水利工程安全及其變形監(jiān)測技術(shù)探討

摘 要 由于水壓引起的水壩變形，對(duì)水庫的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此必須對(duì)水壩變形進(jìn)行連續(xù)而精密的觀測。本文作者結(jié)合自身多年的水利工作經(jīng)驗(yàn)，探討了水利工程安全措施，介紹了世界先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，以供同行交流。

關(guān)鍵詞 水利工程；工程安全；變形監(jiān)測

中圖分類號(hào) TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-（2012）112-0112-02

水利工程變形監(jiān)測是水工建設(shè)中不可缺少的一個(gè)組成部分，無論是在水利樞紐工程的勘測設(shè)計(jì)階段，還是在施工建造階段，以及其后的運(yùn)營管理階段中，都要進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的測量工作。在水利樞紐中，大壩是最重要的建筑物，因此要定期或不定期地對(duì)其進(jìn)行變形觀測，以監(jiān)視安全并且為科研之需。我們常把用工程測量的方法觀測水工建筑物幾何形狀的空間變化稱為外部變形觀測。包括水平位移觀測、垂直位移觀測、撓度觀測和傾斜觀測等。其觀測范圍不僅包括建筑物的基礎(chǔ)、建筑物本身，還包括建筑物附近受水壓力影響的部分地區(qū)。在這一時(shí)期，測量工作的特點(diǎn)是精度要求高、重復(fù)性大、儀器設(shè)備多。

1 水工建筑物的安全監(jiān)測

對(duì)水工建筑物而言，對(duì)其采取安全變形監(jiān)測工作尤顯重要，因?yàn)闈螢?zāi)害一般在10 min～20 min內(nèi)造成，洪水巨浪所到之處，摧毀力極強(qiáng)，國內(nèi)外無數(shù)實(shí)例令人觸目心驚。另外，由于設(shè)置了監(jiān)測系統(tǒng)，通過長期觀測和資料分析，及時(shí)對(duì)工程進(jìn)行加固，把事故消滅在萌芽之中，這種化險(xiǎn)為夷的事例也很多。

安全監(jiān)測不僅確保水工建筑物安全施工和正常運(yùn)營，也是對(duì)施工質(zhì)量的評(píng)定。例如，葛洲壩電廠是建在產(chǎn)狀平緩、多軟弱夾層的地基上，因此擔(dān)心開挖后會(huì)破壞基巖穩(wěn)定，于是安裝了大量基巖應(yīng)變計(jì)。在施工期間及1981年大江截流和百年一遇的洪水期間的觀測表明， 基巖處理后，變形量在允許范圍內(nèi)，大壩是安全穩(wěn)定的。此外，安全監(jiān)測結(jié)果也是對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供資料。

1.1 水工建筑物安全監(jiān)測的內(nèi)容與精度要求

不同結(jié)構(gòu)的水工建筑物，其觀測內(nèi)容也不相同。以大壩為例，一般包括現(xiàn)場檢查，外部觀測和內(nèi)部觀測?，F(xiàn)場檢查是指對(duì)壩的上、下游面、廊道、空腔、壩肩等外露部分是否存在裂縫、滲水、沖蝕、磨損、松軟老化等進(jìn)行檢查。還應(yīng)檢查排水、止水設(shè)備是否暢通或止水。外部觀測包括壩的水平位移、沉降、傾斜、撓度觀測以及縱、橫縫和裂縫觀測，還要進(jìn)行基巖變形和岸坡穩(wěn)定（滑坡）觀測。內(nèi)部觀測包括壩內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變觀測、滲流觀測、水力觀測、水文和泥沙觀測等。

盡管觀測項(xiàng)目因?qū)ο蠖悾餐冶匦璧捻?xiàng)目為水平位移、沉降和水位觀測。對(duì)于混凝土壩還應(yīng)觀測伸縮縫和混凝土溫度。安全監(jiān)測的精度要求取決于觀測的目的和建筑物本身允許變形值的大小。

1.2 大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)布設(shè)

就混凝土大壩而言，首先應(yīng)在壩軸線上、下游靠岸的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布設(shè)變形監(jiān)測控制點(diǎn)，目前仍以大地測量方法為主，且多采用邊角網(wǎng)。邊角網(wǎng)應(yīng)在壩軸線的兩端附近設(shè)點(diǎn)，以監(jiān)測大壩與岸坡連接部分的變形。對(duì)庫區(qū)滑坡，也應(yīng)建立邊角網(wǎng)。由于現(xiàn)代測繪儀器的測角、測距精度較高，近年來國內(nèi)外已開始用GPS控制網(wǎng)來代替邊角網(wǎng)，如我國清江隔河巖水電站，共安裝7臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，可連續(xù)地、全天候地實(shí)時(shí)監(jiān)測大壩的變形，其精度達(dá)亞毫米級(jí)，這在國際上也是先進(jìn)的。下面結(jié)合某重力拱壩的變形監(jiān)測系統(tǒng)布置作進(jìn)一步說明。

該重力拱壩的壩高245m，壩頂長1066m，壩頂寬25m，底寬102m，共分60個(gè)壩段，其縱剖面圖如圖1所示。設(shè)計(jì)書提出的精度要求為：大壩和基礎(chǔ)水平位移的中誤差1 mm，壩頂拱冠處水平位移中誤差3 mm，大壩和基礎(chǔ)的垂直位移中誤差1 mm。監(jiān)測系統(tǒng)包括：邊角監(jiān)測網(wǎng)。用于檢核導(dǎo)線端點(diǎn)和垂線的穩(wěn)定性。2）用精密直伸導(dǎo)線（弦矢導(dǎo)線）測定壩體水平位移。該導(dǎo)線布置在高程為40 m、109 m和163 m的廊道和平洞中，平洞深度為70 m～100 m，平洞末端的導(dǎo)線端點(diǎn)為位置相對(duì)穩(wěn)定的起始點(diǎn)。在190 m高程廊道的7個(gè)斷面上，懸掛正錘線，正錘線的讀數(shù)站位于高程為40 m、109 m、163 m的導(dǎo)線附近，以便互相校核位移值。在18、33、45壩段各埋設(shè)一個(gè)倒錘組，用以確定基礎(chǔ)的位移并與正錘線銜接。所謂倒錘就是用錨塊固定在基礎(chǔ)穩(wěn)定的基巖上的錘線裝置，錘線由安裝在壩頂浮箱的重錘拉緊，每個(gè)倒錘組有4個(gè)不同深度的錨塊，壩體讀數(shù)站相對(duì)于倒錘線的移動(dòng)，表明壩體的位移。

垂直位移觀測系統(tǒng)由水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成的精密水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測。大壩垂直位移分別在40 m～109 m、163 m高程廊道和平洞中進(jìn)行觀測。為了確定大壩和基礎(chǔ)的傾斜變形，又分別在18、25、33、39和45壩段且高程為5 m的灌漿廊道和40 m的橫向廊道中進(jìn)行觀測。用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)觀測廊道和平洞的垂直位移，該系統(tǒng)包括直徑為150 mm的管子和連接軟管，在每一壩段的兩接縫處各設(shè)置一個(gè)垂直位移觀測點(diǎn)。對(duì)于直線重力壩，一般是用基準(zhǔn)線（視準(zhǔn)線、引張線、激光準(zhǔn)直）加正、倒錘組成基準(zhǔn)線和垂線系統(tǒng)，用基準(zhǔn)線觀測壩體水平位移，以垂線檢查基準(zhǔn)線端點(diǎn)的位移。

2 大壩岸坡自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)

為了有效地提高水工建筑物變形監(jiān)測精度，應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測設(shè)備。其中瑞士Leica儀器公司研制的由計(jì)算機(jī)控制、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電子經(jīng)緯儀TM300，可自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。該儀器裝上CCD攝像機(jī)就構(gòu)成TM300 V，利用圖像處理軟件和程序指令，儀器自動(dòng)掃描待測對(duì)象上的所有目標(biāo)，測出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在TM300 V中若安裝測距儀，則為TM300V/D，這類儀器又稱測量機(jī)器人。若與軟件相結(jié)合，則組成自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)APSV/D。該系統(tǒng)在意大利北部某河段一座雙曲拱重力壩的應(yīng)用情況。該壩建成于20世紀(jì)50年代。大壩高132m，壩頂弧長為408 m，設(shè)計(jì)容量7200萬m3。1964年水庫首次蓄滿水，左岸多處滲漏，從而引起地表沉降。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查研究表明：河右岸的巖基是穩(wěn)定的，而左岸受太陽曝曬影響，使地面雨水和庫水滲漏。當(dāng)時(shí)監(jiān)測近壩區(qū)的地表形變主要采用常規(guī)的地面控制測量方法，包括布設(shè)邊角網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)以及5個(gè)倒錘裝置。為對(duì)大壩左岸變形進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測，在近壩區(qū)右岸，安裝了一套APSV/D系統(tǒng)，在壩左岸不穩(wěn)定區(qū)域埋設(shè)了16個(gè)反射棱鏡，測站到目標(biāo)的距離為170～1500m。每個(gè)反射器固定在混凝土墩上，其中兩個(gè)埋設(shè)在壩左、壩右較為平坦的河谷上作為參考點(diǎn)。測站上包括一臺(tái)帶CCD攝像機(jī)的測量機(jī)器人，一臺(tái)微處理機(jī)及相應(yīng)的APS軟件，還包括供電設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。儀器安置在觀測墩上，觀測墩設(shè)置在裝有特殊透光玻璃窗的觀測房內(nèi)。整個(gè)測量過程由APS軟件控制。TM300V/D由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，能按設(shè)置的測量程序?qū)γ總€(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)照準(zhǔn)，自動(dòng)獲取水平方向、天頂距和距離值。在良好的大氣條件下，測角精度可達(dá)0.6″，測距精度為1mm+1ppm× D km。系統(tǒng)可通過設(shè)置在護(hù)罩外的傳感器自動(dòng)讀取溫度、氣壓并進(jìn)行氣象改正。

APSV/D系統(tǒng)測量一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，從尋標(biāo)、照準(zhǔn)到讀數(shù)約需20s，可做重復(fù)測量。通過取平均值提高精度和減小大氣因素的影響，也可按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行周期觀測，如每天觀測數(shù)個(gè)周期。測量工程師僅需每兩周去現(xiàn)場一次，對(duì)測量成果進(jìn)行簡單的檢查分析，然后將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)離電站的公司總部。在那里結(jié)合其他觀測資料如庫水位、含水量等對(duì)測量機(jī)器人觀測數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理和分析評(píng)價(jià)。

3 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新的監(jiān)測技術(shù)也不斷引入到水利水電工程的變形監(jiān)測中，新技術(shù)的應(yīng)用必然帶來監(jiān)測技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等一系列的技術(shù)問題需要解決。利用GPS（全球定位系統(tǒng)）信號(hào)對(duì)大壩變形等進(jìn)行監(jiān)測可以獲得非常精確的結(jié)果。各項(xiàng)目單位應(yīng)認(rèn)真落實(shí)掌握先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，以確保水利工程的安全性，進(jìn)而保障國民的性命財(cái)產(chǎn)安全。

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