大坝安全监测docWord格式.docx
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通过实际工作性态的反分析,检验设计
和施工,为提高和修正水工设计理论提供科学依据。
由于实际情况的复杂性和坝工科技水平的限制,大坝设计理论还不够成熟和完善,一些设计前提都带有很多假定,若干因素只能简化处理,作用于结构上的某些荷载还不能准确算出,对结构破坏机理、发展过程、安全界限等的认识不够清楚和准确,坝体和坝基各部位的物理力学参数更难以精确给定。
而大坝监测项目齐全、测定多,观测频次密、跨越时期长,能体现现场复杂的实际条件及反映大坝的真实状态,因此可以作为检验设计方法、计算理论、施工措施、施工质量、材料性能能的有效手段。
可改变和加深人民对坝工有关问题的认识,开发更合理的设计准则,概述设计和施工,促进坝工学科的发展。
例如:
混凝土坝坝基扬压力的存在和分布规律的了解、对帷幕及排水降压作用的验证、对混凝土坝变形与应力受温度变化影响的认识、对地震时坝体加速度分布图形的掌握以及根据应力应变实测值对拱坝试载法的验证等,都是通过监测得到的。
如北京官厅水库运用初期,通过观测,发现土坝坝基渗漏严重,采用了灌浆防渗的措施。
经过测压管观测资料分析,帷幕前后水位仅差2〜3米,渗流量只减少约15%-20%效果不太显著。
因
而放弃了灌浆处理,改用了上游抛土,下游打排水孔的措施,效果显著,保证了大坝安全。
大坝失事的主要原因
土石坝
混凝土坝
1950〜
1960〜
1970〜
1959
1969
1975
建成坝数
1421
2708
/
858
868
失事数
108
195
72
79
50
11
漫顶
42
49
16
20
18
6
地基和结
构问题
28
59
27
14
4
材料问题
12
3
21
坍坡
2
5
1
其它
从上表看出,1950年以来发生的大坝失事,按成因大致分为:
30%左右是由于遭遇特大洪水,设计洪水偏低和泄洪设备失灵,引起洪水漫顶失事;
27%£
右是由于地质条件复杂,基础失稳和意外的结构事故(如假设的荷载过分乐观);
20%!
地下渗漏引起的扬压力过高,渗漏量增大,渗透坡降过大引起坝基基础渗透变形等;
11%是由于大坝老化,建筑材料变质(如开裂、侵蚀和风化)以及施工质量等原因使材料强度降低,从而引起失事;
12%!
由于不同的特有原因所致。
在失事的515座大坝土坝占的比例较大,而且这些坝缺乏观测设施或设施不完善。
总之,大坝安全监测在保障大坝安全经济运行以及提高坝工科学理论有重要作用。
、各阶段的监测工作
大坝监测工作贯穿于坝工建设和运行管理的全过程。
监测工作包括:
观测方法的研究和仪器设备的研制、生产,监测设计,监测设备的埋设安装,数据采集、传输和储存,资料整理和分析,大坝实测性态的研究、评价等。
设计阶段:
需提出大坝安全监测系统的总统设计方案,监测布置图,仪器设备清单,施工详图及埋设安装技术要求,各监测项目测定的规定,监测系统的工程概算等。
施工阶段:
做好仪器设备的检验、率定、埋设、安装、调试、维护,施工期的监测,竣工报告及监测报告的编写。
运行阶段:
需进行日常的及特殊情况下的监测工作,定期采集数据及巡视检查,及时整理、整编和分析监测成果并编写监测报告,建立监测档案,做好监测系统的维护、更新、补充、完善工作。
第一次蓄水是大坝安全的一个关键时期,应专门制定监测计划,拟定主要的安全监控指标。
地震、大洪水以及大坝工作异常时要作为特殊情况,加强检查和重点部位的监测。
三、原型监测工作概况
1.1.主要监测项目
不同级别的大坝要求监测的项目不同。
对于一二级大坝,仪器监测主要有以下项目:
1)1)工作条件监测:
上下游水位、库水温、气温、坝前淤积、下游冲淤
2)2)渗流监测:
渗流量、绕坝渗流、渗水透明度及化学分析、混凝土坝的扬压力,土石坝的浸润线、坝基渗水压力、导渗降压等
3)3)变形监测:
水平位移和垂直位移,接缝和裂缝,混凝土坝的挠度和倾斜,土石坝的固结等
4)4)应力应变及温度监测:
混凝土坝的混凝土应力、应变,钢筋应力,钢管、蜗壳的钢板应力,混凝土温度、坝基温度、土石坝的孔隙水压力、土压力
5)5)其它监测:
近坝区岸坡稳定,局部结构的应力、应变,坝体地震反应,水力学监测
其中变形和渗流观测是最重要的观测项目。
观测物理量分为:
荷载集(水压力、泥沙压力、温度、地震荷载)荷载效应集(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)
2.2.主要检查项目
在施工期和运行期,除了仪器监测外,还要进行巡视检查。
混凝土坝有以下检查项目:
1)1)坝体:
相邻坝段间的错动情况,伸缩缝开合及止水情况,坝面、廊道壁、宽缝内表
面的裂缝及漏水情况,混凝土有无破损、溶蚀及侵蚀现象,排水孔工作状态,渗水量和水质有无显著变化等。
2)2)坝基和坝肩:
基础岩体有无挤压、错动、松动、鼓出,坝体与基岩结合处有无错动、
开裂漏水,坝肩有无裂缝、滑坡、溶蚀、绕渗,坝基排水设施工作是否正常,渗水水量及浑浊度有
无显著变化等。
3)3)引水和泄水建筑物:
进水设施有无淤堵、损坏,泄水建筑物有无裂缝及损伤,消能
设施有无磨损、冲蚀,下游河床及岸坡冲淤情况等。
4)4)其它:
近坝区岸坡地下水露头变化情况,岸坡裂缝变化情况,闸门及门槽、支座、
止水情况,起闭设施能否应急启动工作,地区控制系统及备用电源能否正常工作等。
土石坝主要检查项目:
坝体有无裂缝、滑坡、塌陷、坍坑、表面冲蚀、坡脚凸起,背水坡及坝脚有无漏水、管涌、流土、沼泽化现象,泉眼、减压井、反滤排水沟的渗水有无异常变化,渗水是否浑浊或带色,块石护
坡有无松动、翻起、垫层流失,表面排水有无损坏或淤积,有无虫害(白蚁)、鼠兽(獾)活动痕
迹等。
3.3.监测和检查次数
仪器监测的次数因项目和阶段而异。
第一次蓄水前及第一次蓄水后头五年运行中,一般每旬一次至每月一次;
第一次蓄水期一般每天一次至每旬一次;
经过第一次蓄水且运行超过五年后,一般每月一次至每季度一次。
各时期上下游水位及气温每日均需观测。
内部观测的传感器在埋设后头一个月内要加密测次,间隔从4h,8h,24h到5d,以后逐渐转入正常频次。
如遇地震、大洪水及其它异常情况,应适当增加测次。
自动化监测测次可适当加密。
经过长期运行后,可通过鉴定对测次作适当调整。
巡视检查分为日常巡查、年度巡查及特殊巡查三类。
日常巡查在施工期宜每周一次;
水库第一次蓄水或提高水位期间每1〜2d一次,正常运行期间每月不少于一次,汛期特别是高水位期应加密
检查次数;
年度巡查应每年2〜3次,在汛前、汛后及高水位、低气温时进行;
特殊巡查在发生有
感地震或大洪水以及其它特殊情况下立即进行。
4.4.对监测工作的要求:
基本要求:
全面、准确反映大坝工作性态,及时发现异常迹象,有效地监视大坝安全,为设计、施工和管理提供可靠资料。
对监测工作各环节的要求:
1)1)设计的仪器布置能全面反映大坝工作状况,目的明确、重点突出。
监测重点放在坝
体机构复杂、承载大或地质条件复杂的部位。
2)2)仪器设备应精确可靠、稳定耐用、便于观测。
自动化监测设备应有自检、自校功能,
可长期稳定工作且具备人工观测条件。
3)3)监测施工必须严按照设计要求精心进行,确保埋设、安装质量,做到竣工图、考证
表及施工记录齐全。
4)4)切实做好施工期及运行期观测数据的采集工作,严格遵守规程规范,做到记录真实、
注记齐全、整理上报及时。
5)5)定期对监测结果作分析研究,对大坝工作状态做出评估(正常、异常、险情)。
大坝
异常或险情时,应立即向主管部门报告并通告设计单位。
四、大坝安全监测发展史
第一阶段:
早期阶段,从远古到19世纪末。
筑坝材料是土石,对坝的监测、了解只是外表观
察、感性认识。
第二阶段:
发展阶段,20世纪初到50年代末。
坝工理论逐渐形成体系,混凝土坝大量建成,当地材料坝也有很大发展。
为监测混凝土坝的扬压力安设了测压管;
为测定水平位移和垂直位移出现了三角量测法、视准线法和精密水准法;
以后又出现了观测大坝挠曲的垂线法和观测倾斜的静力水准法;
1919年出现了弦式仪器;
1932年发明了差动电阻式仪器。
此后许多大坝埋设电测仪器,开展坝内温度、应变、应力、接缝张合和孔隙压力等项目。
50年代,大坝观测体系已经齐全,光学、
机械和电测方法得到普遍应用,各监测项目都有成型的观测仪器。
取得了大量监测资料,对实测值和设计值以及实测值与模型试验之间作了比较。
一些设计计算方法如拱坝试载法、重力坝坝基扬压力计算方法被观测资料验证而得到肯定和推广。
第三阶段:
成熟阶段,60年代以来。
新建高坝、大库迅速增加,地形、地质条件复杂,新结构和新施工方法出现,坝工建设对监测提出了更高要求。
同时马尔巴塞、瓦依昂等坝的失事引起了公众和政府对大坝安全的深切关注。
监测对象从坝体和坝基浅部扩展到坝基深处及近坝区更大范围。
对坝基、坝肩及岸坡的观测给予了更多重视,出现了观测深部岩体的多点位移计、滑动测斜计等新仪器。
观测技术向更高水平发展,自动化和半自动化仪器逐渐代替了手工观测仪器。
从单点就地监测发展为遥测、自动成批观测,建立了自动化监测系统。
在监测资料分析上普遍应用了数学模型技术,正分析和反分析方法有不少进展,监控指标的建立被深入研究,建立了监测数据库或监测信息系统,基于监测资料的大坝实际性态研究取得丰富成果,有些坝实现了远距离在线实时监控。
国外:
世界各国政府对大坝的规划、设计、施工、运行、监测及安全管理都高度重视,并颁发有关法
令、法规、条例,严格大坝的安全管理(包括安全监测、隐患探测、安全加固、水库调度)。
特别
是马尔巴塞坝失事后各国拟定和修改有关条例和法规。
国际大坝委员会第68号会刊刊载各国大坝
委员会所撰写的报告,都提到大坝监测的重要性。
1972年发表了“关于混凝土坝观测的一般意见”明确规定了观测工作的范围、类型,根据坝型和目的安装仪器设备以及安装技术等。
中国:
国家和水利行业颁发了几十种大坝的规划、勘测、设计、施工、监测和运行管理的有关规程、规范、手册、导则,严格执行审批和验收程序,建立政府、业主、监理、施工单位的质量监督体系和质量责任制,确保工程设计、施工质量的安全运行,充分发挥工程的经济、社会和环境效益。
1964年出版《水工建筑物观测技术手册》。
1991年国务院发布了《水库大坝安全管理条例》明
确规定:
“大坝管理单位必须按照有关技术标准,对大坝进行安全监测和检查;
对监测资料应当及时整理分析,随时掌握大坝运行状况。
”
水利电力部于1985年建立“水电站大坝安全监察中心”,水利部于1988年建立了“水利大坝
安全监测中心”。
中国已建成8.5万多座水库,基本上做到安全运行,尤其是大中型水库。
但由于种种历史原因,各种大坝中也存在不少隐患,其中有的成为病坝、险坝,甚至有的出现溃坝、倒闸、决口等安全事故,造成重大灾害。
据初步统计,中国大约有近1/3的大坝存在各种病险隐患,必须引起各级政府
和运行主管单位的高度重视。
加强安全监测,进行风险评估和安全鉴定,采取切实措施,除险加固,
确保大坝安全运行的任务是十分艰巨的。
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第二节第二节变形监测
大坝在水压力和温度等因素的影响下发生变形,变形量大小及其变化规律,对分析大坝运行是否安全以及论证坝工设计理论等有重要作用。
变形监测内容:
水平位移、垂直位移、扰曲、倾斜、裂缝、接缝、土石坝固结等。
§
2-1-1§
2-1-1水平位移
2-2垂践逼H方或
事点*■站袪正垂披*
水平位移监测方法:
设置一条基准线,每次测出坝上测点对于基准线的位置,即可以求出测点的位移。
根据基准线不同可以分类:
垂线、引张线、视准线、激光准直线
大地测量方法:
边角网与交会点、导线法
对土石坝常在坝体内部埋设相对位移计、测斜仪等。
SDJ336-89《混凝土大坝安全监测技术规范》水平位移正负号规定:
向下游和左岸为正,反之为负。
一、一、垂线法:
1、设备:
基准线是一条一端固定铅直张紧的不锈钢丝。
安装在坝内井、管、空腔内或坝体、坝基钻孔中。
原理:
通过测沿线不同高程测点对于垂线固定点的水平投影距离,求出各测点的水平位移。
分类:
正垂线:
垂线的顶端固定在坝顶附近,其下端用重锤张紧钢丝。
倒垂线:
垂线的底端固定在基岩深处,其上端用浮体装置将钢
丝张紧。
2、布置:
通常将垂线布置在坝高最大、地基软弱、典型坝段
及位移基点等处,并注意与其它监测项目的配合。
垂线的数量应根据工程规模、坝体结构及观测要求决定,一般大型水坝不少于3条,中型不少于
2条。
根据大坝不同情况,正垂线和倒垂线可单独使用,也可联合使用。
同一坝段设置一条垂线即可,对于构造特殊的大坝,可将坝体从上向下分
成2〜3段,相应地设多根垂线串联起来。
每一条垂线可根据坝高在不同高程布置若干测点,一般沿坝高不少于3个测点。
3、观测方式:
垂线的观测方法有二种:
①“一点支撑多点观测”,如图所示。
适用
于正、倒垂线,但正垂线测得的观测值是坝顶悬挂点不同高程各测点之间的相对水平位移,Sn为测点N处的挠度值(Sn=S0-S);
倒垂线测得的观
观测”,仅适用于正垂线。
在各测点处埋设垂线支撑点,观测时顺次把垂线夹在各支持点上,并将观测仪器安置在垂线最低处进行观测,观测值是
各测点与垂线最低点之间的相对水平位移。
4、观测仪器:
必须采用专用的垂线观测仪器:
机械式、光学、遥测垂线仪。
采用机械、光学垂线仪,需要观测人员到各测点逐点操作,对于巡回连续观测很不方便。
遥测可实现自动化。
垂线法设备简单,观测方便,精度高,易实现自动化,因此应用广泛。
二、引张线法
引张线是一条直径为0.8〜1.2mm的不锈钢丝,两端施加张力,使之成为一条水平向的直线,
用以量测坝上各测点偏于该线的水平位移。
弓I张线常设在坝顶或不同高程的纵向廊道内,两端设立基墩。
两岸地形限制布置基墩有困难时,可将基墩布置在坝内,但需要其它观测手段对端点基墩的位移进行量测,以求得绝对水平位移。
观测主要设备:
基墩、测点、测线钢丝和测线保护
管组成。
基墩用钢筋混凝土浇筑,墩上有夹线器、滑轮和重锤,测点上装有支撑钢丝的浮箱和标尺。
测线保护管用直径10cm左右的透明塑料管。
测读位移时,除标尺外,另用测微计量毫米以下的小数。
引张线在重力坝上采用较多,如葛洲坝、丹江口和
丰满大坝,可适用遥测。
三、三、视准线法
视准线是在坝体表面建立一条基准线,基准线由设置在坝外两岸岩石上或土基上的两个永久性基墩控制。
在一岸的基墩上安置精密经纬仪,令一岸基墩上安装固定表标。
用经纬仪观察对岸固定标中心的视线,即为视准线。
坝上各测点水平位移的量测,是通过量测各测点对视准线的偏离值来实现的。
此偏离值可用测点处的活动标量测,成为活动标法。
偏离值也可用经纬仪量测视准线与坝上标点之间的小角求得,称作小角度法。
采用经纬仪法观测水平位移,方法简单,但受经纬仪望远镜放大倍率和折光等因素影响,当量测距离较长时,误差较大,精度难以满足要求。
在混凝土坝上视准线有可能逐渐被精度较高的垂线和引张线代替。
四、四、激光准直法
激光方向性强,亮度高,单色性和相干性好,用于大坝变形观测中,可提高观测精读和效率。
r激光束直接准直法
「大气激光准直法J
具有衍射效应和投影成象的激光准直法
波带板激光准直法
I真空激光准直法
目前使用较多的是波带板激光准直法和真空激光准直法。
1、1、波带板激光准直法(三点准直法)
主要由激光器点光源、波带板和接受靶三部分组成。
激光器和接受靶安置在两端固定的工作基
liSAi
点上,波带板安置在位移标点上。
波带板起聚焦作用,根据相似三角形LiSab可决定位移点的
偏离值。
其中SAi和SAB为A至i点和A至B点的距离,li是波带板的偏离值,Li是位移点的位移。
2、真空激光准直法
将波带板和激光束放在一个管道系统中,管道抽真空后观测,可削减空气的折光和湍流的影响,
精读可达到基准线长度的1X10-7。
观测方法与波带板激光准直法相同。
关键问题是合理确定真空管道中真空度。
管道真空度关键大气折光原理确定。
大气对激光束扰动影响:
由于大气折射率梯度造成折光,由于大气湍流和折射率梯度瞬间变化引起的光束漂移及光斑抖动。
粗真空(1.3X103〜1.0X105)为湍流,低真空(1.3
1361
X10-〜1.0X10)为层流,高真空(1.3X10-〜1.0X10-)为分子流态。
低真空对光束干扰大大减弱,高真空代价太大,大坝变形监测所需真空度以低真空为宜。
可以采用简单的机械式真空泵获得。
丰满大坝于1978年12月建成国内第一套长194米的有4个激光真空管道准直相同。
三峡高程
将采用长2000多米的真空激光准直系统。
五、五、边角网交会点
边角网与交会点,在坝址下游区根据地形特点布置一控制网,E、F、GH四边形,其中G和H
为校核基点,E和F为工作基点。
观测方法:
由校核基点G和H,采用测边或测角方法,校核工作基点E、F的位移变化情况,然后通过E、F观测坝上各点的方向(角),计算位移。
用途:
比视准线法复杂,多用于解决某些特殊问题,或与视准线配合使用。
如图所示,视准线AB只能测拱冠一点的水平位移,
其它点用视准线无法观测,拱坝下游坝面观测人员无法到达;
另外其它方向的位移,可以采用边角网或交会点观测。
六、六、导线法
拱坝水平位移观测,除了采用视准线、激光准直法或交会点观测坝顶变形,坝内廊道或基础廊道内布设导线测定拱坝的径向和切向位移。
布置:
坝体廊道内,每坝段设一点,导线观测墩采用槽钢插入坝体墙内。
为减少方位角的传递误差,提高测角效率,采用隔点设站,分为测点站和中间站。
测点站上有强制对中底盘、微型頕标和轴杆头。
在导线两端径向方向设倒垂点,用于测定两端的绝对位移。
用精密经纬仪定期测定各点转折角B1,32…,和投影角C,C2…,用标准因瓦尺或带尺测定各导线间的长度b1,b2…,分别测定导线两端点AB至倒垂线的径向和切向值,推算各导线点的径向和切向位移。
七、七、测斜仪
用于观测土石坝或岩体内部的水平位
滑动式和固定式。
固定式:
固定埋在结构物件内的固定点上。
滑动式须配测斜管使用。
测斜管是四个相互垂直导槽的铝合金管或硬质塑料管。
测斜仪由:
测头、测斜管、电缆和测尺、测
读表四个部分组成。
当土体产生位移时,测斜管同土体一起位移,管道的位移量(测斜管产生倾斜)
即为坝体的位移量。
向管道内放入测头,测出各个不同分段点处的倾角Bi,则相应的位移增量为:
SiLisini
若测斜管底作为不动点时,则自管底以上任一测深总位移为:
n
i
测斜仪埋设时应注意测斜管的扭曲,周围填土与管壁紧密衔接,否则会产生很大误差。
2-1-2§
2-1-2垂直位移及倾斜监测
垂直位移是大坝变形监测中的主要项目之一。
大坝在外界因素作用下,沿铅直方向产生位移,坝体沿某一铅直线或水平面还会产生转动变形。
为掌握大坝及基础变形情况,一般大中型水库的大坝,垂直位移及倾斜是必测项目。
SDJ336-89规定:
测点垂直向下为正,向上为负;
向下游转动为正,向左岸转动为正,反之为负。
垂直位移监测方法:
几何水准和流体静力水准。
在基础垂直位移观测中,多采用多点基岩位移计测量基础内部沿铅直孔轴向位移。
倾斜位移监测方法:
直接观测法和间接观测法。
直接观测法采用气泡倾斜仪或遥测仪直接
测读大坝的倾角,其中气泡倾斜仪适用于倾斜变化较大或局部区域的变形,宜用以坝体中、上部的倾斜观测;
间接观测法是通过观测相对垂直位移确定大坝的倾斜,采用的观测方法与坝体垂直位移观测相同。
一、一、几何水准测量法
1、1、测点布置
(1)
(1)水准基点
水准基点是垂直位移观测以及其它高程测量依据的标准,为此必须布置适当,埋设可靠。
通常
口尽嘲監点o風
选择离坝适当距离
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