水工建筑物安全监测技术1

'水工建筑物安全监控理论及其应用－安全监测技术与方法郑东健zhengdj@hhu.edu.cn 一水工建筑物安全监控的发展和教训1830～1838年，法国，格罗斯博斯坝根据观测指导施工1891年，德国埃施巴赫混凝土重力坝开始变形观测1903年，美国对布恩顿重力坝进行温度观测1908～1909，澳大利亚在拱坝进行变形观测1919～1920，瑞士布置了世界上第一座永久观测仪器的拱坝20世纪50年代，中国开始研制大应变计（差阻式－卡尔逊仪器），70年代，垂线、引张线，激光照准现在：GPS、光纤、激光三维、声发射 1.工程安全信息采集系统2.工程安全信息分析评价系统变形监测渗流监测应力监测水文及水力学监测地震监测信息管理系统分析评价系统决策支持系统专家系统二安全监测系统组成 （一）信息采集系统1.确定性（量化）信息（1）变形监测水平位移垂直位移挠度倾斜接缝及裂缝扬压力渗流压力孔隙压力绕坝渗流地下水位渗流量水质监测（2）渗流监测2.不确定性（模糊）信息原因量（荷载、环境）变形渗流应力水文及水力学地震 常规监测爆破松动塑性变形锚杆灌浆饱合度（砂浆粘结锚杆）岩土体及材料物理力学特性岩体声发射、电阻率、声速有害气体和放射性岩体松动范围 水文及水力学监测流速动水压力空化掺气雾化冲刷调压井水位专项监测 地震监测位移速度加速度动空隙水压力动应变、应力动水压力地壳变形专项监测 （二）定量信息的监测方法（1）变形监测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。环境量监测：水位、气温、降雨 变形监测内容位移－水平、垂直、转动、洞身收敛等沉陷－地表、地中、分层、地基等其他－隆起、挠度、缝位移、自生体积、膨胀等方法：（1）经纬仪、水准仪、电子测距仪激光准直仪。（2）埋设仪器 一、监测布置在最大坝高、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。横向、纵向、内部。1土石坝(含堆石坝)2混凝土坝(含支墩坝、砌石坝)3近坝区岩体及滑坡体(一)观测断面水平位移 (二)观测点1．位移标点2．工作基点3．校核基点图1-1 二、监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、监测方法（续） 视准线法水平位移观测方法 前方交会法 引张线法 引张线测点正垂线垂线法 白山拱坝正垂线倒垂线 垂直位移一、监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监测方法 (1)土基标：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：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。1．水准基点(一)精密水准法 (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，可设计如下图的深埋钢管标。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 (1)土基标(2)岩基标，也适用于埋设在混凝土上。2．工作基点 （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，用特制的微型水准尺进行观测。该尺也可用于外表面的标点观测3．位移标点 (二)三角高程法(三)遥测法1．沉降仪法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。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。 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。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，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。 垂直位移观测方法固定连通管式 （2）渗流监测根据国内外统计，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。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”。 渗流监测目的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。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。观测土坝坝基和岸坡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。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。 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。 渗流监测项目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。压力或水位：测压管、渗压计、压力表、测深锤渗流量：量水堰、量杯水质：水温计、pH计、电导率计、透明度计、自动水质监测仪渗流监测方法 对混凝土坝和砌石坝进行扬压力观测土石坝进行渗流压力观测浸润线如何监测？渗流压力观测 渗流量观测渗流量观测包括渗漏水的总流量、分区流量。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。 (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。将坝基内向下游排泄的水量(潜流)视为常数。渗流量观测方法(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。 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。(二)分区渗流量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，两测点间距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。 适用于渗流量大于50L/s时采用适用于渗流量10～300L/s时采用适用于渗流量小于70L/s时采用行进流速、水流与堰口接触为一直线、自由出流、堰口上游3～5倍堰上水头处测读 水质监测(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。 水质分析主要分析物理指标，将渗漏水质分析与水库水质分析结果进行对比。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。（一）物理分析(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，一般需在采取水样后在实验室内进行分析。 （3）应（压）力监测采用应力应变计（组）、压应力计、基岩变形计、位移计、收敛仪、无应力计、钢筋计、钢板计、土压力计、围岩压力、锚杆（索）等观测。（一）混凝土应力及应变根据坝型、坝高、结构特点及地质条件选择关键的有代表性的部位进行布置。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。 5向应力应变计组布置 7向应力应变计组布置 （二）岩体应力及应变（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）深层特定结构面发生滑移、拱坝坝肩岩体应力及左右岸应变差异，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。（3）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。 （三）钢材应力及应变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，根据工程需要布设适量的钢筋应力观测断面。对于影响工程运行安全的重要的钢管、蜗壳等结构，布没钢板应力观测断面。 （四）自由体积应变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部分一、混凝土无应力计 二、岩体无应力计在进行岩体应力和应变观测时，应布设岩石无应力计。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。 （四）土压力(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。一、坝内土压力 (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、接触土压力 （五）温度、地震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。坝体、坝面、基岩等各种温度应结合布设。一温度 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。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。二地震a、地震强震 b、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。对地震基本烈度7度及其以上地区的1、2级大坝，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。 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放大器，记录可采用数据采集器或其他放大和记录装置。 (1)差动电阻式（卡尔逊仪器）(2)钢弦式利用仪器内部的弹性钢丝作为传感元件。钢丝受到拉力作用将产生弹性变形，其变形与电阻变化之间有如下关系：传感器敏感元件为一跟金属丝（称钢弦或弦），利用钢弦的自振频率与钢弦张紧力的关系测得物理量。差动电阻式钢弦式电感式电阻应变片式电容式压阻式－固体受力后，电阻（率）发生变化。司服加速度计式等 (3)电感式一种变磁阻式传感器，利用线圈的电感的变化进行测量。通过衔铁和铁芯之间的空气隙变化，引起磁路中磁阻变化，从而引起线圈电感变化。(4)电阻应变片式将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件。金属导体的电阻随所受到的机械变形大小而变化。 （4）水文及水力学监测包括水位、降水（雨、雾化）、压强、消能、冲淤、波浪 2.不确定性（模糊）信息(1)现场巡查（巡视检查）（2）现场检测日常检查年度检查特别检查时间、路线和检查程序汛期检查特大洪水、地震、安全事故检查方法：锤、钎、钢尺、放大镜、望远镜、量杯、石蕊纸、回弹仪、照相机、录像机、闭路电路、潜水员等。采用无损探测方法，包括探地雷达、电磁剖面仪、电阻率探伤仪、红外温度探测仪、超声检测仪、水声探测仪、水下电视探测仪、潜水器、潜水船等 （二）工程安全信息分析评价系统 系统总体架构 （二）工程安全信息分析评价系统信息管理系统（1）工程安全信息分析管理系统信息分析系统数据库误差分析测点管理资料整编时序分析空间分布模型分析维护管理 （2）专家系统'