的中心基面上宜大致按网格法布置温度测点，网格间距一般为10～20m，上密下疏，以能绘出坝体等温线为原则。(2)宽缝重力坝和重力坝引水坝段的测点布置应顾及空间温度场观测的需要。考虑到坝段两宽缝间温度对称分布，一般仅在一边布置温度测点即可。(二)拱坝和腹拱坝(1)在拱坝观测基面，根据坝高不同可布设3～5个观测截面，在截面和基面中心的每一条交线上，至少布置3个测点。在拱坝的应力观测截面上，可增设必要的测点。左右拱端可适当布置测点，以观测不同方向热辐射的影响。(2)腹拱坝的温度测点，除按重力坝要求外，在腹拱周边宜适当增加观测点。(三)支墩坝(1)在支墩坝观测坝段不同高程的3～5个截面上布置测点。上游挡水部位宜适当增加测点。(2)当支墩空腔下游封闭时，可在不同高程适当布置观测空腔内部温度的测点。三、坝面(一)上游坝面(1)在观测坝段距上游坝面5～l0cm的坝体混凝土内沿坝高布置测点，可兼作水库温度计，间距一般为1/10～1/15坝高。其中最上部的一个测点可兼作气温观测。死水位以下不受泄水影响的测点间距可适当加大。但多泥沙河流的库底水温多受异重流影响，则不宜加大测点间距。(2)对于土石坝可在坝前或泄水建筑物进口前20～50m设固定观测垂线，其测点至少应在水面以下20cm处、1/2水深处和接近库底处布设3个测点。当水深较大及水温急变区可适当增加测点。(二)下游坝面(1)一般布置在1/2坝高处的观测截面上，每个仪器的轴线应平行于坝面，距坝面0、10、20、40、60cm各设1个测点，但应注意按下游坝面的实际坡度换9 算成水平距离。如图4-4。(2)当拱坝两岸日照相差很大时，宜分别布设测点。(三)基岩(1)宜在温度观测坝段的底部，靠上、下游设置深入基岩5～lOm的钻孔。在孔内不同深度布设3～5个测点，其位置宜上密下疏，并用水泥砂浆回填孔洞。(2)测点位置一般距地面为0、1.5、3、5、10m。(3)对于浆砌石坝坝体表面附近的温度测点，宜在料石孔槽内埋设温度计。(四)空气(1)一般在坝区至少设一个气温测点。(2)气温测点处应设置百页箱，箱体离地面1.5m，箱内布设直读式温度计、最高最低温度计或自记温度计。必要时可增设干湿球温度计及冰情观测。§4-7地震一、监测布置(一)地震强震1．混凝土坝(1)重力坝可分别在溢流和非溢流坝段各选一个有代表性的观测坝段布设观测点。拱坝的观测断面宜选择在拱冠和拱座部位，以观测到最大地震反应为原则。(2)观测点一般布设在坝顶和坝基廊道内，必要时可在其间及其他薄弱部位增加测点。但对薄拱坝一般应在2/3坝高处增设测点。2．土石坝(1)土石坝观测断面宜选择在最大坝高或重点观测基面处及地质条件复杂部位。(2)测点一般布设在坝顶和坝趾部位，必要时可在半坝高处增设测点。10 3．附属建筑物大坝的主要附属建筑物如闸墩、进水塔、升船机等抗震的薄弱环节，也可布设少量测点。(二)动孔隙压力(1)动孔隙压力观测的重点部位是土石坝的砂壳底部、松软坝基和高含水量粘土宽心墙等。(2)观测布置可参照孔隙压力部分进行。但对于心墙砂壳坝靠近心墙的上游砂壳底部附近，以及有较大的砂透镜体或砂夹层的松软坝基，可适当增设观测点。(3)对混凝土坝可在上游面不同高程布设少量动孔隙压力计作为观测上下游方向地震动水压力的测点。二、观测设备(一)设置要求(1)对地震基本烈度7度及其以上地区的1、2级大坝，经论证有必要时可进行坝体地震反应监测。如果发现达到或超过设计标准的水库诱发地震时，应加强地震观测。(2)地震反应监测包括坝体地震强震和动孔隙压力观测两方面。为了解大坝的整体性状及各坝段间的相对运动，可选择部分坝段的坝顶增设地震测点。(3)强震观测的传感器与坝体要有良好接触，传感器的振动方向应与待测方向一致。为了排除坝体的库水反馈振动影响，取得坝体实际地震输入，在离坝址较远处基岩上的自由地表也应设置一个测点，其距大坝下游的距离以坝高的2倍为宜。(二)测震系统(1)测震系统包括传感器、放大器和记录器3部分(包括触发、启动、时钟、电源等记录服务系统)。对于地震强震观测一般采用的传感器为数字式强震仪，观测物理量为加速度，重要测点采用三分量强震仪，一般测点可采用顺水流方向的横向或沿坝轴线方向的纵向单分量强震仪。(2)数字式强震仪采用数字式磁带记录，这种仪器采用了计算机的存储器，加进了绝对时标，便于多台记录进行相位对比，数据处理速度快，精度高，还可兼作结构振动观测使用。(3)对于动孔隙压力观测，一般采用动孔隙压力计或渗压计及其配套使用的11 放大器，记录可采用数据采集器或其他放大和记录装置。12 第五章水文及水力学监测§5-1水位一、监测布置(一)上游水位(1)一般在坝前设置一个观测点。水面广阔或形状特殊的水库，可在库区不同部位设置少数临时观测点。施工期也应布设上、下游水位的临时观测点。(2)上游水位测点宜布设在水面平稳、受风浪和泄流影响较小、便于安装和观测的稳定岸坡或永久建筑物上。(3)对输泄水建筑物的上游水位测点，可设置在引水管前池、渠首、堰前、闸墩侧壁等处。(二)下游水位(1)下游水位应布设在受泄流影响较小、水流平顺、便于安装和观测的部位，一般布设在各泄水建筑物泄流汇合处的下游不受水跃和回流影响的地点。(2)当下游河道无水时，可用河道中的地下水位代替，此时宜布设测压管、观测井或渗压计，并尽量与渗流监测相结合。(3)消力池下游的水位测点，宜布设在距离消力池末端不小于消能设备总长的3～5倍处。(三)观测要求(1)闸墩、消力池、泄洪工程进水渠的渠首及堰前水位，应观测时均水位。坝面波浪、水电站尾水波动、调压井、引水明渠和前池涌浪及船闸充水、泄水时应观测瞬时水位。(2)时均水位一般用布设水尺法观测。水尺有直立式、倾斜式、矮桩式和悬锤式，也可用自记水位计自动记录。瞬时水位一般用遥测水位计、渗压计或波浪仪器观测。二、观测设备(一)直立水尺(1)直立水尺一般有木质和搪瓷两种。木质水尺系用木板做成，宽约l0cm，13 厚2～3cm，长1～4m，水尺表面用红、白、蓝或红、黄、黑的彩色油漆画上小格，lcm为1格，每l0cm和每米处都注明数字。搪瓷水尺是长lm、宽约7cm的搪瓷铁片，面上是白底蓝条或白底红条，使用时将几节搪瓷铁片钉在木料等底板上。(2)直立水尺的安装是在岸边打桩，把水尺钉在桩上，一般采用的木桩直径是15～25cm，桩长2～4m，或者在岩石上钻孔，埋设钢桩或钢筋混凝土桩。要使水尺面对着库岸，水尺范围要超出最高和最低水位各0.5m。因此，往往是成组布设。相邻水尺间应有0.1～0．2m的重合，在风浪较大的地方重合部分可为0．3～0.4m。(3)对于上游混凝土坝面和岩石岸坡，可在便于观测处的混凝土或岩壁上直接刻绘水尺，整个水尺设置工作应在蓄水前完成。(二)倾斜水尺(1)倾斜水尺安装在库岸斜坡上。自上而下每隔适当距离用混凝土做成稳定的基础或打下钢桩，其上装置水尺。(2)水尺的刻度，先用水准测量标记出每米水位标记线的位置，再把相邻两条米标记线中间的距离分成100等分，然后用彩色油漆画上线条和记上数字。(三)悬锤水尺(1)悬锤水尺一般利用坚固库岸、桥梁或水工建筑物的岸壁设置，以带重锤的悬索(皮线或细钢丝绳等)测量水面距某一固定点的高差来计算水位。其优点是位置稳定，不会受到船筏、浮冰、洪水时漂浮物的碰撞，也可避免水草绕住尺桩抬高水位造成的影响，缺点是悬索长度会改变，在风大绳长时会影响读数的正确性。(2)在水尺架上装有滑轮和木板，木板上装有木质或搪瓷水尺板，绳索绕过滑轮上段引向水尺板并装有拉环作指标，下段沿滑轮伸向水面，末端挂以重锤。设计时要考虑好观测水位的变动范围。每次观测完毕后宜将重锤提起。为提高观测精度可采用电测锤。(四)浮筒水尺(1)浮筒水尺多安装在测井或测管内，用一根绳索绕过滑轮，一端悬挂浮筒，另一端悬挂平衡锤。绳索穿过支座，下垂到测井内，绳索多用钢带尺制成，尺上有尺寸标记。14 (2)安装时将钢带尺的零点标记对准滑轮旁固定指标上，即确定出相应水位高度，浮筒随水面升降而上下移动，因而指标处的读数在改变，只要将读数加一常数即得实际水位。(五)自记水位计(1)其特点是能自动地在方格纸上画出连续的水位过程线。(2)在水面上的浮子经过滑轮把水位升降变化传递到由钟表机械带动的转轴上，由画笔在转筒的方格纸上自动画出水位过程线。(六)遥测水位计(1)遥测水位计有电阻式、电感式、钢弦式、电机式等多种，设计时主要根据仪器观测精度、测量范围、长期稳定性、防水性能和传输距离等选用。若布设合适的渗压计或压力传感器，直接作为遥测水位计进行观测，是比较方便实用的。遥测水位计一般可利用便携式数字仪表测量或自动采集测量记录水位数据。(2)自动水位仪是一种高智能化的仪器，内部设有微处理器，能将被测物理量转换成数字信号，可长年自动监测江、海、湖、河及水库水位。特别是在汛期，可任意设定采样时间间隔，在无人值守情况下，昼夜连续自动打印记录水位值。(3)遥测和自动记录的接收仪表设置在观测站，将埋入地下或管路中的电缆与现场安装的传感器相连接，自动测量和处理计算水位数据，必要时可采用光纤、微波或卫星等方式远距离传输水位和雨量数据。§5-2降水一、监测布置(一)雨量站位置在坝区选择四周空旷、平坦，避开局部地形、地物影响的地方设置雨量站。一般情况下，四周障碍物与仪器的距离应超过障碍物的顶部与仪器管口高度差的2倍。(二)雨量站面积雨量站宜设置专用面积，布设一种仪器时，面积不小于4m×4m；布设两种仪器时，面积不小于4m×6m。周围还应设置栅栏，保护仪器设备。如图5—1所示。(三)泄洪雾化15 泄洪雾化属临时性监测，测点布置较多，可不受上述要求限制。一般在雾化强降水区布设电测雨量计，在弱降水区则布设人工雨量器。二、观测设备(一)雨量器(1)一般采用的仪器是20cm口径的雨量器。雨量器由雨量筒、储水瓶和量杯组成。(2)为防止雨水溅失，提高观测精度，雨量筒承雨的管口做成内直外斜的刀刃形，雨水直入器口后，由漏斗集中汇入储水瓶中。量杯是特制的玻璃杯，杯身有刻度，用以计量储水瓶中的雨量，小格表示0.1mm，大格表示1mm。(3)雨量器必须安装牢固，器口要求水平，离地面高度一般为70cm。(二)自记雨量计(1)自记雨量计是自动连续记录降雨液体的仪器，一般采用虹吸式自记雨量计。(2)当雨水进入承水器后，经小漏斗汇入浮子室中。浮子随雨水增多而升高，并带动自记笔，在附于自记钟上的记录纸上画出雨量曲线。(3)在浮子升到相当于10mm降水量高度时，雨水稍微高出虹吸管弯曲部分，虹吸管便立即发挥作用，将雨水自动排入储水瓶内，浮子随之降落至原来位置，自记笔也回落到零线上，以便再一次上升。(三)智能雨量计这是一种遥测和自动测报雨量计。1．国产仪器由3部分组成(1)传感器。由改进型翻斗式雨量计组成，分辨率为0.1mm和1mm。(2)采集器。完成雨量数据存储、误差修正、通讯等功能。存储的数据可由用户自备的微机采集，自动打印任意时段降雨量、起讫时间、计算日降雨量。(3)记录器。受采集器CPU控制，完成雨量参数模拟记录，可由用户决定是否选用。2．仪器的主要特点16 (1)使用方便、测量过程自动化。(2)可靠性高，数传仪与采集器互不影响，互为校核。(3)传感器采用双信号或三信号制，一个信号失误，不影响记录。(4)测量精度高。自动进行误差修正，全机密封防潮。3．主要技术指标(1)承水口径Φ200mm，雨强范围0～4mm/min。(2)记录周期3个月，编码器容量约5．3K。(3)测量精度≤±2％，工作温度0～50℃，湿度>95％。§5-3压强一、监测布置(一)布置要求(1)压强观测布置应根据泄水建筑物进出口水位差决定。当水位差超过80～100m时，应布设压强测点，其中包括时均压强、瞬时压强和脉动压强的观测。(2)布设测点时以能反映过水表面压强分布特征满足监测工程安全运行为原则。(二)观测点(1)泄水建筑物测点一般布设在闸孔中线、闸墩两侧和下游曲线段或不连续部位，如溢流坝的堰顶、坝下反弧及下切点附近以及相应位置的边墙等处。(2)对于过水边界不平顺及突变等部位，如平板闸门槽下游边壁、挑流鼻坎、消力墩侧壁等需布设测点。(3)有压管道进口顶部曲线段、渐变段、分岔段及局部不平整突体的下游边界上，宜根据需要布设测点。如为测取压力管道的沿程和局部水头损失，则应在管道突变位置的上、下游及均匀段分别布设测点。(三)观测站(1)观测站应尽量保持干燥、通风，室温基本稳定，并避免受建筑物或地基振动的影响。(2)电源应保持稳定，不受大功率电气设备影响及信号的干扰。(3)观测站应尽量靠近测点，交通方便，照明良好。二、观测设备17 (一)测压管(1)测压管的测压头表面应与壁面齐平，既要防止泥沙颗粒进入，也要防止进水孔口过大时引起水流漩涡使测压值失真。井式测压头可以避免这个缺点。测压管出口连接旁通管至观测地点，在旁通管的下部留有一定空间，可积有泥沙等物，以免堵塞旁通管。(2)进水孔口应与过水表面垂直，为避免周围突体干扰，突体在测点上游时，其高度应小于与进水口距离的1/50；突体在下游时，其高度应小于与进水口距离的1/10。(3)测压管安装好后，应进行编号，测定位置、高程，详细记录并绘入观测布置竣工图中。(二)测压计1．压力表压力表的精度不高，分辨率也较低，当压强较大且安装位置低于测压孔水位高程时可用。在导管与压力表的衔接部分应设有排气装置。2．比压计当测压计位置高出测压孔高程时，采用水银比压计观测比较方便．如图5—2。若采用比压计零点与测点A的高程差Z表示压强时，则按下式计算：式中：P/γ—A点的时均压强，m；γ、γ—汞及水的容重；Δh=h−h。AwHgw21(三)电测法1．传感器通常采用差动电阻式、应变片式、压阻式、振弦式及电感调频式等几种。实践证明，传感器的承压面积对脉动压强的量测结果有一定影响。为此，承压面的直径以小于4cm为宜。传感器测值可采用自动记录仪记录波动曲线。18 2．通用底座各种水力学电测仪器安装一般均采用通用底座，其结构如图5-3。通用底座和电缆采用预埋方式，传感器则待观测前再安装。埋设时应注意以下几点：(1)通用底座宜在建筑物施工期间进行埋设(也可采用预留二期混凝土槽)。应有专人负责，以保证质量。(2)电缆一般在施工时预埋在混凝土内，为便于更换也可先埋设电缆管或电缆槽。(3)通用底座应与建筑物表面齐平，埋设后要测定坐标和高程，底座应加盖板保护，电缆接头应防水。底座型式与尺寸应考虑一座多用的原则。(4)传感器及电缆在安装前应进行认真检验和检查，观测前应对观测系统进行现场标定。§5-4消能一、监测布置(一)观测内容(1)消能观测包括底流、面流以及挑流3类水流形态的测量和描述。19 (2)对底流消能观测的重点是水流从急流状态变化到缓流状态时水面产生水跃的水力现象。包括跃前及跃后水位、水面线、水跃形态和长度以及水跃平面流态和流速等。(3)对面流消能观测的重点是坝下水流流态及面流波。包括回流范围及回流中心、回流流向、淤积区、波动特性及岸边波浪爬高、波高沿程衰减过程及终点。(4)挑流消能观测的重点是挑流水舌和水垫消能及雾化。包括水舌出射角及入水角、水舌轨迹及挑距、冲坑、平面扩散度及碰撞流态、雾化范围和强度的测定。(二)观测点(1)底流消能测点布设位置以能观测出水流平面图和水跃剖面图为原则。(2)面流消能测点布设位置以能观测出水舌流态剖面图和水流平面图以及面流波的衰减图为原则。(3)挑流消能测点布设位置以能测出水舌轨迹图和水舌扩散平面图及雾化范围和降水强度等值线图为原则。二、观测设备(一)方格网法(1)在观测范围内的两岸侧墙上绘制方格坐标网，从消能建筑物起点开始向下游按桩号每隔lm绘一纵线，由消能设备的底板开始向上按高程每隔lm绘一横线并注明高程，如图5-4。网格线条宽3～5cm，用耐冲的白磁漆绘制，也可在施工期用白水泥浆制成，对于扩散和倾斜的边墙，可根据扩散角和倾斜角换算后绘制。(2)观测前要先绘制泄水建筑物的方格坐标图，比例可为1/100。观测时，按照水面在方格坐标图上的位置描绘在图纸上，此外还可把锯屑、稻壳、大红土、麦糠等漂浮物撒在水面上，根据漂流行迹，将水流平面形态及主流方向描绘在平面图上。20 (二)水尺组法(1)在观测范围内沿水流方向在两岸侧墙上设立一系列水尺，水尺位置根据可能发生的水跃和水面形态而定。(2)由于水跃区的水面波动较大且有表面掺气现象，水尺可用红、白、黑三色油漆绘制，宽度20cm，最小分格值为10cm一段，观测水尺读数即可描绘成图。(三)经纬仪交会法1．单向交会观测方法如图5-5，图中三向直角坐标的ox轴与建筑物边墙内表面重合，观测前先在挑射水流的一侧地面上作平行于ox轴的AB基线，并打上木桩，观测时将经纬仪置于B点，量取仪器高程，对中调平后视A点，固定下盘再瞄准射流轨迹上的某一点i，这时可以在经纬仪的水平度盘和垂直度盘读数中确定水平角β和垂直角α，依次瞄准射流轨迹上的若干点，就得到若干个β和α值，即可计算出挑流轨迹点的水平距离X和高程H。把这些点描绘起来，就得到射流y轨迹曲线。算式如下：式中：X—射流轨迹测点的水平挑射距离，m；H—射流轨迹测点的高程，m；y0a—B点至ox轴的距离，m；b—B点至ox轴的距离，m；α—垂直角，()；β—水0平角，()；H—经纬仪的仪0器高程，m。2．双向交会用两台经纬仪(或平板仪及六分仪)放置于岸边A、B两适当位置，以AB为基线，同步测出同一流体质点C的方向角0α和β(要求α和β>20)，两方向线的交会处即为该流体21 质点的坐标位置，如图5-6。跟踪某一质点标志(用水面浮标)，测定质点间隔△t时间的相应位置坐标，将各坐标点连成线即为该质点的迹线；在某一瞬问同步测得各质点位置坐标点的连线即为流线。(四)摄影法1．陆地摄影用两架同步立体摄影仪放置于岸边A、B处，C点为水面浮标，如图5-7。AO1和BO2分别为两摄影机的主光轴，它与基线AB的交角为直角，P1和P2分别为摄影机A和B的相片平面，它们分别垂直于各自的主光轴，O1C1和O2C2可以在立体坐标量测仪上测得，依次可算出∠OAC和∠OBC，由于主光轴的方向(即1122∠OAB和∠OBA)为已知，可求得∠CAB和∠CBA。对于ΔABC，由于AB为已12知，故可求出C的位置，同法可确定该水面浮标的另一位置。根据同一浮标连续两次摄影位置，可求得摄影间隔时间△t内浮标的行程S。从而可计算出平均流速：v=S/Δt2．航空摄影此法需投放浮筒等大型浮标，用飞机在空中拍摄浮标的移动位置。观测时可采用浮动标志移动法，即飞机在一定时间内自动开启摄影机快门，并要求每次摄影和前一次重合至少60％，这样不但可以定出浮标标志位置，而且可以求出标志移动的距离，得出流速和流向。另外还可以用摄像位移效果法，把水面浮标的两张立体相片，通过两次摄影交会，求出标志位置及位移距离，如图5-8。水流表面流速v可由下式求得：ΔHv′pv=H−ΔH22 式中：v′—飞机速度；H—飞机高度；△H—摄影位移效果的立体视差。p§5-5冲淤一、监测布置（一)观测断面1．库区通常在拦河坝前布设1个断面至入库口均匀布置若干个断面，断面方向一般与主河道基本垂直，在河道拐弯处可布置成辐射状，见图5-9。每个断面除两端各有1个断面桩外，还应在两端延长线上布设1个导标，以作断面测量时定向之用。导标一般用混凝土或钢轨制成，其高度为3～5m，结构型式见图5-10。2．河床水闸建筑物一般由上、下游护坦末端起分别向上、下游延伸相当于河道宽度的2～3倍距离内布置断面，上、下游各布设5～10个断面为宜。(二)测点定位1．缆索法对于库面较窄的河床式水库，流速在1～1.5m/s以内时，可采用缆索法决定测深点的位置，施测方便，成果可靠，即在两断面桩间固定一根钢丝索或大麻绳索，在缆索上根据测点位置设立标志，施测时测船沿缆索逐点进行，在邻近岸边测点时还应测量出最近岸边标志到水边的距离，如图5-1l。23 2．交会法当库面宽度大于150～200m，且流速大于1.5m/s时，可采用测角交会法决定测点位置，在适当位置布设两个控制点，各架设一部经纬仪或大平板仪，对各测点进行交会测量，如图5-12所示。分别测出测点与控制点之间的夹角α、β，即可计算出测点位置。实际观测时，必须使两部经纬仪的测角和测船上测深同时进行读数，为此，司镜者应用微动螺丝转动望远镜跟踪测船。此法除应用于测量横断面冲淤高程外，还可用于沿水流方向观测纵断面的水下地形。有条件时，可采用红外测距仪、激光测距仪或全球卫星定位系统(GPS)进行定位。二、监测方法监测方法见表5-1，可根据需要将其中两种方法结合使用。表5-1库区及河床变形监测方法部位方法说明断面测量法适用于狭长形库区的水库库区直接测量法适用于水深不大的水库地形测量法适用于库区辽阔、形状复杂的水库断面测量法适用于中小型河道及冲刷坑河床地形测量法适用于大型河道(一)断面测量法在库区或河床沿水流方向每隔一定距离设一断面，两端用断面桩进行控制，24 每隔一定距离测量一点水深，测出水底高程断面，与前次观测结果比较，即得变形量或淤积及冲刷量。(二)直接测量法此法是在测点处固定设置混凝土或其他耐久材料制成的地形桩(或称淤积桩)，并测出桩顶高程和露出长度，以后在库水位消落时，直接测量桩的露出长度，二者之差即为地形变化量。(三)地形测量法在库区及河床周围设立控制网，据以确定细部点的平面位置，并在细部点测量水深，由水位算得水底高程然后绘在平面图上，可求得地形的等高线。三、观测设备(一)测深杆用松木或枞木制成，长4～6m，直径5～6cm，杆底端带有铁圆盘，底面和杆的零点重合，杆上涂漆，并绘出0.1m的分划，见图5-13。(二)测深锤适用于水深5～20m、流速不大于lm/s的地方，其形状为锥形，顶部有圆环，环上拴以直径5～6mm的麻绳或较细的柔软钢丝绳，见图5-14。(三)测深铅鱼在流速及水深较大的地方常采用测深铅鱼，以2～3mm直径的柔软钢丝绳悬挂在测船的绞车上，其旁有计数器，每测完一测点不需将铅鱼提出水面，只要提高几米，然后将船行至另一测点施测，铅鱼是一个鱼状流线型重物，如图5-15。(四)回声测深仪此法是测定由发射换能器发出的声波，碰到水底后再反射回来到接收换能器所需的时间，根据时间和声波在水中的传播速度来计算水底深度。如图5-16所示，安装在船底水下的发射器A发出的声波，由水底B点反射到船底C点的接收器上，声波在水中25 所经路程为2L=AB+BC，已知声波在水中的传播速度v，并测出声波经过路程2L所需时间t后．水深h按下式计算式中：b—回声测深仪基底之半，即发射和接收器垂直轴间距之半，m；—船吃h0水深，m；d—从船底龙骨处至发射和接收器AC面的垂直距离，m；v—水中声速，与水含盐度及温度有关，平均为l500m/s。回声测深仪带有自记系统，因此在实际观测中不需逐点施测，只要测船以一定的船速由冲淤断面一端驶向另一端，即可测出断面水深，测深误差为水深的1％以内。美国440型双频超声测深仪可在现场同时提供图形和数字输出的测深结果。(五)水下探测仪水下探测仪是由水声技术、计算机技术和数字图像处理技术相结合的产物。整套设备由声纳探头、控制处理器及高分辨率显示器3部分组成。国产S-1型体积小、重量轻、便于携带、操作方便，可广泛应用于水下地形测量、堤坝坡度测量、水下结构物测量等方面，也可在各种船舶、潜水器和岸边使用。另有一种S-1V型水下测量电视，具有独特的深度、宽度显示功能，能将测量用的电子标尺、水深、监测位置代码及作业日期等图形数据叠加在电视图像上，是一种能同时进行定量测量和实时观察的新型水下观测设备。§5-6波浪一、监测布置(一)监测目的(1)掌握库区风生波发展规律，制定库区护岸和土石坝护坡方案，防止发生破坏。分析水库波浪与土坝护坡的关系，尤其是对库区开阔的平原水库和经常遭遇台风的东南沿海地区的水库，防波问题更为突出。(2)决定大坝安全超高及防浪墙合理高度，确定明渠、水道边墙安全超高及明流隧洞洞顶余幅高度。(3)了解尾水波对机组出力的影响，以保证发电出力。(4)测量波浪对闸门等轻型建筑物的作用力，据以拟定防护措施。26 (5)监测下游河道波浪对岸边冲击、淘刷及对通航的影响，提出消波和防波的工程措施，寻求改善水工建筑物布置方案。(二)库面波浪(1)库面波浪监测点宜布置在离岸边有一定距离不受反射波影响处，一般不小于100m，要求该处水下地形比较平坦，水深最好大于该区可能出现的最大波长之半。(2)岸上监测点最高位置应高出最高水位5m以上，并在护坡上布置变形监测点，观测水平和垂直位移。(3)在护坡上按高程刻划水尺，观测波浪在护坡上的爬高。(三)输水建筑物及电站下游波浪(1)测点一般布置在水电站尾水管下游、通航的引航道、泄水建筑物直接受冲击波影响的部位。(2)对于下游河窄、水浅、流急，难以在河心布置测点的部位，可沿岸边或尾水建筑物上布置水尺，用目测法或摄影法观测波动情况。(四)明渠高速水流水面波浪(1)监测点主要布置在能观测高速水流冲击波的位置和高度，特别是冲击波与边墙相交和反射的爬高，这是水流可能翻越边墙的部位。(2)测点布置在能测出波线与主流线夹角之间的关系，从而可以了解在最大流量情况下的水流流态。(五)调压井涌浪(1)监测甩负荷涌浪过程线。测点布置应能观测最高涌浪、最低涌浪、波动周期和波动稳定时间，同时配合进行观测水轮机蜗壳和引水管道危害部位的压强升高过程线。(2)监测增负荷涌浪过程线。监测点布置应能观测最低涌浪以便与甩负荷测值进行比较，并了解调压井容量是否合理及其最低水位是否高于压力管进口。二、仪器设备(一)测波杆测波杆是一种绘有刻度、色彩分明的尺杆，将其立于水27 面上，目测波浪在尺杆上的变化即可读出波高。同时用秒表测定30～50个连续的波浪通过波杆的历时，以相应的个数除之，即得波浪的平均周期。测波杆应固定在河底上，当水深不超过4m时，可用木桩打入河底固定尺杆，杆顶用三方向拉线加固；当水深较大时，可采用浮动式波杆，如图5-17所示。在目测浮动式波杆读数时要估测波杆在波浪作用下的倾斜度，以便对波高读数加以修正。为了测量波速，可用3根波杆布设成等腰直角三角形，腰长为30～40m，三角形的一腰应与岸边平行，如图5-18。观测时用秒表测量某一波顶通过三个波杆A、B、C的时间t1、t2、t3，当波顶线与岸边的交角为α时，则可由下式求出波速：式中：L—三角形腰长，m。波长λ可按下式计算：λ=Tv式中：T—周期(s)。此外，还可利用浮动波速尺测读波长λ再计算波速，如图5-19。v=λ/T上式中、vλ、T的单位分别为m/s、m、s。(二)测波器测波器法是在水面设置浮标，其上设一测标，漆以明显颜色。浮标底部系一绳索，锚固于库底重物28 上，绳索长度应保证浮标在最高水位时能随波浪自由起伏，在岸上设准星和框架，框架上安有等距离的水平金属丝，或具有等距离水平线条的透明板。准星的安置应与浮标、框架成直线，并距框架有适当距离，使从准星处观测起伏波动的浮标时．视线不致超出框架范围之外．如图5-20。观测时用秒表测出历时，算出周期。由三角形关系按下式计算波高：h=(D+d)k/d式中：h—波高，即图中AB，m；k—观测波顶和波底时，视线在框架上所截间距，即图中ab，m；D—浮标至框架的距离，m；d—准星至框架的距离，m。此外，还有一种手持式测波器(仪)。这是一只单筒望远镜，镜中有高度和长度标尺，照准浮标便可直接读出波高和波长，十分方便，精度也可达到0.1m。(三)遥测目记仪遥测自记仪器可分为电阻式、差动电阻式、振弦式、电容式、电感调频式、声学式等多种。常用电阻式仪器，电阻式测波杆工作时相当于并联电阻，由于水的导电性，水面上升电阻减小，反之电阻增加，通过电讯号的转换，把该电阻变化变为电压变化，送入电子示波仪或电位差计进行记录。对波浪观测人工测读往往难以全面反应波浪特性，应主要采用电测法进行观测。(四)摄影法此法包括用照相机、电影机、录像机等方法。用照相机拍摄瞬时水面是很方便的，可将照相机位置固定后，在一底片上重复几次曝光，例如正确曝光时间为1/50s，则可用1/200s快门重复拍照4次，可得清晰的照片。这些方法不但可拍出波动，而且可拍出沿程水面及冲击波。有些部位由于绘尺困难，可在边墙上安放标尺杆，则在照片上可用两脚规按比例量出水面波动。在水面急速波动的情况下，最好用电影机中速摄影(每秒钟100格左右)，从影片中量取资料或观测波动情况。近年来用录像机代替电影机可达到同样效果。尤其是用数据处理机从录像机中分析资料更能显示其优越性。(五)水尺法除可用来观测水面波动外，还可进行波浪爬高的观测。在倾斜的岸边附近或29 坝坡上，大致在水深为浪高的1.5～2倍处开始，波浪被破坏而产生拍岸水流沿边坡爬升，如图5-21；波浪的爬升高度h与波浪高度h及边坡与水平线所成的B夹角β以及坡面的平滑程度等因素有关。因此，波浪爬高的观测，可从布置在迎水坡的水尺上直接测读，也可用测尺测量波浪沿坡上卷的长度A进行计算。由图5-21可得波浪爬高值h为：B30 第六章原型观测资料正分析方法正分析的主要任务是根据原型观测资料建立数学监控模型，应用这些模型监测和评价大坝运行工况；同时对模型中的各个分量(特别是时效分量)进行物理解释，借以分析大坝等水工建筑物的工作性态。根据建立模型方法不同，可以归纳为：用统计学方法建立统计模型；用有限元法分析计算，并与实测值拟合，建立确定性模型或混合模型；应用时间序列法和灰色系统理论建立预测模型；用模糊数学建立预测模型。这里我们主要介绍统计模型，确定性模型和混合模型。§6-1统计模型水工建筑物的观测值大致可以归纳为两大类：第一类为荷载集，即大坝所承受的荷载及外界条件，如水压力、泥砂压力、温度(包括气温、水温、坝体混凝土和坝基的温度)、地震荷载等；第二类为荷载效应集，即反映大坝的工作状态，如变形、裂缝开度、应力、应变、扬压力或孔隙水压力、渗流量和水质等。通常将荷载集称为自变量、效应量或预报因子(用x1,x2,x3,……xm表示)，荷载效应集称为因变量、原因量或预报量(用y表示)。因此，观测数据的函数关系可表示为：y=f(x,x,x,LLx)123m根据上述原型观测资料之间的函数关系，可用统计学方法建立回归方程，即统计模型。常用的回归方法有，多元回归、逐步回归、加权回归、正交多项式回归和差值回归等。在实际问题中，影响一个事物的因素往往是复杂的。例如大坝位移，除了受库水压力(水位)影响外，还受到温度、渗流、施工、地基、周围环境以及时效等因素的影响。扬压力或孔隙水压力受库水压力、岩体节理裂隙的闭合、坝体应力场、防渗工程措施以及时效等影响。因此，在寻找预报量与预报因子之间的关系式时，不可避免地要涉及到许多因素，找出各个因素对某一预报量的影响，建立它们之间的回归方程。借此推算某一组荷载集时的预报量，并与其实测值比较，以判别建筑物的工作状况，对建筑物进行监测。在建立回归方程时，需要对回归因子进行筛选，因为有的因子可能与物理量之间没有显著的相关关系，在回归方程中保留他们，就会降低回归方程的效果和稳定性。通过对回归因子筛选，只保留关系显著的重要因子，排除关系不大的次要因子。1 一、多元回归法（一）回归方程myˆ=b0+b1x1+b2x2+LLbmxm=b0+∑bixii=1上式为多元线性回归方程。式中，yˆ为预报量的回归值；b,LLb为预报因子0m的回归系数；m表示自变量个数。b,LLb为待求值。0m（二）回归方程的评价用上述方法建立的多元线性回归方程，只有其计算值与实测值的拟合以及预报值在一定精度的条件下才能有效。评价有效性和精度的主要指标如下1．离差平方和、剩余平方和以及回归平方和在观测数据中，因变量y是变化的，y取值的这种波动现象称为变差。对每次观测值y，变差的大小用y与平均值y的差来表示，则(y−y)称为离差。nttt次观测值的总变差可由这些离差的平方和n2Syy=∑(yt−y)t=1来表示。上式可分解为nn2n22Syy=∑(yt−y)=∑(yt−yˆ)+∑(yˆ−y)t=1t=1t=1n2mn2m定义：Q=∑(yt−yˆ)=Syy−∑biSiy为剩余平方和；U=∑(yˆ−y)=∑biSiy为t=1i=1t=1i=1回归平方和。从上式看出：对一定的子样，S是定值，则Q越小，U越大，说明回归值yy与实测值的拟合精度越好；反之，则拟合精度越差。2.复相关系数R为了表示y对x1,x2,x3,……xm呈线性相关的密切程度，用复相关系数UR=Syy来表示。从上式看出：R表示回归平方和占总离差平方和的大小。R越大，U越大，Q越小，则表示线性回归的效果就越好。因而R在一定程度上是衡量预报取值精2 度的指标。3．剩余标准差S衡量回归精度的另一个指标是剩余标准差，其计算公式为mSyy−∑biSiyi=1S=fQ式中：f—剩余平方和的自由度，f=n−m−1。QQ4．复相关系数R的检验由上分析知：R是衡量U占S的比重，R越大，说明回归效果越好，反之yy越差。那么R是多少时，回归方程才有效呢?为此需要进行统计检验。采用F检验，对R用下列统计量2R/mF=m,n−m−121(−R)/(n−m−)1α当F≥F时，说明线性回归在α水平上显著，回归方程有效；若m,n−m−1f1,f2ααF