土石壩安全監(jiān)測(cè)的方法和儀器

土石壩安全監(jiān)測(cè)的方法和儀器

在中國(guó)修建的水庫(kù)水庫(kù)中，土石水庫(kù)占大多數(shù)。在以往的水庫(kù)大壩失事數(shù)量中,土石壩也占大多數(shù)。土石壩由于結(jié)構(gòu)類型(如心墻壩、面板壩、均質(zhì)壩等)的多樣性,材料的非均質(zhì)非線性和不連續(xù)性(裂縫、不同材料交界面)、本構(gòu)關(guān)系的不確定性以及各向異性,荷載類型、組合以及施加方式等的多樣性和隨機(jī)性,大壩施工、擴(kuò)建、加固、運(yùn)行、管理以及環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)影響的復(fù)雜性等使土石壩安全監(jiān)測(cè)比混凝土壩更加復(fù)雜。同時(shí)由于表面不能過水以及破壞機(jī)理有所不同等原因使土石壩對(duì)安全監(jiān)測(cè)的要求更高。總之,土石壩的安全監(jiān)測(cè)還有許多問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。1設(shè)備環(huán)境監(jiān)測(cè)工程和方法隨著科技的進(jìn)步,近年來監(jiān)測(cè)方法和監(jiān)測(cè)儀器得到了較大程度的發(fā)展,現(xiàn)根據(jù)規(guī)范的儀器監(jiān)測(cè)項(xiàng)目分類和具體工程應(yīng)用分別說明如下:1.1變形監(jiān)測(cè)1.1.1數(shù)據(jù)庫(kù)的實(shí)現(xiàn)和測(cè)試人工觀測(cè)仍采用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀,自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以采用全站儀和引張線——倒垂線法實(shí)現(xiàn)。天荒坪抽水蓄能電站的表面變形采用leicaTCA2300全站結(jié)合相關(guān)配套軟件實(shí)現(xiàn)了表面變形監(jiān)測(cè)的半自動(dòng)化。相對(duì)人工三角網(wǎng)觀測(cè)而言,采用全站儀具有精度高、測(cè)量和數(shù)據(jù)處理時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。在小浪底工程外部變形監(jiān)測(cè)中形成了TCA2003型全站儀及DIN12數(shù)字水準(zhǔn)儀實(shí)現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集、業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理和建立變形測(cè)值數(shù)據(jù)庫(kù),實(shí)現(xiàn)了變形測(cè)值采集和數(shù)據(jù)分析于一體的自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。采用全站儀實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)數(shù)據(jù)采集和處理要求有兩個(gè)穩(wěn)定的用于安裝全站儀的固定墩,測(cè)點(diǎn)墩上需配備相應(yīng)棱鏡。為減少?gòu)?fù)位誤差,全站儀和棱鏡最好固定在觀測(cè)墩上(或采用強(qiáng)制對(duì)中底盤)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要配套的數(shù)據(jù)平差處理分析軟件進(jìn)行處理。一般認(rèn)為采用全站儀進(jìn)行表面變形監(jiān)測(cè),垂直位移精度難以滿足規(guī)范要求,因此在選用全站儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí),首先要進(jìn)行精度論證。采用引張線——倒垂線系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)表面變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的例子有碧口和百丈氵祭土石壩,兩者引張線長(zhǎng)分別為260m和240m,前者于1996年1月投運(yùn),后者于1997年10月投運(yùn),2套系統(tǒng)至今運(yùn)行穩(wěn)定,測(cè)值可靠。真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)在北方實(shí)現(xiàn)混凝土大壩壩頂變形監(jiān)測(cè)自動(dòng)化已獲得成功。在北方寒冷地區(qū)和壩頂較長(zhǎng)情況下,真空激光相對(duì)引張線而言具有較多的成功事例,但在南方地區(qū)(存在高溫潮濕)和壩長(zhǎng)較短的情況下,引張線具有安裝維護(hù)方便、費(fèi)用低廉等優(yōu)點(diǎn)。GPS在隔河巖混凝土壩上已獲應(yīng)用,實(shí)際上高土石壩往往由于對(duì)天比較開闊,跟蹤衛(wèi)星較為方便,另外由于高土石壩變形量較大,精確度可以要求低一點(diǎn),因而可以縮短跟蹤衛(wèi)星的時(shí)間和加快解算速度。根據(jù)在混凝土壩上的應(yīng)用情況,真空激光和GPS都可以測(cè)量垂直位移(沉降),因而都可以考慮在高土石壩上應(yīng)用。1.1.2檢測(cè)儀器及分析方法內(nèi)部包括分層及界面位移和深層應(yīng)變觀測(cè)。常用監(jiān)測(cè)儀器包括電磁式沉降儀、測(cè)斜儀、引張線式水平位移計(jì)、水管式沉降儀等,魯布革電廠大壩已采用TS位移計(jì)實(shí)現(xiàn)了引張線式水平位移計(jì)的測(cè)量自動(dòng)化,該系統(tǒng)在1998年7月投運(yùn),至今運(yùn)行穩(wěn)定。用于傾斜監(jiān)測(cè)的測(cè)斜儀有鋼弦式和伺服加速度式,鋼弦式測(cè)斜儀具有穩(wěn)定性好、分辨率高、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn),但精度低。伺服加速度式測(cè)斜儀具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點(diǎn),但價(jià)格較貴。裂縫及接縫監(jiān)測(cè)主要針對(duì)面板堆石壩以及壩體軟性材料與鋼性材料交界處裂縫的監(jiān)測(cè)。儀器有差阻式、振弦式、電位器式等,上述儀器實(shí)現(xiàn)測(cè)量自動(dòng)化都比較方便?；炷撩姘遄冃伪O(jiān)測(cè)主要是撓度監(jiān)測(cè),主要采用測(cè)斜儀和多點(diǎn)變位計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。經(jīng)過南京水科院等單位的科技攻關(guān),港口灣、洪家渡、十三陵等工程已實(shí)現(xiàn)了引張線式水平位移計(jì)和水管式沉降儀的測(cè)量自動(dòng)化。高邊坡或不穩(wěn)定的岸坡都需進(jìn)行監(jiān)測(cè),監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括變形和地下水位監(jiān)測(cè)等。1.2壓力監(jiān)測(cè)設(shè)備滲流監(jiān)測(cè)包括壩體滲流壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流和滲流量監(jiān)測(cè)。對(duì)于土石壩而言由于存在滲透變形,同時(shí)滲流壓力也影響上下游壩坡穩(wěn)定性。據(jù)有關(guān)資料分析統(tǒng)計(jì),土石壩由于滲流問題引起事故的占總失事事故數(shù)的30%～40%,可見土石壩滲流監(jiān)測(cè)的重要性。滲流壓力監(jiān)測(cè)一般采用振弦式滲壓計(jì),根據(jù)國(guó)內(nèi)外的工程經(jīng)驗(yàn),進(jìn)口Geokon公司振弦式儀器在精確性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢(shì),但價(jià)格也相對(duì)較高。許多大壩的滲流量監(jiān)測(cè)都是通過測(cè)量量水堰堰上水頭進(jìn)行計(jì)算得到的,由于中間過程的累積誤差,要求測(cè)量堰上水頭的精確性較高。為此,采用壓力式水位計(jì)進(jìn)行堰上水頭測(cè)量時(shí)要考慮到溫度和大氣壓修正。由于帶通氣孔的振弦式儀器可能會(huì)因?yàn)橥饪资顾魅雰x器從而導(dǎo)致儀器損壞,為此Geokon公司建議對(duì)于野外長(zhǎng)期使用的高精度水位測(cè)量可以選用低量程(絕對(duì)精度較高)不帶通氣孔的4500AL型滲壓計(jì),同時(shí)另配一只儀器專門用于氣壓修正。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn),德國(guó)P+F公司生產(chǎn)的UC2000-F43-2KIR2-V17型超聲波儀滿足水堰測(cè)量精度要求,已在江西上游等水庫(kù)投入運(yùn)行。1.3應(yīng)力觀測(cè)方式壓力監(jiān)測(cè)包括空隙水壓力、土壓力、面板應(yīng)力監(jiān)測(cè),有時(shí)也將空隙水壓力監(jiān)測(cè)納入滲流監(jiān)測(cè)。壓應(yīng)力可以采用壓應(yīng)力計(jì)或土壓力計(jì)直接觀測(cè),鋼筋應(yīng)力可以采用鋼筋計(jì)直接測(cè)量,其余應(yīng)力監(jiān)測(cè)一般是通過測(cè)量應(yīng)變?cè)儆?jì)算求得的,顯然后者由于累積誤差的原因,精度相對(duì)要低一點(diǎn)。國(guó)產(chǎn)差阻式和進(jìn)口振弦式儀器都能滿足壓力監(jiān)測(cè)的需要。1.4測(cè)壓管水位與降雨的關(guān)系環(huán)境量(水位、降雨、水溫、氣溫)監(jiān)測(cè)是資料分析的需要,如許多土石壩資料分析表明,很多測(cè)壓管水位與降雨關(guān)系密切,嚴(yán)寒地區(qū)粘性材料存在凍漲現(xiàn)象。波浪、泥沙淤積、冰凍等監(jiān)測(cè)要根據(jù)水庫(kù)所處的具體環(huán)境和條件進(jìn)行。1.5壩體地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)規(guī)范規(guī)定水庫(kù)大壩所在地地震基本烈度為7度及以上地區(qū)的1、2級(jí)土石壩經(jīng)過論證,可進(jìn)行壩體地震反應(yīng)監(jiān)測(cè)。地震監(jiān)測(cè)主要針對(duì)邊坡穩(wěn)定、地震動(dòng)應(yīng)(壓)力和土體液化而進(jìn)行的。對(duì)于存在高邊坡或筑壩材料存在液化可能性的高壩,應(yīng)注意進(jìn)行地震監(jiān)測(cè)。1.6沖坑等監(jiān)測(cè)泄水建筑物水力學(xué)包括空蝕、動(dòng)水壓力和沖坑等監(jiān)測(cè)。由于沖坑等很難通過儀器監(jiān)測(cè)全面加以了解,因此作好該項(xiàng)監(jiān)測(cè)應(yīng)將儀器監(jiān)測(cè)與巡視檢查很好地結(jié)合起來。2與主要統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)和方法配合應(yīng)用監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的就是通過較少的測(cè)點(diǎn)和儀器準(zhǔn)確、及時(shí)地掌握大壩性態(tài)的變化。設(shè)計(jì)要有利于施工、運(yùn)行和有用資料的獲取。監(jiān)測(cè)的成果要有利于分析和對(duì)大壩安全狀況作出判斷,這里有如下幾個(gè)問題需要強(qiáng)調(diào):(1)根據(jù)以往對(duì)土石壩破壞的原因分析,發(fā)現(xiàn)在洪水漫頂、設(shè)計(jì)施工和運(yùn)行管理等原因中,由于洪水漫頂引起的失事比例占50%以上,為此將大壩安全監(jiān)測(cè)(也稱為工情監(jiān)測(cè))與水情測(cè)報(bào)、閘門監(jiān)控等系統(tǒng)結(jié)合起來組成水庫(kù)調(diào)度綜合自動(dòng)化系統(tǒng),意義重大。國(guó)家即將建立的防洪調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)就是基于這一設(shè)想進(jìn)行的。江蘇省沙河、大溪工程作為試點(diǎn)工程之一,已經(jīng)安裝了包括大壩(工情)、水雨情、閘門監(jiān)控等子系統(tǒng)在內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。此外,將閘門、啟閉機(jī)等泄洪設(shè)備和設(shè)施以及泄洪水霧影響區(qū)域的高邊坡納入安全監(jiān)測(cè)范圍,避免泄洪時(shí)引起上述設(shè)備失靈和高邊坡水文地質(zhì)變化,從而導(dǎo)致包括洪水滿頂和滑坡在內(nèi)的大壩失事也是非常必要的。(2)在監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)置、測(cè)點(diǎn)布置和儀器選型要以方便資料分析和大壩安全評(píng)估為最終目的。在測(cè)點(diǎn)布置時(shí)要有針對(duì)性,能形成觀測(cè)斷面,資料便于相互印證,如對(duì)于面板堆石壩,周邊縫是最易出現(xiàn)滲漏和變形的薄弱環(huán)節(jié)。在滲流監(jiān)測(cè)時(shí),壩體和壩基測(cè)點(diǎn)布置應(yīng)有明顯的針對(duì)性。如果將壩體滲流監(jiān)測(cè)測(cè)壓管也布置在壩體建基面附近,而將壩基測(cè)壓管布置在壩基建基面附近,兩者進(jìn)水段高程差異不大時(shí),資料將變得難以分析。3安全監(jiān)測(cè)中的一些問題3.1測(cè)量點(diǎn)滲壓與測(cè)壓管的關(guān)系測(cè)壓管和埋設(shè)滲壓計(jì)是土石壩常用的滲流壓力監(jiān)測(cè)方法,兩種方法比較如下:(1)測(cè)壓管相對(duì)埋設(shè)滲壓計(jì)而言滯后現(xiàn)象比較明顯,所以規(guī)范規(guī)定:“作用水頭小于20m的壩、滲透系數(shù)大于或等于10-4cm/s的土中、滲壓力變幅小的部位、監(jiān)視防滲體裂縫等,宜采用測(cè)壓管”。顯然對(duì)于滲透系數(shù)小、水位變幅和速率大以及可能引起滲透變形的部位不宜采用測(cè)壓管。(2)測(cè)壓管測(cè)量方便,測(cè)量重復(fù)性可達(dá)“cm”級(jí),埋設(shè)滲壓計(jì)對(duì)測(cè)點(diǎn)滲壓的測(cè)量受滲壓計(jì)的性能指標(biāo)影響,無法采用有效的方法對(duì)測(cè)值的準(zhǔn)確度進(jìn)行校核。在實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化時(shí),測(cè)壓管人工比測(cè)方便,滲壓計(jì)難以進(jìn)行有效的人工比測(cè)。(3)測(cè)壓管壽命受泥沙淤積等影響,可以通過定期掃孔延長(zhǎng)使用壽命。埋設(shè)滲壓計(jì)的使用壽命決定于滲壓計(jì)的使用壽命和穩(wěn)定性。(4)由于土石壩在運(yùn)行初期沉降量較大,所以滲壓計(jì)埋設(shè)高程、測(cè)壓管進(jìn)水段高程與管口高程都可能發(fā)生變化,為確保監(jiān)測(cè)資料的準(zhǔn)確性,對(duì)上述高程進(jìn)行定期復(fù)核是非常必要的。3.2壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)易受熱毒由于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在壩面安裝、無廊道屏蔽、系統(tǒng)分布范圍大等原因使土石壩安全自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)更容易遭受雷擊。防雷措施包括采用光纜通訊、所有電纜采用鍍鋅鋼管保護(hù)并埋地、利用測(cè)壓管合理接地、避免由于地電位差引入干擾、在電源進(jìn)口處加裝隔離濾波設(shè)備和為整個(gè)系統(tǒng)加裝避雷針等。3.3關(guān)于水庫(kù)大壩領(lǐng)導(dǎo)下的主要問題由于前述的儀器監(jiān)測(cè)只能做到點(diǎn)監(jiān)測(cè),土石壩的非連續(xù)性使得點(diǎn)監(jiān)測(cè)有許多局限性,為此巡視檢查就顯得非常重要。目前有許多水庫(kù)大壩在下游壩面種草,雖然種草有利于減少雨水對(duì)下游壩面的侵蝕,但有可能影響巡視檢查。因此筆者在此強(qiáng)調(diào),對(duì)壩面進(jìn)行的任何“裝飾”和保護(hù)時(shí)都要考慮到是否影響到巡視檢查。3.4時(shí)域反射法tdr為彌補(bǔ)上述儀器監(jiān)測(cè)方法的不足和發(fā)現(xiàn)大壩內(nèi)部隱患,人們正在研究一些半自動(dòng)探測(cè)方法,如同位素探測(cè)法、電磁探測(cè)法等探測(cè)壩體滲流通道的方法。其中由水科院研究的地球物理瞬變電磁法就已在多個(gè)工程得到應(yīng)用。時(shí)域反射法(TDR)是在需要監(jiān)測(cè)的部位埋設(shè)同軸電纜,若堤壩發(fā)生滑動(dòng)時(shí),在滑動(dòng)部位會(huì)使電纜變形,通過采用時(shí)域反射儀測(cè)量電纜變形情況可找出壩體(內(nèi)部)變形所在的部位。同樣光時(shí)域反射法(OTDR)是在需要監(jiān)測(cè)的部位埋設(shè)光纜,其測(cè)量原理與時(shí)域反射法相似。若沿壩縱向埋設(shè)同軸電纜或光纜,可較大范圍內(nèi)監(jiān)測(cè)大壩的位移。因測(cè)量技術(shù)的限制和經(jīng)濟(jì)上的原因,目前上述測(cè)量技術(shù)有的只能采用人工方法進(jìn)行測(cè)量,有的尚在實(shí)驗(yàn)階段,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化還不成熟,但是上述方法的研究為我們開辟了一條空間或面監(jiān)測(cè)的路子,與常規(guī)監(jiān)測(cè)結(jié)合起來可以發(fā)揮全面監(jiān)測(cè)大壩和相互印證的作用。3.5滲流場(chǎng)的確定在多年工作基礎(chǔ)上,俄國(guó)學(xué)者提出“將溫度狀態(tài)作為觀測(cè)土石壩性態(tài)的指示因子”的學(xué)術(shù)觀點(diǎn)。瑞典學(xué)者通過計(jì)算表明:“當(dāng)芯墻滲透系數(shù)小于(2～6)×10-7m/s時(shí),壩體溫度變化幾乎是常數(shù),當(dāng)滲透系數(shù)大于上述值時(shí),可分析溫度的變化較準(zhǔn)確地估計(jì)其滲透性”。我國(guó)學(xué)者也曾應(yīng)用溫度場(chǎng)分析過滲流場(chǎng)。滲流的溫度監(jiān)測(cè)是基于水的熱傳導(dǎo)系數(shù)及比熱和巖石及土體差別較大,滲流變化必然導(dǎo)致溫度場(chǎng)的變化而得到的。這一點(diǎn)可以為我們?cè)谶M(jìn)行監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和資料分析時(shí)提供一個(gè)新的思路。3.6大壩初期安全監(jiān)測(cè)土石壩在運(yùn)行初期由于滲流、固結(jié)等原因壩體沉降量較大,因而容易出現(xiàn)縱向和橫向裂縫,影響大壩安全,為此加強(qiáng)施工期和運(yùn)行初期的安全監(jiān)測(cè)至關(guān)重要。在松濤水庫(kù)資料分析時(shí),人們發(fā)現(xiàn)由于大壩于1968年竣工,而壩頂沉降1970年4月才開始觀測(cè),由于沒有得到初期沉降數(shù)據(jù),因此很難同設(shè)計(jì)計(jì)算比較。因此,監(jiān)測(cè)儀器宜早安裝、早檢驗(yàn)、早投入運(yùn)行,監(jiān)測(cè)資料要及時(shí)分析。3.7監(jiān)測(cè)儀器的施工期和銀行標(biāo)準(zhǔn)高土石壩在施工期和初始運(yùn)行期的變形較大,到后來變幅將逐步減少。安全監(jiān)測(cè)具有長(zhǎng)期性的要求,同時(shí)也有時(shí)間上的要求,監(jiān)測(cè)儀器要求在施工期埋設(shè)安裝,以獲得初始值,而內(nèi)部?jī)x器也只能在施工期埋設(shè)。另一方面很多儀器都存在量程和精度之間的矛盾,即量程大精度低。既要儀器滿足在大壩施工期監(jiān)測(cè)的大量程要求,又要滿足在運(yùn)行期測(cè)值變幅逐步減少后對(duì)精度的要求,儀器選型時(shí)對(duì)此必須注意。3.8壩上面板和下游堆石面的變形統(tǒng)計(jì)分析土石壩的資料分析比混凝土壩要復(fù)雜得多,主要由于以下幾個(gè)方面的原因:(1)土石壩結(jié)構(gòu)、材料及邊界條件的物理力學(xué)特征和參數(shù)更加復(fù)雜,難以準(zhǔn)確模擬計(jì)算。(2)土石壩中滲流更加復(fù)雜,存在滲透破壞,滲流場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)、溫度場(chǎng)以及邊界條件的耦合問題。(3)土石壩的破壞形式和破壞機(jī)理研究還不夠深入,材料的蠕變和突變特性還有待進(jìn)一步研究。(4)土石壩觀測(cè)資料不僅與壩型、結(jié)構(gòu)、材料和荷載有關(guān),還與施工過程、施工進(jìn)度、施工方法、運(yùn)行管理等因素有關(guān)。為此在資料分析中要注意如下幾個(gè)問題:(1)在資料分析前必須注意復(fù)核儀器埋設(shè)的確切位置、方向和儀器性能。如壩上下游面的變形測(cè)值物理意義就不一樣,對(duì)于芯墻壩在建立變形統(tǒng)計(jì)模型時(shí),上游壩體和心墻及下游壩體模型是不同的,同樣對(duì)于面板堆石壩面板和下游堆石體的變形機(jī)理也不一樣;應(yīng)力計(jì)算與任何一個(gè)方向的應(yīng)變有關(guān);在嚴(yán)寒地區(qū),冬季凍土層深達(dá)1～2m,粘性土壩面會(huì)發(fā)生凍漲,于是上下游壩面變形測(cè)點(diǎn)測(cè)值就有不同的解釋。如果儀器測(cè)值的精度不能滿足要求,所有的分析都建立在虛假資料的基礎(chǔ)上,分析就沒有意義,結(jié)論也只能是虛假的。(2)資料分析要同材料特性、施工過程、環(huán)境變化、相關(guān)物理量等聯(lián)系起來,如在分析滲流資料時(shí),要將浸潤(rùn)面、位勢(shì)、坡降和滲流量相結(jié)合,是否引起滲透變形要同具體位置的材料和結(jié)構(gòu)聯(lián)系起來。為便于比較,監(jiān)測(cè)物理量的無量綱化正成為一種發(fā)展方向。(3)資料分析應(yīng)結(jié)合試驗(yàn)、設(shè)計(jì)和計(jì)算進(jìn)行,如上游庫(kù)水位驟降可能引起上游壩面失穩(wěn),而失穩(wěn)的可能性與水位降低的速度有關(guān),為了解其監(jiān)控指標(biāo),必須將實(shí)測(cè)資料分析同邊坡穩(wěn)定計(jì)算結(jié)合起來。在混凝土面板壩面板裂縫成因分析中,經(jīng)過系