8.4水利工程监测实例，工程变形监测案例简介

8.4.1 工程概况

××水利枢纽位于××省××市××县境内，大坝坝型为混凝土重力坝，坝轴线总长995.4m，坝顶高程466m，最大坝高114m。该工程是××干流开发中唯一的控制性工程，以防洪、灌溉及城乡供水为主，兼顾发电、航运，并具有拦沙减淤等效益的综合利用工程。枢纽正常蓄水位458m，相应库容34.68亿m3，防洪高水位458m，非常运用洪水位461.3m，灌溉农田316.85万亩，电站装机1100MW，通航建筑物为500t级。根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》确定，本工程等级为Ⅰ等，工程规模为大(1)型。其主要建筑物拦河大坝、泄水建筑物、左岸灌溉渠首进水塔及渠首引水隧洞为1级; 垂直升船机上闸首是枢纽中挡水建筑物，其级别亦为1级; 电站厂房为2级; 右岸灌溉渠首进水塔及引水隧洞为3级; 导流等其他次要建筑物为3级; 参照《船闸水工建筑物设计规范》，通航建筑物承重塔柱下闸首为3级、导航与靠船等建筑物为4级。大圆包崩滑体级别为3级。

8.4.2 监测仪器布置

亭子口水利枢纽大坝共分50个坝段，安全监测工程将监测部位划分为两个层次: 重点监测部位和一般监测部位。重点监测部位是建筑物结构具有较强代表性或基础条件复杂、对于建筑物安全起决定性作用的敏感部位。重点部位观测项目齐全，仪器布置相对集中，对重要的效应量采取多种方法平行进行监测。一般监测部位是重要部位的延伸和补充，遵循少而精的原则布置监测仪器。亭子口水利枢纽大坝安全监测重点监测坝段: 厂房坝段(17#坝段、20#坝段)、底孔24#坝段、表孔坝段(28#坝段、31#坝段)、垂直升船机37#坝段; 一般监测坝段: 左岸非溢流坝段16#坝段、右非38#坝段和纵向围堰36#坝段。监测项目有: 变形监测、渗流监测、应力应变监测、水力学监测等，所采用的监测仪器有: 多点位移计，基岩变形计，测缝计，应变计，无应力计，温度计，钢筋计，渗压计，脉动压力传感器，正、倒垂线，引张线，静力水准等。

1. 变形监测仪器布置

根据大坝结构形式、地质条件及施工工艺，结合主坝稳定分析与应力计算成果，大坝变形监测主要包括水平位移、垂直位移、挠度、坝基深层剪切和沉降变形监测等。

大坝及其基础的水平位移是在水平位移监测网的整体联系控制下，采用正、倒垂线，引张线进行监测，其中，垂线也是坝体挠度的监测设施; 垂直位移是在垂直位移监测网的整体联系控制下，采用双金属标、精密水准点、静力水准进行监测; 坝基深层剪切和沉降变形采用测斜管、基岩变形计和多点位移计进行监测。

(1)水平位移。

①正垂线和倒垂线。根据大坝结构布置和变形监测的需要，大坝399.2m高程以下共布置5条倒垂线和3条正垂线。这些垂线既作为大坝水平位移监测的工作基点，也兼作大坝挠度变形监测设施。具体布置如下: 在16#、17#、20#、31#坝段各布置1条倒垂线， 20#、31#坝段各布置1条正垂线，正、倒垂线观测站分别设在对应的16#、17#、20#、31 ##坝段基础廊道内，共计4个观测站。倒垂线在基岩内钻孔深度为40～50m，正垂线长度在47m左右。

②引张线。在大坝17#～36#坝段第二基础廊道上游壁布置1条引张线，共18个测点。

(2)垂直位移。大坝垂直位移监测采用双金属标、精密水准点和静力水准相结合的方法。双金属标作为坝体基准点，静力水准测点与精密水准点对应布置相互校核。具体布置如下:

①双金属标。为监测大坝建筑物及其基础的垂直位移，在20#、31#坝段的EL399.2m廊道、基础廊道观测房内各布置1套双金属标，共4套。基础廊道2套双金属标也作为坝体垂直位移工作基点。

②静力水准。在17#～36#坝段上、下游基础廊道和31#坝段横向廊道各布置1条静力水准，共计3条静力水准测线、42个静力水准测点、标定装置3套。

③精密水准点。在17#～36#坝段上游基础廊道每个坝段各布置精密水准点1个，共计20个; 下游基础廊道17#、20#、24#、28#、31#、34#坝段各布置精密水准点1个，共计6个; 1#～16#坝段基础廊道每个坝段各布置精密水准点1个，共计16个。目前坝体基础廊道共计布置精密水准点42个。

(3)坝基深层剪切和沉降变形。为监测大坝基岩深层剪切和沉降变形，在17#、20#、24#、28#、31#坝段第三廊道布置测斜孔5个，每孔深32.0m; 在16#、17#、20#、24#坝段基础各布置多点位移计、基岩变形计2组(套)，28#、31#坝段基础各布置多点位移计1组、基岩变形计2套。以上共计测斜孔5个、多点位移计10组、基岩变形计12套。

2. 渗流监测仪器布置

(1)坝基扬压力及坝体渗透压力。

①坝基扬压力监测。坝基扬压力的大小和分布，对于大坝抗滑稳定性影响很大。根据挡水建筑物结构特点、工程地质与水文地质条件和渗控工程措施，采取上、下游帷幕灌浆廊道布置测压管，坝基内布置渗压计(随施工进度埋设)的方式。监测手段采用钻孔式测压管，孔底伸入建基面以下1.0m。

测压管布置沿坝轴线方向在上、下游基础灌浆廊道内各设一个纵向监测断面。上、下游基础灌浆廊道内的排水幕上每坝段各布置1根测压管。另外，在17#、20#、24#、28#、31#、36#坝段的帷幕前各布置1根测压管，用以对比监测帷幕的防渗效果。以上以及消力池各封闭帷幕灌浆廊道共计布置测压管64根。

另外，在17#、20#、24#坝段基础各布置基岩渗压计3支，16#、28#、31#坝段基础各布置基岩渗压计2支，共计布置渗压计15支，以监测坝基扬压力。

②坝体渗透压力监测。为监测坝体水平工作缝的渗压情况，在20#坝段361.0m、381.0m高程各布置渗压计4支; 在24#坝段363.0m、381.0m高程各布置渗压计4支; 在31#坝段367.0m布置渗压计4支、389.0m高程布置渗压计3支，共计布置渗压计23支。

(2)坝基和坝体渗漏量监测。目前暂未布置坝基和坝体渗漏量监测设施。经坝体排水管及裂缝等处的漏水，暂时采用目测。漏水量较大时，设法集中后用容积法量测。

(3)应力应变监测仪器布置。主要对厂房坝段、底孔坝段、表孔坝段和升船机等重点部位进行应力、应变监测。非溢流坝段主要根据需要对基岩面结合部位及混凝土温度等进行监测。监测项目有: 坝块分缝及周边缝开合度、砼温度、钢筋应力和混凝土应力监测等。

①温度监测。

a． 坝面温度监测。在17#、20#坝段411.0～361.0m高程每隔10m距上游坝面10cm处布置1支温度计，以观测不同深度的上游坝面温度及蓄水后的水温变化情况。

在28#、31#坝段433.0～413.0m、377.0～357.0m高程每隔10m，413.0～377.0m高程每隔12m距上游坝面10cm处布置1支温度计，以观测不同深度的上游坝面温度及蓄水后的水温变化情况。以上共计布置温度计28支。

b． 坝体温度监测。在17#坝段中心线上411.0m高程以下按10m×10m间距呈立面网格状布置温度计43支; 20#坝段411.0m高程以下按10m×10m×10m间距呈立体网格状布置温度计163支; 24#坝段中心线及左侧451.0～347.0m高程(底孔除外)按10m×7m× 8m间距呈立体面网格状布置温度计124支; 28#坝段中心线上433.0m高程以下按10m× 10m间距(413.0～377.0m高程每层间距12m)呈立面网格状布置温度计49支; 31#坝段中心线上433.0m高程以下按10m×10m间距(413.0～377.0m高程每层间距12m)呈立面网格状布置温度计43支，以监测坝体温度分布情况。以上共计布置温度计422支。

c． 坝基温度监测。在20#、31#坝块建基面的中部各布置1个垂直钻孔，钻孔孔口、1m、3m、5m、10m深处，各埋设1支温度计，以观测基岩温度变化梯度。以上共布置温度计10支。

②接缝监测。接缝监测主要针对大坝基础及周边部位基岩与混凝土接触缝和坝块分缝布置，以了解该部位接缝的开合情况。在17#、20#、24#、28#、31#坝段坝基深槽内各布置测缝计3支; 20#坝块左、右及坝尾分缝布置测缝计12支; 24#坝块左、右分缝布置测缝计9支; 17#、28#、31#坝段左、右及坝尾分缝各坝段布置测缝计9支; 左岸陡坡(12#～17#坝段)基础结合面布置测缝计11支。以上共计布置测缝计74支。

③坝体应力应变监测。

a． 20#坝段引水管应力、应变监测。在厂房20#坝段引水钢管下弯段、斜坡段、下弯段和下平段个布置一个监测断面，在每个监测断面上各布置钢筋计8支、钢板计4支、单向应变计4支、无应力计1支。

b． 1#底孔、3#底孔周边应力应变监测。在1#、3#底孔闸门槽前、后和底孔明流段尾部各布置一个监测断面，共计6个监测断面。底孔闸门槽前、后的4个监测断面各布置钢筋计6支、单向应变计6支、无应力计1支; 底孔明流段尾部的2个监测断面各布置钢筋计5支、单向应变计5支、无应力计1支。

底孔明流段高程380～389m，桩号X0+028.0～X0+037.0区间结构应力水平较高，为掌握该区间钢筋和混凝土应力分布及变化情况，有针对性地在该部位(1#底孔和3#底孔桩号X0+034.0m)各增布一个监测断面，每个监测断面各布置钢筋计8支、单向应变计4支、无应力计1支。以上共计布置钢筋计50支、单向应变计50支、无应力计8支。

c． 大坝基础应力应变监测。在17#、20#、24#、28#、31#坝段的重要监测断面上布置大坝基础砼应力、应变监测仪器。每个坝段具体布置如下:

17#、20#坝段距离基岩面2m(351.0m高程)中心线上各布置五向应变计3组、无应力计3支; 距离基岩面17m(366.0m高程)中心线上各布置五向应变计2组、无应力计2支;坝尾355.0m高程中心线上各布置二向应变计1组、无应力计1支。

24#坝段上游深槽内350.0m高程布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面1m(353.0m高程)中心线上布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面3m(355.0m高程)中心线上布置五向应变计2组、无应力计2支。

28#坝段上游深槽内350.0m高程布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面1m(353.0m高程)中心线上布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面5m(357.0m高程)中心线上布置五向应变计2组、无应力计2支。

31#坝段上游深槽内350.0m高程布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面1m(353.0m高程)中心线上布置五向应变计1组、无应力计1支; 距离基岩面5m(357.0m高程)中心线上布置五向应变计2组、无应力计2支。距离基岩面20m(372.0m高程)中心线上布置五向应变计2组、无应力计2支。

以上共计布置五向应变计24组、二向应变计2组、无应力计26支。

④观测站布置。大坝16#上游基础廊道、17#坝段第二基础廊道、20#和31#坝段上游基础廊道、399.2m高程廊道、428.0m高程廊道内各设置1个垂线观测房; 24#和28#坝段第二基础廊道、399.2m高程廊道、428.0m高程廊道内各设置1个内观测站。以上共计布置垂线观测房8间、内观测站6个。

3. 专项监测设施布置(水力学监测)

水利枢纽泄水建筑物由9个表孔和5个深孔组成，根据国内外经验，水电工程的安全问题，有相当一部分与泄水建筑物的水力条件有关。因此，开展水力学监测是保证工程安全的一项重要措施。

(1)监测部位。主要选择1#、5#表孔和1#、3#底孔作为主要监测部位。

(2)监测内容。水力学的主要监测内容为流态、水舌轨迹、掺气、空气噪声、雾化、泄洪时的水情、时均压力、脉动压力、水下噪声、波浪、开度行程等。

(3)压力测点布置。在1#表孔溢流面上布置6个脉动压力测点，侧墙上布置5个断面、7个脉动压力测点，消力池下游挡水墙布置1个脉动压力测点。共计布置压力测点14个。

在5#表孔溢流面上布置8个脉动压力测点，消力池下游挡水墙布置1个脉动压力测点。共计布置压力测点9个。

在1#底孔溢流面上布置13个脉动压力测点，侧墙上布置9个断面、12个脉动压力测点，消力池下游挡水墙布置1个脉动压力测点。共计布置压力测点26个。

在3#底孔溢流面上布置13个脉动压力测点，侧墙上布置3个断面、3个脉动压力测点，消力池下游挡水墙布置1个脉动压力测点。共计布置压力测点17个。

8.4.3 监测资料初步分析成果

1. 大坝变形监测

大坝廊道变形监测仪器正垂线、倒垂线、双金属标、引张线、静力水准、精密水准点于2012年1月10日前安装完成并测取初值。

大坝基础16#、17#、20#、24#、28#、31#坝段坝基中线上、下游各埋设基岩变形计1套，共12套。至2011年12月31日，基岩最大压缩变形6.51mm(20#坝段轴线下96.68m)，变形趋势微有收敛; 24#中心线深齿槽基岩(坝轴线上)压缩变形4.52mm，呈压缩变形趋势; 其他监测部位基岩变形趋势相对稳定。

大坝基础16#、17#、20#、24#坝段坝基中线上、下游各埋设多点位移计1组，28#、31#坝段坝基中线中坝段间部位各埋设多点位移计1组，共计多点位移计10组。至2011年12月31日，监测部位基岩变形5.0mm以内，变形趋势相对稳定。

2. 渗流渗压监测

大坝上、下游帷幕灌浆廊道、消力池测压管2012年1月5日前全部完成施工。目前暂未布置坝基和坝体渗漏量监测设施，经坝体排水管及裂缝等处的漏水暂时采用目测，漏水量较大时，设法集中后用容积法量测。

大坝16#、17#、20#、24#、28#、31#坝段基础共布置基岩渗压计15支，监测坝基渗漏情况。目前16#坝段坝基水头高度为0.6m(历史最大水头3.1m); 17#坝段坝基历史最大水头13.7m，目前最大水头高度9.0m; 20#坝段坝基历史最大水头5.7m，目前最大水头高度5.0m; 24#坝段坝基历史最大水头2.6m，目前最大水头高度0.2m; 28#坝段坝基历史最大水头0.6m，2011年前基本无水压; 31#坝段坝基历史最大水头4.0m，目前最大水头高度4.0m。坝基所有监测部位水位变化无异常。

20#坝段361.0m、381.0m高程、24#坝段363.0m、381.0m高程、31#坝段367.0m高程、389.0m高程坝体水平工作缝上共计布置渗压计23支，监测大坝蓄水后坝体水平工作缝渗漏情况。坝体渗压计仅20#坝段361.0m高程上游面(距坝面1.0m)渗压计水头高度为1.2m，其余渗压计水头高度在0.2m以内，局部渗压计基本无水压。

3. 应力应变监测

(1)温度计。大坝混凝土温度计布置在17#、20#、24#、28#、31#坝段，基岩温度计布置在20#、31#坝段，共计布置温度计460支，已完成398支。

以17#坝段为例，该坝段共计温度计49支，坝面温度计6支(T2-01BD17～T7-01BD17)、混凝土温度计43 支，分7 个高程(351.0m、361.0m、371.0m、381.0m、391.0m、401.0m、411.0m)布置埋设。坝面温度随环境温度变化而变化; 混凝土历史最高温度35.1℃(391.0m高程，2011年5月浇筑混凝土)，目前最高温度33.5℃(371.0m高程坝尾温度计受1#引水管混凝土浇筑影响)，呈降温趋势。

(2)测缝计。大坝基础和岸坡周边接缝布置测缝计26支，监测坝体混凝土与基岩接触面开合变化; 坝段与坝段分缝之间布置测缝计48支，监测坝块分缝开合变化。

以大坝左岸陡坡坝段13#坝段为例，该坝段布置测缝计2支，基本处于闭合状态;14#坝段布置测缝计3支，目前接缝最大开度为0.12～0.32mm; 16#坝段基础坝0～4.35m桩号、左侧贴坡376.0m高程坝0+0.00桩号、0+40.00桩号各布置测缝计1支，目前接缝开度0.22～0.69mm，呈增大趋势; 17#坝段左侧贴坡357.0m高程坝0+0.00桩号、0+40.00桩号各布置测缝计1支(0+40.00桩号测缝计2011年3月16日固结灌浆影响增大3.76mm)，目前接缝开度分别为0.67mm、4.56mm，基本趋于稳定。

(3)坝体应变计。大坝坝体内布置五向应变计24组(每组对应布置无应力计1支)、二向应变计2组(每组对应布置无应力计1支)、单向应变计2支。在大坝施工和温度共同作用下产生微应变在±180.0με以内，无异常突变现象。

以20#坝段为例，该坝段引水管下弯段(4—4)监测断面钢管底部钢板计最大拉伸应变93.604με，应变计最大拉伸应变936.4με，钢筋计最大拉应力为159.05MPa。由于仪器所属上部钢衬安装、混凝土浇筑及混凝土自身温度的共同作用，导致该部位仪器数据变化较大。

4. 底孔周边钢筋混凝土应力应变监测

1#底孔(22#坝段)、3#底孔(24#坝段)闸门槽前后和底孔明流段各布置应变计21支、无应力计4支、钢筋计25支。周边混凝土应变受自身混凝土温度或相邻坝段同一高程混凝土温度影响，变化较明显; 各应变计对应布置的钢筋计应力无异常变化。

8.4.4 总结

本工程安全监测工程于2010年7月开工，截至2011年12月31日共完成监测仪器设备埋设安装1073支(点)，仪器全部完好，埋设合格率100%。因后续各种原因(主要是基础廊道进水，仪器电缆被水浸泡时间过长)21支仪器失效，完好率98.04%。

基岩最大压缩变形为6.51mm(20#坝段轴线下96.68m)，变形趋势相对稳定; 其他监测部位基岩无较大变形，趋势相对稳定。

大坝基础渗压计目前最大水头高度为9.0m(17#坝段)，其余坝段基础部位水头高度在5.7m以内，坝基所有监测部位水位变化无异常。

坝体渗压计目前仅20#坝段361.0m高程上游面(距坝面1.0m)渗压计水头高度为1.2m，其余渗压计水头高度在0.2m以内，局部渗压计基本无水压。

大坝各坝段碾压混凝土最高温度在35.1～37.7℃，主要出现在5～7月份浇筑的377.0～391.0m高程的混凝土，目前最高温度在26.0～35.0℃，基本为降温趋势; 大坝24#坝段常态混凝土最高温度为50.3℃(391.0m高程，2011年8月浇筑)，目前最高温度为29.1℃(391.0m高程)，呈降温趋势。

大坝左岸陡坡坝段(14#～17#坝段)目前最大开度为0.12～0.67mm; 坝基目前最大开度为0.07～1.38mm; 17#、20#、28#、31#坝段坝尾施工缝目前最大开度为0.23～0.66mm，呈增大趋势; 坝块分缝开度为0.07～3.03mm。

大坝坝体混凝土应变计在大坝施工和温度共同作用下产生微应变在±180.0με以内，均在经验数值范围，成果符合一般规律。

20#坝段引水管下弯段(4—4)监测断面钢管底部钢板计最大拉伸应变为93.604με，应变计最大拉伸应变为936.4με，钢筋计最大拉应力为159.05MPa。由于仪器所属上部钢衬安装、混凝土浇筑及混凝土自身温度的共同作用，导致该部位监测仪器在施工初期数据变化较大，目前相对变化较小。

1#底孔(22#坝段)、3#底孔(24#坝段)周边混凝土浇筑初期应变受自身混凝土温度或相邻坝段同一高程混凝土温度影响，变化较明显，目前相对变化较小; 各应变计对应布置的钢筋计应力无异常变化。

◎习题与思考题

1. 水库大坝监测主要包括哪些内容?

2. 水库大坝坝顶沉降监测主要有哪些方法?

3. 水库大坝坝顶水平位移监测主要有哪些方法?