水利工程的变形监测

1、2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系1 变形监测与数据处理 第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系2 主要内容主要内容 概述 监测项目及要求 监测系统设计 小浪底大坝安全监控系统设计 大坝安全评判专家系统设计 第十四章水利工程变形监测 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系3 1 1概述概述 第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 变形监测与数据处理 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系4

2、 监测工作的重要性监测工作的重要性 建国以来，我国共修建8.3万余座堤坝，其 中15米以上大坝有1.9万多座，30米以上大 坝有近3000座，这些工程在国民经济中发 挥了巨大的作用。然而，相当一部分大坝存 在着某些不安全因素，这些因素不同程度地 影响工程效益的发挥，甚至威胁着下游千百 万人民的生命财产安全。 世界范围内的最新统计结果表明，本世纪 已建坝总的失事比例约为1%，一旦大坝失 事，将引起难以估计的灾难，这已引起各国 政府和人民的普遍关注。 第1节概述 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系5 监测系统研究进展监测系统研究进展 监测数据的自动采集 监测

3、信息处理系统的研究开发 综合评判专家系统的开发研究 第1节概述 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系6 2 2监测项目及要求监测项目及要求 第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 变形监测与数据处理 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系7 工作原则工作原则 （1）监测仪器和设施的布置，应明确监测目的，紧密结合 工程实际，突出重点，兼顾全面，相关项目统筹安排，配合 布置。应保证具有在恶劣气候条件下仍能进行重要项目的监 测。 （2）仪器设备要耐久、可靠、实用、有效，力求先进和便 于实现自动化监测。 （3）仪器的安

4、装和埋设必须及时，必须按设计要求精心施 工，应保证第一次蓄水期能够获得必要的监测成果，并应做 好仪器的保护；埋设完工后，及时作好初期测读工作，并绘 制竣工图、填写考证表，存档备查。 （4）仪器监测严格按照规程规范和设计要求进行，相关监 测项目力求同时监测；针对不同监测阶段，突出重点进行监 测；发现异常，立即复测；做到监测连续、数据可靠、记录 真实、注记齐全、整理及时，一旦发现问题，及时上报。 （5）仪器监测应与巡视检查相结合。 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系8 基本要求基本要求 （1）可行性研究阶段。提出安全监测系统的总体设计专

5、题、监测 仪器及设备的数量；监测系统的工程概算。 （2）招标设计阶段。提出监测系统设计文件，包括监测系统布置 图、仪器设备清单、各监测仪器设施的安装技术要求、测次要求及 工程预算等。 （3）施工阶段。提出施工详图，应做好仪器设备的检验、埋设、 安装、调试和保护，应绘制竣工图，编写埋设记录和竣工报告；应 固定专人进行监测工作，保证监测设施完好和监测数据连续、可靠、 完整，应按时进行监测资料分析，评价施工期大坝安全状况，为施 工提供决策依据。 （4）首次蓄水阶段。应制定首次蓄水的监测工作计划和主要的设 计监控技术指标；按计划要求做好仪器监测和巡视检查；拟定基准 值，定时对大坝安全状态作出评价并为蓄

6、水提供依据。 （5）运行阶段。应进行经常的和特殊情况下的监测工作；定期对 监测设施进行检查、维护和鉴定，以确定是否应报废、封存或继续 观测、补充、完善和更新，定期对监测资料进行整编和分析。 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系9 工作状态划分工作状态划分 应定期对监测结果进行分析研究，并按下列类型对 大坝的工作状态作出评估： （1）正常状态，指大坝（或监测的对象）达到 设计要求的功能，不存在影响正常使用的缺陷，且 各主要监测量的变化处于正常情况下的状态。 （2）异常状态，指大坝（或监测的对象）的某 项功能已不能完全满足设计要求，或主要

7、监测量出 现某些异常，因而影响正常使用的状态。 （3）险情状态，指大坝（或监测的对象）出现 危及安全的严重缺陷，或环境中某些危及安全的因 素正在加剧，或主要监测量出现较大异常，若按设 计条件继续运行将出现大事故的状态。 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系10 变形变形正正负负 水平向下游、向左岸向上游、向右岸 垂直下沉上升 挠度向下游、向左岸向上游、向右岸 倾斜向下游转动、向左岸转动向上游转动、向右岸转动 滑坡向坡下、向左岸向坡上、向右岸 裂缝张开闭合 接缝张开闭合 闸墙向闸室中心背闸室中心 变形监测符号变形监测符号 第2节监测项目

8、及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系11 类别 项目 按工程分类按级别分类 土石 坝 堆石 坝 混凝 土坝 水闸、 溢洪道 隧洞、 地下厂 房 水库1234 水文 水位 降水 波浪 冲淤 气温 水温 变形 表面 内部 地基 裂缝 接缝 边坡 水工建筑物监测项目（水工建筑物监测项目（1 1） 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系12 渗流 坝体 坝基 绕渗 渗流量 地下水 水质 应力 土壤 混凝土 钢筋 钢板 接触面 温度 水流 压强 流速 掺气 消能 地震振动 水工建筑物监测项目（水工建筑

9、物监测项目（2 2） 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系13 类别项目施工期蓄水期运行期 变形 表面 内部 24次/月 4 10次/月 410次/月 10 30次/月 26次/年 412次/年 渗流 渗流 水质 4 10次/月 3 6次/年 10 30次/月 6 12次/年 3 6次/月 3 12次/年 应力 应力 温度 3 6次/月 4 15次/月 4 30次/月 4 30次/月 4 12次/年 2 6次/月 安全监测次数安全监测次数 第2节监测项目及要求 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系

10、14 3 3监测系统设计监测系统设计 第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 变形监测与数据处理 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系15 监测断面布置监测断面布置( (土石坝土石坝) ) （1）观测横断面。布置在最大坝高、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。一般不少于23个。 （2）观测纵断面。在坝顶的上游或下游侧布设 12个，在上游坝坡正常蓄水位以上1个，正常蓄 水位以下可视需要设临时断面，下游坝坡25个。 （3）内部断面。一般布置在最大断面及其它特征 断面处，可视需要布设13个，每个断面可布设

11、 13条观测垂线，各观测垂线还应尽量形成纵向观 测断面。 界面位移一般布设在坝体与岸坡连接处，不同坝 料的组合坝型交界处及土坝与混凝土建筑物连接处。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系16 监测断面布置监测断面布置( (混凝土坝混凝土坝) ) （1）观测纵断面。通常平行坝轴线在坝顶 及坝基廊道设置观测纵断面，当坝体较高时， 可在中间适当增加12个纵断面。当缺少纵 向廊道时，也可布设在平行坝轴线的下游坝 面上。 （2）内部断面。布置在最大坝高坝段或地 质和结构复杂坝段，并视坝长情况布设13 个断面。应将坝体和地基作为一个整体进行 布设。

12、拱坝的拱冠和拱端一般宜布设断面， 必要时也可在l/4拱处布设。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系17 监测断面布置监测断面布置( (滑坡体滑坡体) ) （1）两坝肩附近的近坝区岩体。垂直坝轴 线方向各布设12个观测横断面。 （2）滑坡体顺滑移方向布设13个观测断 面，包括主滑线断面及其两侧特征断面。 （3）必要时可大致按网格法布置。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系18 水平位移观测点布置水平位移观测点布置( (位移标点位移标点) ) （1）土石坝。在每个横断面和纵断面交

13、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时取3050m，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面。在 滑坡体每个观测断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。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系19 水平位移观测点布置水平位移观测点布置(

14、 (工作基点工作基点) ) （1）土石坝。在两岸每一纵排标点的延长 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。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系20 水平位移观测点布置水平位移观测点布置( (校核基点校核基点) ) （1）土石坝。一般仍采用延长方向线法， 即在两岸同排工作基

15、点连线的延长线.上各 设12个校核基点，必要时可设置倒垂线或 采用边角网定位。 （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。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系21 垂直位移测点布置垂直位移测点布置 在通常情况下，垂直位移采用精密水准测量方法观测。 水准测量的基准点应根据工程建筑物的规模、受力区 范围、地形地质条件及观测精度要求等综合考虑，原则 上要求这种

16、类型的点能长期稳定，且变形值小于观测误 差。 水准基点的形式可采用土基标、地表岩石标、深埋钢 管标、双金属管标等，具体形式可根据实际情况确定。 一般分别在坝顶及坝基处各布设一排沉降监测标点， 在高混凝土坝中间高程廊道内和高土石坝的下游马道上， 也应适当布置观测标点。 沉降标点可根据实际需要采用综合标、混凝土标、钢 管标、墙上标等形式。 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系22 部位 方法说明 重力坝 引张线 视准线 激光准直 一般坝体、坝基均适用 坝体较短时用 包括大气和真空激光，坝体较长时用真空激光 拱坝 视准线 导线 交会法 重要测

17、点用 一般均适用，可用光电测距仪测量导线边长 交会边较短、交会角较好时用 土石坝 视准线 大气激光 卫星定位 测斜仪或位移计 交会法 坝体较短时用 有条件时用，可布设管道 坝体较长时用 测量内部分层及界面位移用 交会边较短、交会角较好时用 近坝区岩体 测斜仪 交会法 卫星定位 多点位移计 一般均适用 交会边较短、交会角较好时用 范围较大时用 也可用于滑坡体和坝基 水平位移监测方法（水平位移监测方法（1 1） 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系23 高边坡、滑坡体 视准线 卫星定位 直线测距 边角网 同轴电缆 一般均适用 范围较大时用

18、用光电测距仪或铟钢线位移计、收敛计 一般均适用，包括三角网、测边网和测边测角网 可测定位移深度、速率及滑动面位置 断层、夹层 断层监测仪 变位计 测斜仪 倒垂线 可测断层的三维位移 可测层面水平及垂直位移 一般均适用 必要时用 校核基点 岩洞稳定点 倒垂线 边角网 延长方向线 伸缩仪 也可精密量距和测角 一般均适用 有条件时用 有条件时用 用于基准点传递和水平位移观测 第3节监测系统设计 水平位移监测方法（水平位移监测方法（2 2） 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系24 部位 方法说明 混凝土坝 一等或二等水准 三角高程 激光准直 坝体、坝基均适用 可

19、用于薄拱坝 两端应设垂直位移工作基点 土石坝 二等或三等水准 三角高程 激光准直 坝体、坝基均适用 一般采用全站仪观测 两端应设垂直位移工作基点 近坝区岩体 一等或二等水准 三角高程 观测表面、山洞内及地基回弹位移 观测表面位移 高边坡及滑坡体 二等水准 三角高程 卫星定位 观测表面及山洞内位移 一般利用全站仪观测 范围较大时用 内部及深层 沉降板 沉降仪 多点位移计 变形计 固定式，观测地基和分层位移 活动式或固定式，可测分层位移 固定式，可测各种方向及深层位移 观测浅层位移 高程传递 垂线 铟钢带尺 光电测距仪 竖直传高仪 一般均适用 需利用竖井 需利用旋转镜和反射镜 可实现自动化测量，但

20、维护较困难 垂直位移监测方法垂直位移监测方法 第3节监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系25 4 4小浪底大坝安全监控系统设计小浪底大坝安全监控系统设计 第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 变形监测与数据处理 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系26 工程概况工程概况 小浪底水利枢纽是我国目前在建的最大 水利枢纽工程之一，工程位于河南省洛阳市 以北约40km的黄河干流上，是一座以防洪、 防凌、减淤为主，兼顾发电、灌溉、供水等 综合利用的水利枢纽工程。枢纽由大坝、泄 洪排沙建筑物、水电站等组成

21、。大坝为壤土 斜心墙堆石坝，最大坝高154m，总库容 126.5亿m3， 泄洪排沙建筑物由三条孔板泄 洪洞、三条明流泄洪洞、三条排沙洞和正常 溢洪道及非常溢洪道组成，水电站系统由六 条引水洞发电、地下厂房和三条尾水洞组成， 电站装机6台，总容量1800MW，地下厂房 长250. 15m，宽26.20m。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系27 小浪底水利枢纽工程小浪底水利枢纽工程 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系28 基本观测断面基本观测断面 大

22、坝观测仪器主要布置在三个横断面和两个纵断面上； AA观测断面位于F1断层破碎带处，F1断层对大坝 的影响较大，是重点观测部位； BB观测断面位于最大坝高处，而且覆盖层最深 (70多米)，是坝体的典型观测断面； CC观测断面位于左岸，该断面防渗体基本上处于 岩石基础和河床覆盖层的交界部位，同时断面下游坝 轴线上有一基岩陡坎，使其变形比较复杂，有引起裂 缝的可能。 两个纵断面为沿斜心墙轴线的断面DD及沿坝轴线 的断面EE。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系29 小浪底大坝外部监测系统布置小浪底大坝外部监测系统布置 第4节小

23、浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系30 变形监测变形监测 大坝的外部变形观测分为水平变形和竖直变形两部分。 坝体表面的观测标点既可作为水平变形测量的标点又可 当作竖直变形测量的标点。大坝外部变形共布设测线8条， 156个测点，顺河流方向的水平位移采用视准线法或小角 度法观测；沿坝轴线方向的水平位移采用量距法进行观 测；坝体的沉陷采用二等精密水准进行施测。 坝体内部变形观测主要有水平位移观测、垂直位移观测 及界面相对错动观测，主要采用四种方法进行观测，分 别是：测斜仪、堤应变计、界面应变计及钢弦式沉降计。 大坝共设有17支测斜管，

24、分别以垂直向、倾斜向及水平 向三种方式埋设，并在一定的间距安装有沉降环，以测 量坝体三个方向的变形。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系31 渗流监测渗流监测 坝基渗流是该工程的重点监测项目，监测的重点 部位是沿整个大坝防渗线及斜心墙基础面的渗压 力。 监测项目包括绕坝渗流、坝体内的孔隙水压力和 浸润线分布。对F1断层两侧及右岸滩地也需要监 测其渗流稳定性。 坝体渗压监测仪器主要布置在三个横向观测断面 内，另外，在 BB观测断面上游堆石体内布置了 6支渗压计。 为了监测F1断层及其两侧破碎带的渗流稳定性， 沿F1断层坝基

25、下共布设有15支渗流观测仪器。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系32 土压力监测土压力监测 土压力监测分为土体中应力和边界土压 力两类，前者设置在坝体主观测断面内， 后者设置在基础界面上。 坝体应力观测采用土压力计。由于大坝 河谷较宽，故考虑按平面问题布设测点。 结合坝体的计算情况，沿坝高设两排共 11组土压力计组。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系33 地震反应监测地震反应监测 坝址区基本烈度为7度，地震反应监 测对象主要是3度以上的地震反应

26、。 设置两个横向、一个纵向观测断面和 一个基础效应台，共设10个监测点， 仪器采用数字式三分量强震仪。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系34 混凝土防渗墙监测混凝土防渗墙监测 混凝土防渗墙分为主坝防渗墙和围堰防 渗墙监测。 主坝防渗墙墙外设渗压计和边界土压力 计、墙内设应变计、钢筋计、无应力计等 应力应变监测；另设倾角计和堤应变计进 行墙体变形监测。 第4节小浪底大坝安全监测系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系35 5 5大坝安全评判专家系统设计大坝安全评判专家系统设计

27、第十四章第十四章水利工程变形监测水利工程变形监测 变形监测与数据处理 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系36 基本要求基本要求 （1） 合理的开发环境 （2） 完整的系统功能 （3） 先进的处理方法 （4） 美观的用户界面 （5） 可靠的评判结果 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系37 基本结构基本结构 （1）数据库及其管理子系统； （2）模型库及其管理子系统； （3）方法库及其管理子系统； （4）知识库及其管理子系统； （5）综合分析推理子系统。 第5节大坝安全评判专家系统设计 2

28、021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系38 知识库模型库方法库数据库 总控 数据库管理 子系统 模型库管理 子系统 方法库管理 子系统 知识库管理 子系统 综合推理 子系统 大坝安全评判专家系统结构大坝安全评判专家系统结构 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系39 系统总控系统总控 建立各子系统之间的联系，提供系统 主菜单及选单功能，控制各库和各子 系统的协调运行。 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系40 数据库及其管理

29、子系统数据库及其管理子系统 是面向数据信息存储、查询的计算机软 件系统，是整个专家系统运行的基础。 数据库的主要内容包括：工程档案库、 观测仪器特征库、观测数据库等。 数据库的管理工作主要包括：数据资料 的采集、录入、存储、整编、查询、传 输、报表和图示等。 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系41 方法库及其管理子系统方法库及其管理子系统 是用于方法信息的存储和调用管理的计 算机软件系统。 方法库的方法主要包括：观测数据预处 理和检验、观测数据统计分析、监控数学 模型、结构分析程序集、渗流场分析程序 集、反分析程序集、综合

30、分析模块、辅助 决策模块等。 方法库的管理工作主要包括：方法的添 加、删除、修改、调用等。 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系42 模型库及其管理子系统模型库及其管理子系统 主要提供各类建模程序和储存建筑物不同 部位及测点的各类模型数据，并对模型数 据进行系统管理。 模型库的主要模型包括：统计模型、确定 性模型、混合模型、空间位移场模型等。 模型库的管理工作主要包括：模型的建立、 查询、修改、删除等。 第5节大坝安全评判专家系统设计 2021-6-25中南大学测绘与国土信息工程系中南大学测绘与国土信息工程系43 知识库及其管理子系统知识库及其管理子系统 是用于知识