水利工程变形监测方法

大坝安全监测主要包括大坝位移变形监测、坝体接缝及裂缝监测、渗流量监测、环境量监测、大坝自动化系统监测，分别对大坝水平位移、垂直位移、裂缝、渗漏、扬压力、上下游水位等进行自动化监测，并配合人工比测校核，数据自动化系统对大坝的在线控制、离线分析、安全管理、数据管理、预测预报、工程文档资料测值及图像管理、报表制作、图形制作等日常大坝安全测控和管理的全部内容进行收集整理、智能分析，获得反映大坝工作形态的有关信息，提供给各级管理部门进行安全评估，以便采取有效措施，确保大坝安全。

大坝安全监测的方法主要有巡视检查和仪器监测两种。巡视检查应从施工期到运行期，各级大坝均须进行巡视检查，巡视检查中如发现大坝有损伤、附近岸坡有滑移崩塌征兆或其他异常迹象，应立即上报，并分析其原因。仪器监测的方法有多种，对于水平位移监测来说，常用的监测方法主要有引张线法、视准线法、激光准直法、交会法、测斜仪与位移计法、卫星定位法和导线法等; 垂直位移的监测方法主要有精密水准法、三角高程法、沉降仪法、沉降板法和多点位移计等方法; 挠度监测的常用方法主要有正垂线和倒垂线监测法; 裂缝的监测主要利用测微器和测缝计进行; 应力、应变的监测主要是利用测压管和测压计进行; 渗流的监测除了采用测压管和测压计以外还可采用传感器法。对于水库库岸稳定监测，监测的对象主要有地面绝对位移、地面相对位移、钻孔深部位移、应力、水环境、地震、人类相关活动的监测等。

8.2.1 水平位移监测

水平位移变形量的正负号应遵守以下规定: 水平位移: 向下游为正，向左岸为正，反之为负; 船闸闸墙的水平位移: 向闸室中心为正，反之为负。

1. 监测网的布设

(1)观测断面。

①土石坝(含堆土坝)。土石坝的观测横断面应布置在大坝最高处、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，点位一般应不少于2～3个。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下可视需要设临时断面，下游坝坡布设2～5个。内部断面一般布设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，各观测垂线应尽量形成纵向观测断面。

②混凝土坝(含支墩坝、砌石坝)。混凝土坝的观测纵断面通常与坝轴线平行，且在坝顶及坝基廊道内设置，当坝体较高时，可在中间适当增加1～2个观测纵断面。内部断面一般布设在最大最大坝高坝段或地质和结构复杂坝段，可视坝长情况布设1～3个断面，应将坝体和地基作为一个整体进行布设。另外，在拱坝的拱冠和拱端一般也应布设断面，必要时，也可在1/4拱处布设。

③近坝区岩体及滑坡体。在靠两坝肩附近的近坝区岩体处，应垂直坝轴线方向各布设1～2个观测横断面; 在滑坡体顺滑移方向，应布设1～3个观测断面，包括主滑线断面及其两侧特征断面。必要时，可大致按网格法布置。

(2)观测点。一般情况，应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，也应适当布设垂直位移观测标点。另外，对混凝土坝每个坝段相应高程各布设一点。另外，对混凝土坝每个坝段相应高程各布设一点; 对于土石坝沿坝轴线方向至少布设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、1/4拱及两岸拱座应布设标点，近坝区岩体的标点间距一般为0.1～0.3km。

按埋设位置的不同，位移标点可设计成以下几种结构形式:

①综合标。如图8.1和图8.2所示，是将水平和垂直位移标点结合起来，多用于坝面。

图8.1 岩石上的工作基点(单位: m)

1—盖板; 2—标点; 3—混凝土

图8.2 综合标

1—强制对中盘; 2—垂直位移标点; 3—基座

②混凝土标。如图8.3所示，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。如图8.4所示，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。如图8.5所示，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。

图8.3 混凝土标

1—盖板; 2—标点;3—廊道底板; 4—基岩

图8.4 钢管标

1—电缆; 2—盖板; 3—标点; 4—廊道底板;5—内管; 6—外管; 7—橡皮阀; 8—基岩;9—排浆机; 10—电阻温度计

图8.5 墙上标

1—坝体; 2—标点; 3—保护箱

水利工程变形监测中，对不同的监测对象，各类监测点的布设方法和选择位置各不相同。

(3)工作基点。位移监测的工作基点应建在稳定区域。

①土石坝。在两岸设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，可在坝身每一个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。

(4)变形监测标点。建筑物(或构筑物)上各类测点应和建筑物(或构筑物)牢固结合，以便更加准确地代表建筑物的变形情况。建筑物(或构筑物)外部的各类测点，应埋设在新鲜的或微风化基岩上，以确保测点稳固可靠，能代表该处岩体变形。

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，一般取30～50m; 当坝长大于300m时，一般取50～100m。

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。在滑坡体每个观测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。

(5)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布设1～2个校核基点。

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。

2. 监测方法

(1)监测方法的选择。水利大坝和坝基水平和垂直位移常用的监测方法见表8.2，表中未列出的部位可参照布设。以下为具体选择方法:

①坝体挠度宜采用垂线观测。坝基挠度可采用倒垂组或其他适宜方法观测。

②重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移宜采用引张线法观测。必要时，可采用真空激光准直法。若坝体较短、条件有利，坝体水平位移可采用视准线法或大气激光准直法观测。

③拱坝坝体和坝基水平位移宜采用导线法观测。若交会边长较短、交会角较好，坝体水平位移可采用测边或测角交会法观测。有条件时，可采用视准线法观测。

④拱坝和高重力坝近坝区岩体水平位移，应布设边角网(包括三角网、测边网)观测，个别点可采用倒垂线或其他适宜方法观测。

在综合应用以上这些监测方法时，应注意以下几点:

①准直线和导线的两端点、交会法的工作基点应尽量设置倒垂线作为基准。引张线、导线、真空激光准直的两端点也可设在两岸山体的平洞内。视准线可在两端延长线外设基准点，交会法工作基点可用边角网校核。

②重力坝或支墩坝如坝体较长，需分段设引张线时，分段端点应设倒垂线作为基准。当地质条件较差，对倒垂锚点的稳定性有怀疑时，可采用连续引张线法进行校核。

③坝基范围内的重要断裂或软弱夹层，应布置倒垂组或多点位移计监测其变形。

④观测高边坡或滑坡体的水平位移时，基准点和工作基点应尽量组成边角网。测点可用视准线和交会法观测。深层位移可采用倒垂组、多点位移计、挠度计或测斜仪等进行观测。

表8.2 水利大坝和坝基安全常用的监测方法

(2)常用观测方法的实施。

①准直线。引张线观测可采用读数显微镜、两线仪、两用仪或放大镜，也可采用遥测引张线仪。严禁单纯使用目视直接读数。每一测次，应观测两测回，两测回观测值之差:当使用读数显微镜时，不得超过0.15mm; 当使用两用仪、两线仪或放大镜时，不得超过0.3mm。

视准线应用采用视准仪或J1型经纬仪进行观测。每一测次，应观测两测回，两测回观测值之差: 采用活动觇标法时，不得超过1.5mm; 采用小角度法时，不得超过3″。视准线法的观测限差见表8.3。

表8.3 视准线观测限差

用大气激光准直法每一测次，应观测两测回，两测回测得偏离值之差不得大于1.5mm。用真空激光准直每一测次，应观测一测回，两个半测回测得偏离值之差不得大于0.3mm。

②边角网、交会法、导线法。水平角应以J1型经纬仪观测，边角网测角中误差不得大于0.7″，交会法测角中误差不得大于1.0″。边长用精度约为1/500000的电磁波测距仪直接测量。

8.2.2 垂直位移监测

测量规程规定: 在进行垂直位移监测时，垂直位移下沉为正，上升为负。

1. 监测点的设置

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8.6所示，土基标由标志和底盘组成，在标柱的顶部用不锈钢或玛瑙制成水准标志，并在底盘正北方向安装一个水准标志的副点以作校核。底盘应埋设于最大冻土深度以下0.5m以上。

图8.6 土基中的水准标石(单位: m)

1—地面; 2—主点;3—副点; 4—最大冻土深度线

图8.7 地表岩石标

1—混凝土盖板; 2—副点; 3—主点;4—混凝土; 5—新鲜岩石

(2)岩石标。如图8.7所示，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。

(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，可设计图8.8所示的深埋钢管标。钢管深入新鲜基岩2cm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，可采用图8.9所示的双金属管标。钢管标的高程改正值算式为

Δ=h1－h0　(8.1)

式中，h1为某次观测时两金属管之间的高差(mm); h0为首次观测时两金属管之间的高差(mm)。

图8.8 深埋钢管标

1—钢筋混凝土标盖; 2—测温孔; 3—钢板标盖;4—标点; 5—钻孔保护管(钢管); 6—橡胶环;7—心管(钢管); 8—新鲜基岩; 9—200#水泥沙浆;10—心管底板和根络

图8.9 双金属管标(单位: cm)

1—钢筋混凝土标盖; 2—钢板标盖; 3—标点;4—钢心管; 5—铝心管; 6—橡胶环;7—钻孔保护管; 8—新鲜基岩;9—200#水泥沙浆; 10—心管底板和根络

2. 监测方法的选择

(1)精密水准法。坝体、坝基和近坝区岩体的垂直位移应采用一等水准测量的方法，并应尽量组成水准网。高边坡和滑坡体的垂直位移可采用二等水准测量。一等水准网应尽早建成，并取得基准值。水准基准点一般设在坝下游1～3km处。水准路线上每隔一定距离应埋设水准点。水准点分为基准点(水准原点)、工作基点(坝体、坝基垂直位移观测的起测基点)和测点三种。各种水准点应选用适宜的标石或标志。基准点和工作基点宜采用基岩标、平洞基岩标、双金属标、岩石标、钢管标; 坝体上的测点宜采用地面标志、墙上标志、微水准尺标; 坝外测点宜采用岩石标、钢管标。基准点应成组设置，每组不得少于三个水准标石。工作基点应设在距坝较近处，一般两岸各设一组，每组不宜少于两个标石。应在基础廊道和坝顶各设一排垂直位移测点，对高坝，还应在中间高程廊道内设一排测点。各排测点的分布，一般每一坝段一个测点。近坝区岩体垂直位移测点的间距，在距坝较近处一般为0.3～0.5km; 距坝较远处可适当放长，一般不超过1km。为连接坝顶和不同高程的廓道的水准路线，可通过竖井用铟瓦尺作为高程传递。

(2)其他方法。

①连通管法，即流体静力水准法。适用于测量坝体和坝基的垂直位移，应设在水平廊道内。

②真空激光准直法。

采用以上两种方法进行垂直位移检测时，应在大坝的两端布设垂直位移工作基点。

③三角高程法。适用于近坝区岩体的垂直位移观测，在高山区，可采用三角高程法。高边坡和滑坡体的垂直位移也可用三角高程法测定。必要时，可将此法与边角网结合组成“三维网”。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，已能达到或接近等水准测量的精度。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。

3. 常用监测方法的实施

一等水准应以S05型或更高等级的水准仪和线条式铟瓦水准标尺进行观测。二等水准也可用S1型水准仪。精密水准观测的要求应按《国家水准测量规范》中关于一、二等水准测量的规定执行。水准路线闭合差不得超过表8.4的规定。

表8.4 精密水准路线闭合差之限值

注: R为测段长度(km); F为环线长度或符合线路长度(km); n1为测段站数(单程); n2为环线或符合线路站数。三角高程测量中，天顶距应以J1型经纬仪观测。气泡倾斜仪的气泡格值不应大于5″。

用精密水准法进行倾斜观测，应满足表8.4中关于一等水准的限差规定。观测时，必须保证标心和标尺底面清洁无尘。每次观测均由往、返测组成，由往测转为返测时，标尺应该互换。必须固定水准仪设站位置，最好将水准仪装设在观测墩上。当在基础廊道中观测时，应读记至水准仪测微器最小分划的1/5。在水准测量中，应尽量设置固定测站和固定转点，以提高观测的精度和速度。

当采用三角高程测量方法时，推算高程的边长不应大于600m。天顶距应以J1型经纬仪对向观测6测回(宜做到同时对向观测)，测回差不得大于6″; 仪器高的量测中误差不得大于0.1mm。

另外，还可以采用沉降仪法进行垂直位移的监测。

8.2.3 倾斜和裂缝

倾斜监测的符号规定: 向下游转动为正，向左岸转动为正; 反之为负。

接缝和裂缝开合度的符号规定: 张开为正，闭合为负。

1. 倾斜观测

坝体、坝基的倾斜，应采用一等水准观测，也可采用连通管和遥测倾斜仪观测。坝体倾斜还可采用气泡倾斜仪观测。基础附近测点宜设在横向廊道内，也可在下游排水廊道和基础廊道内对应设点。坝体测点与基础测点宜设在同一垂直面上，并应尽量设在垂线所在的坝段内。整个大坝倾斜观测的布置，在基础高程面附近不宜少于3处，在坝顶和高坝中部的高程面不宜少于4处。用精密水准法观测倾斜，两点间距离，在基础附近不宜小于20m; 在坝顶不宜小于6m。连通管应设在两端温差较小的部位。气泡倾斜仪宜用于坝体中、上部，其底座长度不宜小于300mm，气泡倾斜仪的气泡格值不应大于5″。

2. 表面接缝和裂缝观测

对表面接缝和裂缝的变化，可选择有代表性的部位埋设单向或三向机械测缝标点或遥测仪器进行观测。单向机械测缝标点和三向弯板式测缝标点的观测，通常直接用游标卡尺或千分卡尺量测; 单向机械测缝标点也可用固定百分表或千分表量测。平面三点式测缝标点宜用专用游标卡尺量测。机械测缝标点每测次均应进行两次量测，两次观测值之差不得大于0.2mm。用气泡倾斜仪观测时，每测次均应将倾斜仪重复置放在底座上3次，并分别读数。读数互差不得大于5″。平面三点式测缝标点结构如图8.10所示。

图8.10 平面三点式测缝标点结构图