土石坝安全监测的方法和仪器

土石坝安全监测的方法和仪器

在中国修建的水库水库中，土石水库占大多数。在以往的水库大坝失事数量中,土石坝也占大多数。土石坝由于结构类型(如心墙坝、面板坝、均质坝等)的多样性,材料的非均质非线性和不连续性(裂缝、不同材料交界面)、本构关系的不确定性以及各向异性,荷载类型、组合以及施加方式等的多样性和随机性,大坝施工、扩建、加固、运行、管理以及环境对结构和材料参数影响的复杂性等使土石坝安全监测比混凝土坝更加复杂。同时由于表面不能过水以及破坏机理有所不同等原因使土石坝对安全监测的要求更高。总之,土石坝的安全监测还有许多问题需要我们去解决。1设备环境监测工程和方法随着科技的进步,近年来监测方法和监测仪器得到了较大程度的发展,现根据规范的仪器监测项目分类和具体工程应用分别说明如下:1.1变形监测1.1.1数据库的实现和测试人工观测仍采用经纬仪和水准仪,自动监测可以采用全站仪和引张线——倒垂线法实现。天荒坪抽水蓄能电站的表面变形采用leicaTCA2300全站结合相关配套软件实现了表面变形监测的半自动化。相对人工三角网观测而言,采用全站仪具有精度高、测量和数据处理时间短的优点。在小浪底工程外部变形监测中形成了TCA2003型全站仪及DIN12数字水准仪实现野外数据采集、业内数据处理和建立变形测值数据库,实现了变形测值采集和数据分析于一体的自动监测系统。采用全站仪实现全自动数据采集和处理要求有两个稳定的用于安装全站仪的固定墩,测点墩上需配备相应棱镜。为减少复位误差,全站仪和棱镜最好固定在观测墩上(或采用强制对中底盘)。监测数据需要配套的数据平差处理分析软件进行处理。一般认为采用全站仪进行表面变形监测,垂直位移精度难以满足规范要求,因此在选用全站仪进行监测时,首先要进行精度论证。采用引张线——倒垂线系统实现表面变形监测自动化的例子有碧口和百丈氵祭土石坝,两者引张线长分别为260m和240m,前者于1996年1月投运,后者于1997年10月投运,2套系统至今运行稳定,测值可靠。真空激光准直系统在北方实现混凝土大坝坝顶变形监测自动化已获得成功。在北方寒冷地区和坝顶较长情况下,真空激光相对引张线而言具有较多的成功事例,但在南方地区(存在高温潮湿)和坝长较短的情况下,引张线具有安装维护方便、费用低廉等优点。GPS在隔河岩混凝土坝上已获应用,实际上高土石坝往往由于对天比较开阔,跟踪卫星较为方便,另外由于高土石坝变形量较大,精确度可以要求低一点,因而可以缩短跟踪卫星的时间和加快解算速度。根据在混凝土坝上的应用情况,真空激光和GPS都可以测量垂直位移(沉降),因而都可以考虑在高土石坝上应用。1.1.2检测仪器及分析方法内部包括分层及界面位移和深层应变观测。常用监测仪器包括电磁式沉降仪、测斜仪、引张线式水平位移计、水管式沉降仪等,鲁布革电厂大坝已采用TS位移计实现了引张线式水平位移计的测量自动化,该系统在1998年7月投运,至今运行稳定。用于倾斜监测的测斜仪有钢弦式和伺服加速度式,钢弦式测斜仪具有稳定性好、分辨率高、价格低等优点,但精度低。伺服加速度式测斜仪具有稳定性好、精度高等优点,但价格较贵。裂缝及接缝监测主要针对面板堆石坝以及坝体软性材料与钢性材料交界处裂缝的监测。仪器有差阻式、振弦式、电位器式等,上述仪器实现测量自动化都比较方便。混凝土面板变形监测主要是挠度监测,主要采用测斜仪和多点变位计进行监测。经过南京水科院等单位的科技攻关,港口湾、洪家渡、十三陵等工程已实现了引张线式水平位移计和水管式沉降仪的测量自动化。高边坡或不稳定的岸坡都需进行监测,监测项目包括变形和地下水位监测等。1.2压力监测设备渗流监测包括坝体渗流压力、坝基渗流压力、绕坝渗流和渗流量监测。对于土石坝而言由于存在渗透变形,同时渗流压力也影响上下游坝坡稳定性。据有关资料分析统计,土石坝由于渗流问题引起事故的占总失事事故数的30%～40%,可见土石坝渗流监测的重要性。渗流压力监测一般采用振弦式渗压计,根据国内外的工程经验,进口Geokon公司振弦式仪器在精确性和长期稳定性方面具有一定的优势,但价格也相对较高。许多大坝的渗流量监测都是通过测量量水堰堰上水头进行计算得到的,由于中间过程的累积误差,要求测量堰上水头的精确性较高。为此,采用压力式水位计进行堰上水头测量时要考虑到温度和大气压修正。由于带通气孔的振弦式仪器可能会因为通气孔使水流入仪器从而导致仪器损坏,为此Geokon公司建议对于野外长期使用的高精度水位测量可以选用低量程(绝对精度较高)不带通气孔的4500AL型渗压计,同时另配一只仪器专门用于气压修正。经室内试验,德国P+F公司生产的UC2000-F43-2KIR2-V17型超声波仪满足水堰测量精度要求,已在江西上游等水库投入运行。1.3应力观测方式压力监测包括空隙水压力、土压力、面板应力监测,有时也将空隙水压力监测纳入渗流监测。压应力可以采用压应力计或土压力计直接观测,钢筋应力可以采用钢筋计直接测量,其余应力监测一般是通过测量应变再计算求得的,显然后者由于累积误差的原因,精度相对要低一点。国产差阻式和进口振弦式仪器都能满足压力监测的需要。1.4测压管水位与降雨的关系环境量(水位、降雨、水温、气温)监测是资料分析的需要,如许多土石坝资料分析表明,很多测压管水位与降雨关系密切,严寒地区粘性材料存在冻涨现象。波浪、泥沙淤积、冰冻等监测要根据水库所处的具体环境和条件进行。1.5坝体地震反应监测规范规定水库大坝所在地地震基本烈度为7度及以上地区的1、2级土石坝经过论证,可进行坝体地震反应监测。地震监测主要针对边坡稳定、地震动应(压)力和土体液化而进行的。对于存在高边坡或筑坝材料存在液化可能性的高坝,应注意进行地震监测。1.6冲坑等监测泄水建筑物水力学包括空蚀、动水压力和冲坑等监测。由于冲坑等很难通过仪器监测全面加以了解,因此作好该项监测应将仪器监测与巡视检查很好地结合起来。2与主要统计设计和方法配合应用监测设计的目的就是通过较少的测点和仪器准确、及时地掌握大坝性态的变化。设计要有利于施工、运行和有用资料的获取。监测的成果要有利于分析和对大坝安全状况作出判断,这里有如下几个问题需要强调:(1)根据以往对土石坝破坏的原因分析,发现在洪水漫顶、设计施工和运行管理等原因中,由于洪水漫顶引起的失事比例占50%以上,为此将大坝安全监测(也称为工情监测)与水情测报、闸门监控等系统结合起来组成水库调度综合自动化系统,意义重大。国家即将建立的防洪调度自动化系统就是基于这一设想进行的。江苏省沙河、大溪工程作为试点工程之一,已经安装了包括大坝(工情)、水雨情、闸门监控等子系统在内的综合自动化系统。此外,将闸门、启闭机等泄洪设备和设施以及泄洪水雾影响区域的高边坡纳入安全监测范围,避免泄洪时引起上述设备失灵和高边坡水文地质变化,从而导致包括洪水满顶和滑坡在内的大坝失事也是非常必要的。(2)在监测设计时监测项目的设置、测点布置和仪器选型要以方便资料分析和大坝安全评估为最终目的。在测点布置时要有针对性,能形成观测断面,资料便于相互印证,如对于面板堆石坝,周边缝是最易出现渗漏和变形的薄弱环节。在渗流监测时,坝体和坝基测点布置应有明显的针对性。如果将坝体渗流监测测压管也布置在坝体建基面附近,而将坝基测压管布置在坝基建基面附近,两者进水段高程差异不大时,资料将变得难以分析。3安全监测中的一些问题3.1测量点渗压与测压管的关系测压管和埋设渗压计是土石坝常用的渗流压力监测方法,两种方法比较如下:(1)测压管相对埋设渗压计而言滞后现象比较明显,所以规范规定:“作用水头小于20m的坝、渗透系数大于或等于10-4cm/s的土中、渗压力变幅小的部位、监视防渗体裂缝等,宜采用测压管”。显然对于渗透系数小、水位变幅和速率大以及可能引起渗透变形的部位不宜采用测压管。(2)测压管测量方便,测量重复性可达“cm”级,埋设渗压计对测点渗压的测量受渗压计的性能指标影响,无法采用有效的方法对测值的准确度进行校核。在实现自动化时,测压管人工比测方便,渗压计难以进行有效的人工比测。(3)测压管寿命受泥沙淤积等影响,可以通过定期扫孔延长使用寿命。埋设渗压计的使用寿命决定于渗压计的使用寿命和稳定性。(4)由于土石坝在运行初期沉降量较大,所以渗压计埋设高程、测压管进水段高程与管口高程都可能发生变化,为确保监测资料的准确性,对上述高程进行定期复核是非常必要的。3.2坝安全自动监测系统易受热毒由于监测系统在坝面安装、无廊道屏蔽、系统分布范围大等原因使土石坝安全自动监测系统更容易遭受雷击。防雷措施包括采用光缆通讯、所有电缆采用镀锌钢管保护并埋地、利用测压管合理接地、避免由于地电位差引入干扰、在电源进口处加装隔离滤波设备和为整个系统加装避雷针等。3.3关于水库大坝领导下的主要问题由于前述的仪器监测只能做到点监测,土石坝的非连续性使得点监测有许多局限性,为此巡视检查就显得非常重要。目前有许多水库大坝在下游坝面种草,虽然种草有利于减少雨水对下游坝面的侵蚀,但有可能影响巡视检查。因此笔者在此强调,对坝面进行的任何“装饰”和保护时都要考虑到是否影响到巡视检查。3.4时域反射法tdr为弥补上述仪器监测方法的不足和发现大坝内部隐患,人们正在研究一些半自动探测方法,如同位素探测法、电磁探测法等探测坝体渗流通道的方法。其中由水科院研究的地球物理瞬变电磁法就已在多个工程得到应用。时域反射法(TDR)是在需要监测的部位埋设同轴电缆,若堤坝发生滑动时,在滑动部位会使电缆变形,通过采用时域反射仪测量电缆变形情况可找出坝体(内部)变形所在的部位。同样光时域反射法(OTDR)是在需要监测的部位埋设光缆,其测量原理与时域反射法相似。若沿坝纵向埋设同轴电缆或光缆,可较大范围内监测大坝的位移。因测量技术的限制和经济上的原因,目前上述测量技术有的只能采用人工方法进行测量,有的尚在实验阶段,实现自动化还不成熟,但是上述方法的研究为我们开辟了一条空间或面监测的路子,与常规监测结合起来可以发挥全面监测大坝和相互印证的作用。3.5渗流场的确定在多年工作基础上,俄国学者提出“将温度状态作为观测土石坝性态的指示因子”的学术观点。瑞典学者通过计算表明:“当芯墙渗透系数小于(2～6)×10-7m/s时,坝体温度变化几乎是常数,当渗透系数大于上述值时,可分析温度的变化较准确地估计其渗透性”。我国学者也曾应用温度场分析过渗流场。渗流的温度监测是基于水的热传导系数及比热和岩石及土体差别较大,渗流变化必然导致温度场的变化而得到的。这一点可以为我们在进行监测设计和资料分析时提供一个新的思路。3.6大坝初期安全监测土石坝在运行初期由于渗流、固结等原因坝体沉降量较大,因而容易出现纵向和横向裂缝,影响大坝安全,为此加强施工期和运行初期的安全监测至关重要。在松涛水库资料分析时,人们发现由于大坝于1968年竣工,而坝顶沉降1970年4月才开始观测,由于没有得到初期沉降数据,因此很难同设计计算比较。因此,监测仪器宜早安装、早检验、早投入运行,监测资料要及时分析。3.7监测仪器的施工期和银行标准高土石坝在施工期和初始运行期的变形较大,到后来变幅将逐步减少。安全监测具有长期性的要求,同时也有时间上的要求,监测仪器要求在施工期埋设安装,以获得初始值,而内部仪器也只能在施工期埋设。另一方面很多仪器都存在量程和精度之间的矛盾,即量程大精度低。既要仪器满足在大坝施工期监测的大量程要求,又要满足在运行期测值变幅逐步减少后对精度的要求,仪器选型时对此必须注意。3.8坝上面板和下游堆石面的变形统计分析土石坝的资料分析比混凝土坝要复杂得多,主要由于以下几个方面的原因:(1)土石坝结构、材料及边界条件的物理力学特征和参数更加复杂,难以准确模拟计算。(2)土石坝中渗流更加复杂,存在渗透破坏,渗流场与应力场、温度场以及边界条件的耦合问题。(3)土石坝的破坏形式和破坏机理研究还不够深入,材料的蠕变和突变特性还有待进一步研究。(4)土石坝观测资料不仅与坝型、结构、材料和荷载有关,还与施工过程、施工进度、施工方法、运行管理等因素有关。为此在资料分析中要注意如下几个问题:(1)在资料分析前必须注意复核仪器埋设的确切位置、方向和仪器性能。如坝上下游面的变形测值物理意义就不一样,对于芯墙坝在建立变形统计模型时,上游坝体和心墙及下游坝体模型是不同的,同样对于面板堆石坝面板和下游堆石体的变形机理也不一样;应力计算与任何一个方向的应变有关;在严寒地区,冬季冻土层深达1～2m,粘性土坝面会发生冻涨,于是上下游坝面变形测点测值就有不同的解释。如果仪器测值的精度不能满足要求,所有的分析都建立在虚假资料的基础上,分析就没有意义,结论也只能是虚假的。(2)资料分析要同材料特性、施工过程、环境变化、相关物理量等联系起来,如在分析渗流资料时,要将浸润面、位势、坡降和渗流量相结合,是否引起渗透变形要同具体位置的材料和结构联系起来。为便于比较,监测物理量的无量纲化正成为一种发展方向。(3)资料分析应结合试验、设计和计算进行,如上游库水位骤降可能引起上游坝面失稳,而失稳的可能性与水位降低的速度有关,为了解其监控指标,必须将实测资料分析同边坡稳定计算结合起来。在混凝土面板坝面板裂缝成因分析中,经过系