（水利工程专业论文）小浪底大坝安全监测系统分析与评价.pdf

摘要 小浪底水利枢纽工程自蓄水运用以来，已发挥了巨大的社会效益及经济效益。解除 了下游洪水及凌汛威胁，缓解了下游河道淤积( 每年的调水调沙运用) ，每年还可增加 4 0 亿左右的供水量，改善下游农业灌溉和城市供水条件，电站装机6 台，总容量1 8 0 0 1 删， 是河南电网的骨干调峰电源。为确保工程安全运行，加强安全监测工作是一项十分重要 的任务。 在小浪底工程建设过程中，先后埋设了较多的观测仪器和观测点，蓄水运行8 年多 来开展了一系列的原型观测和现场试验工作，取得了数百万个测试数据，为掌握大坝工 作性态提供了依据。本论文紧密结合工程实际，针对工程需要，对观测技术的发展、大 坝观测的设计、施工、仪器选型、分析方法及观测成果进行了分析研究，为工程确定合 理的运用模式创造了条件。 本文结合小浪底工程，全面系统地讨论了监测的技术理论及其应用，进行了探索和 创新，做出了综合评价、分析了存在问题、总结了经验教训和措施建议。可供类似工程 安全评价借鉴，并可为大坝运行管理部门提供参考依据，将会对监测领域工作的发展起 到良好的推动和示范作用。 关键词：小浪底水利枢纽工程、监测、分析模型、变形观测、安全评价 a b s 一广r a c t a b s t r a c t x i a o l a n g d ih y d r o - j u n c t i o np r o j e c th a sd i s p l a y e dh u g es o c i a le f f i c i e n c ya n de c o n o m i c e 伍c i e n e ys i n c ei tr e t a i n e dw a t e ra n dw a sb r o u g h ti n t os e r v i c e i th a sr e l i e v e dt h et h r e a to f t h e f l o o da n dt h ei c er u nt ot h el o w e rr e a c h e s , a l l e v i a t e d 也ed o w n r i v e rc h a n n e ls e d i m e n t a t i o n , a n dm i g h ti n c r e a s ea b o u t4b i l l i o nw a t e rs u p p l ye v e r yy e a rt oi m p r o v et h ed o w n r i v e r a g r i c u l t u r ei r r i g a t i o na n dc i t yw a t e rs u p p l yc o n d i t i o n1 1 地p o w e rp l a n ta g g r e g a t e sc a p a c i t y 1 8 0 0 m w , w h i c hi st h eh e n a ne l e c t r i c a ln e t w o r kt ot h eb a c k b o n et oa d j u s tt h ep e a kp o w e r s o u l c e , i n s t a l l se q u i p m e n t6 t h e r e f o r e , i ti sa ne x t r e m e l yv i t a ld u t yt os t r e n g t h e nt h ew o r ko f o u rs a f e t ym o n i t o r i nt h ec o n s t r u c t i o np r o c e s s ，m a n yo f f - c a r r i a g ei n s t r u m e n ta n dt h eo b s e r v a t i o np o i n th a s b e e ns u e c e a s i v e l yi n s t a l l e du n d e r g r o u n d w eh a v ec a r r i e do u tas e r i e so fp r o t o t y p e s o b s e r v a t i o na n dt h ef i e l dt e s tw o r ks i n c et h ed a mr e t a i n e dw a t e r8y e a r sa g ot oo b t a i ns e v e r a l m i l l i o nt e s td a t a , w h i e hp r o v i d e su st h eb a s i st ok e e pa b r e a s to ft h ed a mw o r kc o n d i t i o n i n v i e wo f t h ep r o j e c tn e e d , t h ep r e s e n tp a p e rc l o s ei n t e g r a t e sw i t hp r o j e c tr e a l i 哆, h a sc r e a t e dt h e c o n d i t i o nf o rt h ep r o j e c td e t e r m i n e dt h er e a s o n a b l eu t i l i z a t i o np a t t e r nb yc o n d u c t i n gt h e a n a l y s i sr e s e a r c ht oo b s e r v e dt e c h n i c a lt h ed e v e l o p m e n t , t h ed a mo b s e r v a t i o nd e s i g n , t h e c o n s t r u c t i o n , t h ei n s h u m e n ts h a p i n g t h ea n a l y s i sm e t h o da n d 也eo b s e r v a t i o na c h i e v e m e n t t h i sa r t i c l et a k e sx i a o l a n g d ip r o j e c t 豳ab a c k g r o u n d , i n 仃o d u c e st h em o n i t o rd o m a i n t e c h n i c a l t h e o r y a n di t s a p p l i c a t i o nc o m p r e h e n s i v e l y a n ds y s t e m a t i c a l l y , m a k e sa c o m p r e h e n s i v ec o n m a e n t s ，p o i n t so u tt h ee x i s t i n gp r o b l e m st ob es o l v e d , t h ee x p e r i e n c e 8t o g u m m a r i z ea n dt h el e s s o n st od r a wo n , m a ys u p p l yt h es i m i l a rp r o j e c t st h em o d e lo fs a f e t y a p p r a i s a l ，a n dm a yp r o v i d et h er e f e r e n c ef o rt h ed a mm o v e m e n tc o n t r o ls e c t i o n , w i l lb ea b l e t ot a k eg o o di m p e t u se f f e c ta n dp l a yae x e m p l a r yr o l er e g a r d i n gt h ew o r kd e v e l o p m e n to f t h e m o n i t o rd o m a i n k e yw o r d ：t h ex i a o l a n g d ih y d r o - j u n c t i o np r o j e c t , t h em o n i t o r , t h ea n a l y s i sm o d e l ，t h e d i s t o r t i o no b s e r v a t i o n , t h es a f ea p p r a i s a l m 我国水能源十分丰富，总蕴藏量居世晃第一位。建国以来，我国共修建约8 5 万座 堤坝，其中1 5 以上的大坝约有1 9 万座，发电装机约i o o g w ，库容约5 0 0 g i n 3 ，这些工程 在防洪、发电和灌溉等方面发挥了巨大的经济效益。然而，由于多种原因，相当一部分 大坝存在安全问题，据有关部门统计，在全国3 1 0 0 多座大中型水库大坝中约有3 0 、在 8 万多座小型水库中约有4 0 存在不同程度的病险问题。由于大坝及坝体坝址地质条件 复杂，又处于高地震和高地应力区，对工程安全提出了更高的要求。承受巨大的荷载， 其工作条件极为复杂，设计与实际运行存在一定差距，从而对大坝的安全监测提出了更 高的要求，同时也促进了监测技术的发展和提高。实践证明，大坝的安全监测工作对于 监控工程安全、充分发挥效益、提高设计水平、改进施工方法等都是行之有效的手段。 为了适应我国水利和能源建设事业的需要，促进安全监测技术的进步，使之在工程建设 中发挥更大的作用，当务之急是推广应用新技术、新方法迅速提高广大监测人员的业务 素质和科学技术水平 随着经济的发展和科技的进步，目前世界各国大坝的数量逐年增多，规模和体积不 断增大，而地形、地质条件却更更加复杂，一些经过长期运行的工程已经明显的老化， 在筑坝兴利的同时，发生事故危及安全，乃溃坝失事造成灾害的事件屡有发生。目前， 9 5 以上的水库大坝安全监测所得的观测资料无法及时分析，难以及时为大坝安全服 务。尽管大坝安全监测已经能够做到监测数据自动采集，但是监测数据的实时分析、大 坝运行性态的实时评价还难以实现如果傲不到这一点，大坝安全监测就没有真正成为 大坝安全的耳目，没有起到应有的作用。因此，在大坝的建设和管理方面，面临着许多 有关安全性和经济性的技术问题，广泛开展了安全监测工作，并已发展成为水利和能源 建设的重要组成部分，受到国内外坝工界的普遍重视。 本论文结合生产实际，针对工程需要，对工程监测设计、仪器选型、仪器布埋和监 测资料整编方面进行系统地总结，对监测资料进行综合地分析，从而为小浪底工程安全 运行提供服务，为在黄河流域修建水库提供了重要的参考依据 小浪底大坝安全监测控制系统以及资料的整编与分析在国内外都是具有挑战性和 前沿性，本论文作者作为小浪底大坝安全运行管理人员，收集多年来的监测成果并对其 进行分析研究，其成果将对小浪底大坝运行管理起到指导作用。主要解决的是掌握了小 浪底大坝的工作性态与变化形态，验证和分析了小浪底水库初期持续运用方式的可行 性；根据小浪底工程初期运用多年来，建立小浪底观测数据分析的模型；对目前观测仪 器的整体工作状况进行评价，为今后长期运行提出合理化建议。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事对本研 究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。如不实， 本人负全部责任。 论文作者：2 0 0 7 年6 月3 日 学位论文使用授权说明： 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光 盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文档，可 以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅。 论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者：2 0 0 7 年6 月3 日 河海大学工程硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外监测技术的研究现状与进展 大坝安全监测是最近几十年中发展起来的一门新兴的边缘技术学科2 0 世 纪2 0 年代最早开始原型观测时采用大地测量的方法观测大坝的变形；2 0 世纪3 0 年代初美国利用卡尔逊式仪器开展了大坝的内部观测。随后，欧洲、日本和前苏 联等国也相继发展了原型观测工作。当时原型观测的主要目的是研究大坝的实际 变形、温度和应力状态，其重点在于验证设计，改进坝工理论。 2 0 世纪3 0 7 0 年代世界各国迎来筑坝高潮，大坝失事的事件也时有发生， 其中法国马尔巴双曲拱坝( m a l p a s s e t ，6 6 5 米) 于1 9 5 9 年1 2 月2 日在蓄水期 因左岸基础滑动而溃坝：意大利瓦依昂双曲高拱坝( v a j o n t ，2 6 1 5 米) 于1 9 6 3 年1 0 月9 日因库岸滑坡造成漫顶，水库废弃；美国提堂土坝( t e t o n ，9 1 5 米) 于1 9 7 6 年6 月5 日因坝基管涌而溃坝等等。溃坝造成的巨大灾害引起了国际社 会的高度重视，各国政府相继建立和加强了大坝安全管理机构，颁布了有关法令 法规，大坝观测由原先主要为设计、施工、科研等技术目的服务进而发展成为监 视大坝的安全运行这个关系到社会公共安全的一个不容忽视的重要事业。7 0 年 代以来，各国致于于大坝监铡技术的发展，种类新型的监测仪器大量涌现，大坝 安全监控的理论和方法不断完善。随着现代科技的进步，大坝安全监测和管理的 自动化、现代化也获得了空前的进展，大坝安全监测事业正在经历一个前所未有 的发展时期。主要表现在安全监测仪器产品质量的提高和新产品、新技术的不断 出现；数据采集和数据传输技术已经接近世界先进水平；观测资料分析已经进入 软件化阶段，直接服务于大坝安全；建立在大坝安全监测自动化系统之上的各种 信息系统也已出现。 中国也随着国际大坝监测领域的发展进程，从5 0 年代开始了大坝原型观测 韵研究和应用，通过几十年的努力，我国大坝安全监测领域在仪器设备研制、监 测技术和监测自动化方面均已接近和达到国际先进水平。 1 2 监测技术的研究目的 1 2 1 一般观测目的 大坝包括永久性挡水建筑物以及其配合运用的泄洪、输水和引水灌溉建筑物 河海大学工程硕士学位论文 等，确保大坝长期安全运行十分重要，如果由于设计施工不当或管理不善造成工 程破坏或事故，除工程本身加固处理的费用外，对下游人民生命财产的影响也是 巨大的。因此，大坝的正常运用和安全运行是关系到能否取得良好经济效益和社 会效益重中之重，为此就必须加强大坝观测和分析，以便掌握大坝的运行工况并 对变化趋势作出及时准确的预报，从而控制大坝的合理运行，充分发挥工程效益。 一般来讲，大坝观测和分忻的目的可归纳为以下几方面【1 - 2 ： 首先是监测大坝运行安全。监测枢纽建筑物的安全运行以确保各类建筑物及 其基础边坡在麓工期、分期蓄水期和运行期的安全为主，通过对各类建筑物整体 性状全过程的持续监测，采集建筑物变形、渗流、应力应变、温度变化等各效应 量的初始值、基准值和变化过程的各种数据信息，可以了解大坝在正常工况下各 种物理量的变化范围和变化规律，在遇到观测值异常或出现不利的发展趋势时， 就能及时发现问题并作出判断，从而采取措施防止问题迸一步恶比。此外，运用 长期积累的观测资料进行大坝的变化趋势有效预报也是很重要的，这种预报有可 能指出从运行良好交化到严重险情，甚至威胁大坝安全，从而有必要采取改善措 施。反之，在保证大坝安全的前提下，可以控制运用条件，以便发挥更大综合效 益。 其次是检验设计的正确性和改进设计，为提高国内水乖j 科学水平、设计水平 积累资料。根据建筑物在各阶段的运用及安全监测提供的监测数据可以校核设计 方案的正确性、合理性，校验施工质量是否满足设计要求。坝工设计通常要对各 种作用力进行严格的有时是复杂的研究，这种研究常是以有关材料特性和结构性 态的传统假定为基础，这些假定是用来为设计中的未知数或不确定因素提供数 据。因此，通过观测和反演分析有助于减少未知数或准确的确定某些影响因素， 从而可以提高设计水平，进一步还可通过反馈分析对设计规范、计算方法和坝型 等方面进行改进和优化，以取得节省工程星、降低造价的效果，同时也可积累经 验、发展坝工科学技术。 再者是改进施工技术，加快施工进度。通常开工前制定的施工技术和措施， 并不能肯定其是既安全又经济的，现今都采用“观测法”进行施工，这种方法是 基于设计在竣工时才能趋于完善的假定而进行的，观测结果不仅可在施工过程中 求得设计的合理和完善，而且也可不断地指导和改进施工方法。 2 河海大学工程硕士学位论文 此外，大多数新的或改进的施工技术，在没有得到以实际效果为基础的验证 之前，难以为设计和施工人员很好地接受，观测结果则可以帮助评价新的或改进 的施工技术的优越性。 1 2 2 专门目的 对小浪底水利枢纽来讲，其观测和分析工作更具有特殊的专门目的和重要意 义【l - z 这是因为： 首先，小浪底工程地质条件复杂是众所周知的，经过多年的实际运用，发现 大坝的性态变化异常复杂，这种情况在国内外都尚无先例，没有现成的经验可供 借鉴，在建设过程中所采用的设计方案和技术措旆的合理性、经济性、可行性均 需通过大坝观测和分析来了解和确定。以保证大坝等建筑物结构的正常运行，保 证安全发电及各种建设项目的顺利实施，尽可能地发挥防洪t 防凌、减淤、供水、 灌溉、发电等巨大的综合效益。 其次是小浪底水库调度应用方案是一个前人未曾实践过的新课题，存在着很 多疑问，要想解决这些问题难度很大，为了通过实践进行检验，必须紧密结合生 产实际来开展大坝观测和分析，为大坝的合理运用提供科学依据。 再者是为了总结开发多泥沙河流水力资源的经验，1 4 多年来，在不断建设 的过程中已陆续积累了数百万个观测数据，其中蕴藏着大量的宝贵信息，必须通 过分析才能从繁多的观测资料中找出关键问题，深刻地揭示出变化规律和作出正 确判断此外，为了对大坝观测值作出物理解释，预测未来测值出现的范围及可 能的数值等，也需要及时进行分析。 实践证明，小浪底大坝观测与分析不仅为小浪底大坝的建设和管理提供了科 学依据、创造了有利条件，而且在总结多泥沙河流上高坝大库的特殊规律，丰富 坝工理论知识方面也发挥了重要作用，因此，对发展坝工技术具有重要意义。 1 3 课题开展研究的设想与拟解决的问题 小浪底水利枢纽工程规模宏大，地质条件复杂，水沙条件特殊，运用要求 严格。工程于1 9 9 4 年9 月1 2 日开工，1 9 9 7 年1 0 月2 8 日截流，1 9 9 9 年1 0 月 2 5 日下闸蓄水，2 0 0 0 年1 月9 日首台机组并网发电，2 0 0 1 年1 2 月3 1 日全部完 工。在施工过程中，采用了世界上许多先进的施工技术和施工方法，并有技术创 新，主要有：高土石坝联合机械化作业高强度施工，大坝基础深复盖层防渗墙施 3 河海大学工程硕士学位论文 工技术，在帷幕灌浆中采用g i n 新型灌浆技术，复杂地质条件下密集洞室群的设 计与施工，由导流洞改建的多级孔板消能泄洪洞，排沙洞无粘结予应力混凝土衬 砌，集中布置的进水塔群和出口消力塘，水轮机抗磨蚀技术，金属结构设备新技 术新材料的应用，地下厂房大型岩壁吊车梁及桥机负荷试验等。 大坝直接座落在河床覆盖层上。主坝设双重防渗体系，通过斜心墙下1 2 m 厚的主坝混凝土防渗墙截断深厚的河床砂卵石层，作为坝基主要的防渗措施；以 斜心墙、内铺盖、上游围堰粘土斜墙、天然淤积连成一体，成为完整的水平防渗 体系，作为主坝的辅助防渗措施两岸基岩设置灌浆帷幕和排水帷幕。 小浪底工程复杂的工程地质条件使得影响安全运行的因素很多，主要有：渗 流、抗滑稳定、振动液化、不均匀变形等一系列问题。同时，水库在减淤运行时 库水位有大幅的骤降，这对主坝的稳定也是很不利的因素。 基于上述诸多原因，将大坝及其基础渗流、变形作为枢纽安全监测的重点侈2 1 。 在小浪底工程设计过程中，充分吸取黄河流域中三门峡等工程的宝贵经验，借鉴 前沿的设计理念：在施工过程中，采用了世界上许多先进的施工技术和施工方法， 并有技术创新。存在诸多技术问题需要研究和解决，为此，陆续开展了原型和现 场试验工作，取得了宝贵的第一手资料，为掌握大坝运行工况提供了依据。本论 文结合生产实际，针对工程需要，对工程监测设计、仪器选型、仪器布埋和监测 资料整编方面进行系统地总结，对监测资料进行综合地分析，从而为小浪底工程 安全运行提供服务，为在黄河流域修建水库提供了重要的参考依据 小浪底大坝安全监测控制系统以及资料的整编与分析在国内外都是具有挑 战性和前沿性，本论文作者作为小浪底大坝安全运行管理人员，收集多年来的监 测成果并对其进行分析研究，其成果将对小浪底大坝运行管理起到指导作用。主 要解决的是掌握了小浪底大坝的工作性态与变化形态，验证和分析了小浪底水库 初期持续运用方式的可行性；根据小浪底工程初期运用多年来，建立小浪底观测 数据分析的模型；对目前观测仪器的整体工作状况进行评价，为今后长期运行提 出合理化建议。 1 4 本论文研究的主要内容和主要方法 1 4 1 本论文研究的主要内容 小浪底水利枢纽工程是我国在黄河上兴建的大型水利水电工程，自蓄水运 4 河海大学工程硕士学位论文 用以来，小浪底工程已发挥了巨大的社会效益及经济效益，在治理开发黄河 的总体布局中日益突出。小浪底工程建设过程中，存在着许多技术问题需要 研究和解决，为此，在建设过程中，先后埋设了较多的观测仪器和观测点，蓄 水运行8 年多来开展了一系列的原型观测和现场试验工作，取得了数百万个测 试数据，为掌握大坝工作性态和确保大坝安全提供了依据。为确保工程安全运 行，加强安全监测工作是一项十分重要的任务本论文主要研究以下几个方面 的内容： 1 ) 对国内外监测技术的发展进行了解。 2 ) 对小浪底工程监测设计、仪器选型、观测数据整编与分析以及模型建立 的方法进行了解，总结小浪底大坝大坝安全分析手段。 3 ) 总结小浪底工程初期运用8 年来，大坝运行性态，分析不同来水条件下， 小浪底大坝变化形态，对大坝的运行工况做出初步判断。 对目前观测仪器的完好率进行统计与评价。 1 4 2 本论文研究的主要方法 监测技术问题的研究方法主要是采用原型观测资料的整编建立统计性、确定 性或混合性数学模型计算方法。 本论文采用的研究方法是原型观测资料的收集与分析，建立适合小浪底大坝 运行分析的数学模型。小浪底水库于1 9 9 9 年1 0 月下闸蓄水，到目前已经有8 年多的运行实践，大坝监测资料从下闸蓄水到目前积累了数百万个测试数据，为 掌握大坝工作性态和确保大坝安全提供了依据。在本论文研究过程中，收集这些 原型观测资料，进行系统的分析和总结，为小浪底水库形成合理的分析模型和下 一步水库的持续蓄水提供重要的依据。 本论文通过实际观铡数据与模型试验结果相对比的研究方法，在小浪底水库 运行前和目前的运行过程中，建立了数学模型为小浪底大坝的初期蓄水运用与调 度运行方式提供了数据，在本论文研究中，将实际观测的数据和模型试验的结果 相对比，查找模型与原型的误差与规律，为修正模型试验提供依据，从而使模型 试验的结果为小浪底水库的下一步控制运用提供更加符合实际的指导价值。 5 河海大学工程硕士学位论文 第二章观测设计与仪器选型 2 1 小浪底水库的开发任务及枢纽建筑物组成 小浪底水利枢纽工程开发的目标是以防洪、防凌、减淤为主，兼顾供水、灌 溉、发电，蓄清排浑、兴利除害、综合利用。位于河南省洛阳市以北4 0 k i n 黄河 中游最后一段峡谷的出口处，坝址以上控制流域面积6 9 4 万k i n ，占黄河流域面 积的9 2 3 ，水库总库容1 2 6 5 亿m 3 ，其中后期有效库容5 1 亿m 3 ，是黄河干流 在三门峡水库以下惟一能够取得较大库容的控制性工程，在黄河治理开发中具有 重要的战略地位。 枢纽工程由拦河大坝、泄洪排沙系统和引水发电系统组成，拦河大坝是一 座坝顶长1 6 6 7 m ，坝底宽8 6 4 m ，最大高度1 5 4 m 的粘土斜心墙堆石坝，总填筑方 量为5 1 8 5 万m 3 ；泄洪排沙系统包括进口引水渠、3 条直径为1 4 5 m 的孔板消能 泄洪洞( 前期为导流洞) 、3 条直径为6 5 m 的后张法无粘结预应力排沙洞、3 条 断面尺寸为1 0 m * 1 1 5 - 1 3 m 的明流泄洪洞、1 条灌溉洞和1 条溢洪道，在洞群进 水口建有1 0 座一字型排列的进水塔群。在出水口集中布置3 个消力塘；引水发 电系统包括6 条直径为7 8 m 的引水发电洞、3 条断面为1 2 m * 1 9 m 的尾水洞、1 座主变压器室、1 座尾水闸门室、防淤闸和1 座长2 5 1 5 m 、跨度2 6 2 m 、最大开 挖深度6 1 4 4 的地下厂房、两层围绕厂房的排水廊道及交通洞等地下洞室。小 浪底水利枢纽总布置见图2 1 。 图2 1 小浪底枢纽平面布置图 6 河海大学工程硕士学位论文 2 2 观测设计 由黄河勘探规划设计院安全监测中心进行枢纽的全面监测设计，充分考虑到 为大坝安全运行提供可靠的支持，充分领会坝工设计和旌工中的关键问题，还要 能尽量估计到大坝在今后的运行中可能出现的问题，选择适宜的监测方法，恰到 好处地布置相应的监测设备，卓有成效地获得大坝及基础的运行状态的信息，以 最少的费用投入，获得最大的实际效益。同时，监测设计还兼顾到监测系统的灵 活性和可扩充性，以备在运行期间根据需要可方便地加以完善和改造1 5 2 【5 卅。 2 2 1 监测设计的原则 鉴于小浪底工程所处的特殊地位，按照有关规程、规范，同时借鉴国内外 类似工程的经验，提出了小浪底工程观测设计的原则。 1 ) 目的明确，监测项目内容齐全。安全监测系统应覆盖枢纽各建筑物及其 基础，保证监测系统空间的连续性，以便掌握工程整体性状，及时对工程安全做 好评价 2 ) 突出重点，兼顾全局。建筑物及基础作为整体考虑，渗流、变形作为监 测重点，从影响工程的安全度出发，按照“重点、一般”层次选择监测部位( 断 面) ，既突出重点部位监测又兼顾一般部位，形成监控全部建筑物的监测网络。 做到既要突出重点、少而精又要照顾全局、全面反映建筑物运行状况。 3 ) 以监测建筑物安全为主，观测项目的设置和测点的布设既要满足监测工 程安全运行需要，同时兼顾到验证设计，以达到提高设计水平的目的。 4 ) 永久观测设备的布置要尽量与施工期的监测布置相结合，以便减少施工 期观测仪器的布设数量，同时可以得到较为完整的观测数据以，为以后评价建筑 物的运行安全和指导施工提供依据。 5 ) 一项为主，互为校核。各种监测项目要互相校核，以便在资料分析和解 释时相互印证。 2 2 2 观测断面布设 根据( - i - 石坝安全监测技术规范s l 6 0 - 9 4 的规定以及国内外类似工程的经 验，同时结合小浪底工程大坝自身的特点，以安全监测、检测运行状态、验证设 计施工工况为目的，确定先进、适用的观测项目，选取有控制、代表性的监测断 面，布设关键而适量的测点部位，采用稳定可靠的仪器设备，及时修正和提交设 7 河海大学工程硕士学位论文 计施工图纸，并进行自动化监测的初设和监测资料的分析研究工作。 小浪底工程的大坝观测项目有变形( 包括内部和外部变形) 、渗流、应力应 变( 包括坝体和混凝土防渗墙) 及地震反应等观测项目，并以渗流、变形为重点 观测项目。 小浪底水利枢纽建设过程中，设计布置了比较系统的观测断面，埋设了大量 的观测仪器，以了解大坝结构性态及发展变化过程是十分有益的。通过小浪底大 坝的特性进行深入地研究，选择大坝的三个横断面和两个纵断面作为主要观测断 面。三个横断面分别是a - 、b - b 、c - c 断面，分别设在左右桩号为d 0 + 6 9 3 7 4 、 d 0 + 3 8 7 5 0 和d 0 + 2 1 7 5 0 ，两个纵断面中d - d 为沿斜心墙轴线断面、e e 断面沿 坝轴线断面。a - a 断面位于重点观测部位f l 断层破碎带处，f l 断层对大坝的影 响较大，是重点观测部位；b b 断面位于最大坝高处，而且此处覆盖层深约7 0 m ， 是坝体典型观测断面；c _ c 断面位于左岸基岩和河床覆盖层的交界部位，附近有 一基岩陡坎，使其变形比较复杂，有引起裂缝的可能。详见大坝断面布置示意图 2 2 。 2 2 3 观测项目 小浪底工程共布置了3 2 0 1 个测点，其中，变形1 3 7 2 个测点、渗流4 4 9 个测 点、应力应变1 2 6 8 个测点所使用仪器涉及三十余类型，是目前国内已建工程 中规模最大的观测系统。观测项目布置平面示意图详见图2 3 。 1 ) 变形观测 变形监测项目主要有外部变形、堤应变计、测斜仪、沉降盘、钢弦式沉降仪、 界面变位计等六类。外部变形测点均设在坝体表面，内部变形测点主要设在五个 观测断面上 外部变形主要采用视准线测量，共设8 条测线，有1 5 0 个测点详见外部变 形监测测点平面示意图2 4 ( 1 ) 视准线 外部变形是主坝的重点观测项目。主坝外部变形观测分为水平变形和垂直变 形，其中水平变形又分为两个方向即沿上下游方向( 下游方向为正，向上游方向 为负) 和沿坝轴线的左右岸方向( 指向左岸为正，向右岸为负) 。垂直变形则指 坝体的沉降和固结( 下沉为正，上抬为负) 垂直变形采用几何水准网测量方法， 8 河海大学工程硕士学位论文 水流方向的变形采用g p s 全球定位技术、t p s 测量机器人和t c a l 8 0 0 全自动全站 仪进行观测。 通过在坝体表面上下游不同高程设置8 条视准线对主坝的外部变形进行观 测。由于主坝轴线存在转弯点，八条视准线共分成1 5 段，含有2 7 个工作基点( 部 分工作基点在坝体上按动点观测) 和1 2 0 个监测点不同视准线由上游向下游进 行编号，同一条视准线的测点由南和北进行编号。 坝体上游共布设3 条测线，分别布置在e l l 8 5 m 、e l 2 2 5 m 和e l 2 6 0 m 高程；坝 顶上下游两侧各布设一条视准线，高程为e l 2 8 3 m ，均监测三个方向位移；坝体 下游布设3 条测线，分别布置在e l 2 5 0 m 、e l 2 2 0 m 和e l l 5 5 m 高程 根据主坝坝体较长的特点，观测标点的间距一般为6 0 m ，左岸基岩陡坎、最 大坝高和f 1 断层破碎带附近是坝体不均匀变形的集中部位，这些部位的观测标 点间距加密为3 0 m 。为了在观测资料整理与分析时，能使内部变形和外部变形的 观测数据互相对应、相互校核，在a - a 、b - b 、c _ c 剖面的相应位置上也布设了观 测标点 ( 2 ) 测斜仪 测斜管沿主坝纵、横断面布置垂直向及斜向测斜管通过钻孔伸入基岩内不 少于i 5 m 以作锚固点作为变形观测的基准点，管顶附近均设有外部变形观测标 点也可作为测斜管的基准校核变形观测成果。水平向测斜管一端伸入斜心墙内， 另一端置于下游观测房或观测井中作为基准点，通过外部变形测量控制网校测测 斜管的变形观测成果。 小浪底工程主坝共布设有1 8 支测斜管。在a a 、b - b 、c _ c 三个横向观测断 面布置1 4 支；位于纵向的e e 断面上埋设3 支垂直向测斜管；右岸坝体先行施 工，沿纵向形成了较陡的斜坡，为加强施工期临时纵向变形，增加垂直测斜管， 并作为永久观测设备。 2 ) 渗流渗压观测 ，主体渗压观测分为坝体、坝基、两岸绕坝渗流观测。 ( 1 ) 坝体渗压观测 坝体渗压观测仪器主要布置在主坝3 个横断面内，与变形及应力观测的布置 相一致。在粘土斜心墙内渗压计分别沿e l l 4 0m 、e l l 8 0 m 、e l 2 1 0 m 和e l 2 5 0 m 4 9 。 议错q扑书酚醛h扑k瓣疟 l ；燃i | l l l 乳 粼| | |il 。l ；ii ；gl l l l li ，i 。l l 。j ! !l i ! l ：ig 0 喜e o e0 8 0e 9e 睁ee e ；g嚣 仪秘趟扑书隧矗h孙k嫩察 议窄掣扑书隧稚h扑k建窿 河海大学工程硕士学位论文 个不同商程，水平间距基本控制在1 5 3 0 m 之间。 ( 2 ) 坝基渗压观测 坝基渗压观测主要监测防渗系统的防渗效果以及坝体、坝基覆盖层的渗透稳 定性、观测仪器采用渗压计和测压管。观测重点是主坝的主防渗线，除沿a - a 、 b - b 、c 吨断面的坝基面、基础岩层及覆盖层布置测点外，还在整个坝基范围重 要的部位均设置有测点。 防渗墙和灌浆帷幕的渗压监测布置在a a 、c _ c 观测断面的灌浆帷幕上下游， 左右岸灌浆帷幂上下游沿纵向一定间距布置一定数量的渗压计和测压管，在防渗 堵上下游布置有渗压计。以监测防渗墙的缺陷和破坏以及防渗帷幕的失效将导致 坝基、坝体渗压增大、渗流比降增大、逸出点拾高，从而引起坝基、坝体材料渗 流破坏，危及大坝安全。两岸排水帷幕上下游布置有渗压测点以监测排水效果和 了解地下水的分布情况斜心墙下游坡脚是渗流的逸出点，渗流情况反映斜心墙 和坝基的渗透比降，分析坝体的渗流稳定性，同时还可以反映防渗墙和灌浆帷幕 的防渗效果，是主防渗线上比较关键的铡点。 ( 3 ) 坝基f 1 断层渗压观测 f 1 断层位于河床右岸岸边。走向大致与河道平行，断层带宽约5 。l o m ，为角 砾、岩屑、岩粉及充填，挤压紧密、透水性差，为相对隔水带，两侧破碎带各宽 约l o m ，在一定深度范围内具有中强透水性，对主坝影响较大。水工设计对f 1 断层的处理方案有：在斜心墙下断层及影响带上作混凝土盖板，心墙上下游坝体 下断层及影响带作反滤。 为了监测f 1 断层及其两侧破碎带处理情况和渗流稳定性，同时兼顾观测灌 浆帷幕的防渗效果和斜心墙坡脚处的渗流稳定性，沿f 1 断层坝基下共设有1 7 支渗流观测仪器。 ( 4 ) 绕坝渗流观测 绕坝渗漏观测按其部位不同，又分为左岸绕坝渗流和右岸绕坝渗流两部分 由于小浪底工程泄水和发电设施建筑物均集中在左岸山体上，而且左岸山体 比较单薄，地质条件也比较复杂，把左岸山体的渗流观测作为独立的的部分进行 设计，因此是绕坝渗流观测的重点。右岸山体浑厚，其渗流对山体和坝体的安全 影响不大，而且由于右岸山体比较陡峭，受施工埋设条件的影响，右岸绕坝渗流 1 3 河海大学工程硕士学位论文 观测仅是为了定性地了解灌浆帷幂的防渗效果及岸坡的渗流变化情况等， 3 ) 渗流量观测 为便于准确地研究分析各部分的大坝渗流状况，采用分区、分段的原则进行 渗流量观测。大坝渗流分坝体渗流、坝基渗流和两岸渗流三部分 左右岸绕坝渗流自斜心墙后两岸均做了一道混凝土截渗墙，截渗墙嵌入基岩 0 5 m ，绕坝渗流顺截渗墙后的排水沟引向下游，混凝土截渗墙末端做引水渠和量 水堰，观测两岸的渗流量：河床部分的渗流由坝体排水体汇入下游基坑后，渗流 量通过设在下游围堰后的两个量水堰量测。 2 3 观测仪器选型和过程 观测设备的选型要突出可靠性，应保证在恶劣的环境下正常工作，特别是监 测建筑物安全的测点，必要时在这些特别重要的测点上布置两套不同的观测设备 以便互相校核，同时也可防止万一一套观测设备失灵，仍能得到该处的观测数据。 另外，观测设备选型对，还要考虑能否便于实现观测数据自动采集。数据自动采 集装置在可靠、先进的前提下，还要考虑留有人工观测接口。 2 3 1 仪器选型考虑因素 1 ) 仪器设备的选择及布置目的明确能全面反映大坝的工作状况。 2 ) 根据大坝结构特点及坝线长等因素合理选择各观测断面及变形监网，做 到主次相结合，在能够全面反映大坝工作性态的条件下尽量减少观测断面以及仪 器或测点的数量。 3 ) 选择精度可靠稳定耐久的仪器设备尽量布置在有良好的照明防潮和交通 条件的位置适当选用自动化观测设备以人工观测为主确保观测数据不致中断。 4 ) 适当考虑和协调观测仪器埋设与大坝土建施工之问的相互干扰问题做好 施工期仪器和电缆的保护工作确保仪器埋设质量和大坝施工质量。 2 3 2 仪器造型的过程 国内首次在土石坝上全面采用国外生产的、先进的振弦式仪器，所采用的 有渗压计、微压计、土压力计、沉降计、界面变位计和测斜仪等类型，对砼防渗 墙内埋设的钢筋计、砼应变计、无应力计和边界土压力计，还特别将国产差阻式 施工中设计变更为国外振弦式。 振弦式仪器由于原理简单可靠，灵敏准确：检测的是频率量，易于传 1 4 河海大学工程硕士学位论文 输不受衰减影响；结构牢靠，长期稳定：每支仅占用一个测控单先，适于自 动监测：仪器型号齐全，又可同时测量温度量等特点，较好地适合于土石坝的 施工、运行期的观测要求，八十年代国际上普遍开始采用和完善该类仪器，以美 国g e o k o n 、s i n c o 、r s t 、加拿大r o c t e s t 等公司产品质量较高，国产仪器亦在 完善提高中。 技术规范中推荐美国s i n c o 公司仪器，1 9 9 5 年安装承包商在其内部专 业分包选择中，提出以加拿大r o c t e s t 公司作“替换仪器”的申请，而业主曾已 使用g e o k o n 的仪器及读数仪，因而产生争议和讨论。最终决定仍采用标书推荐 的美国s i n c o 公司产品，特别是大量使用的测斜管、渗压计、堤应变计和界面变 位计等。对于钢弦式液压沉降计、量水堰中微压计则采购自g e o k o n 公司 对于原设计的3 条大坝倒垂线装置，测量处提议并经技术咨询讨论决定取 消，后由安装承包商代购三套g p s 全球定位测量系统作为补偿。 仪器量程的选择，如果选择的量程过大，仪器本身的观测精度就会降低很多： 如果选择的量程不够，仪器超出量程时有的仪器会受到损坏，因此，量程选择是 否适当可以说是观测设计非常重要的组成部分。在小浪底工程观测设计量程选择 时，原则如下：对于位移监测仪器，主要根据水工进行种类计算所计算出可能出 现的最大位移或相对位移或对其适当的放大作为仪器范围的上限。如对于位于边 坡的多点位移计，由于边坡计算的实际位移量较小，只有l o c m 多，考虑到边坡 的实际情况，将监测边坡的仪器测量范围选为5 0 c m 。对于测斜管，考虑到土石 坝沉降位移大的特点，在进行管长选择时，不采用施工方便的3 m 一节的管材， 而采用1 5 m 一节的测斜管，这样，预留的沉降量就比3 m 一节的管子大一倍，同 时还考虑到局部沉降更大部位的位移，将管与管之间的预留量由l o c m 调整为 1 5 c m ，这对测斜管来说是非常必要的。渗流监浊仪器，将其全水头作用时的最大 值作为其测量范围的上限，如f 1 断层上下的渗压计均按照全水头( 正常蓄水位 e l 2 7 5 m ) 进行选型，主要是考虑水库运用初期上游铺盖未形成或有渗漏通道时仪 器超出其量程范围。对于应力应变观测仪器，将钢筋的极限强度作为其测量范围 的上限：对于锚索测力计，将锚索的实际张拉顿位作为其测量范围的上限。 2 4 本章小结 在大坝建设过程中，设计布置了比较系统的观测仪器，这对于了解大坝结构 1 5 河海大学工程硕士学位论文 性态及发展变化过程是十分有益的。小浪底大坝采用的监测仪器包括交形、渗流、 应力等部分，品种较多，并以渗流、变形为重点观测项目。 为了利用仪器来监测大坝运行性态，就必须长期采集监测数据。因此，选择 典型的观测断面，尽量使用简单稳定、可靠耐用及满足精度要求的仪器，并加强 维护使其处于良好的工作状态，是非常重要的，否则将会影响仪器寿命，缩短正 常观测的年限。 1 6 河海大学工程硕士学位论文 第三章观测数据的采集及处理方法 3 1 观测数据的采集 施工期间，仪器埋设后，即开始测读观测数据，1 4 天后移交工程师负责对 仪器测读，承包商可要求使用观测资料。因此由工程师配备二次仪表及自动化检 测设备，进行施工期仪器安装、引线、入站等过程中按规定频次持续观测，对发 现问题和承包商要求发出协助检查指令和异常通报，并及时对观测数据整编处 理，提出观测资料成果和监测分析报告【5 3 1 。 为保证枢纽安全，必须配套建立一整套技术先进、响应迅速、功能齐全、设 备稳妥可靠的安全监测自动化系统，实现安全监测自动化。为此，小浪底工程建 立了原型观测数据自动采集系统。自动化采集系统于1 9 9 9 年6 月2 6 日安装单位 进场开始工作，至1 9 9 9 年8 月5 日一期共安装m c u 为1 3 台，白2 0 0 2 年1 月开 始安装合同二期2 3 台确c u ，至2 0 0 2 年6 月安装调试工作全部结束。选择联网 仪器的原则是把本工程中危及枢纽安全的重要建筑物中属于工程安全监测的变 形、渗流观测仪器全部联入自动化系统。小浪底水利枢纽工程安全监控系统是一 个以先迸的水工监测、计算机网络、分布式数据库、多媒体应用、人工智能和 g i s 技术为基础的，为小浪底水利枢纽工程安全运行服务的工程安全监控决策支 持系统。该系统规模之大、测点之多和监测对象的多样性、复杂性是空前的，整 个系统是一个集现代计算杌技术、网络技术、软件工程技术、水工监测、分析和 馈控技术等为一体的现代化的水利工程信息化系统 3 2 监测数据的整编及分析方法 3 2 1 监测资料整理与整编 对租差及可以处理的系统误差进行了处理，根据实际需要，修改方法采用插 值、回归插补、区段删除等方式，使处理后的测值序列能正常反映出测点变化规 律及总体变化趋势。 对部分尚未进行过系统处理的观测项目，例如测斜仪等项目，根据观测设备 的实际完好情况生成可供分析的物理量。 对已处理的观测数据绘制各类图形，包括过程线、分布图( 一维分布、平面 分布) 、等值线图、相关图等。通过合理的组织，利用各类图形，全面、系统、 1 7 河海大学工程硕士学位论文 直观地反映了监测成果。 3 2 2 监测资料的分析 以建筑物为结构分析对象，分别对变形、渗流、应力应变观测结果进行定量 分析，主要了解首次蓄水后主要环境因素对监测物理量变化的影响，对各监测物 理量的发展趋势( 时