揭示大坝是否安全,一般需要通过日常的人工例行检查和仪器监测来完成。日常检查已被大多数水库工程管理单位所理解和接受,并已普遍付诸实施,该项制度还被编入了各水库管理单位的规章中,这一措施在水库安全管理中发挥了很好的作用。而仪器监测是指依据有关规范,结合工程实际,在水库大坝上布设各类安全监测仪器和设备,用以采集大坝运行的各种性态信息。通过对这些信息的处理和整编分析,结合人工例行检查所提供的情况,对大坝的运行性态及安全状况作出较为客观的评价,这种评价结果可作为大坝安全运行和水库调度的依据,还可作为大坝除险加固或采取其他工程措施的依据。

根据大坝安全监测的目的,监测的主要项目有:变形、渗流、压力、应力应变、水力学及环境量等。其中变形和渗流监测是最为重要的监测项目,因为这些监测量直观可靠,可基本反映在各种荷载作用下的大坝安全性态。对大坝的内部性态进行监测也是比较重要的,其监测成果可以用来反馈和检验设计、施工质量。

1.变形监测

大坝在自重、水压力、扬压力、冰压力、泥沙淤积压力及温度等荷载作用下,会产生变形,变形监测是了解大坝工作性态的重要内容,变形监测主要包括以下几方面。

(1)表面变形:为了解大坝在施工和运行期间是否稳定和安全,应对其进行位移监测,以掌握它的变形规律,研究有无裂缝、滑坡、滑动和倾覆等趋势。表面变形包括竖向位移和水平位移。水平位移中包括垂直坝轴线的横向位移和平行坝轴线的纵向位移。表面变形可采用水准测量和视准线(或三角网)法进行观测,一般用水准仪、经纬仪或全站仪进行测量,也可采用自动化观测方式,包括引张线水平位移监测系统、激光 (大气激光、真空激光和微压激光)准直观测系统和GPS位移观测系统等。

(2)内部变形:内部变形包括竖向位移和分层水平位移。竖向位移是指大坝在施工和运行期间坝体内的固结和沉降;分层水平位移是指垂直坝轴线方向或平行坝轴线方向的位移,在水压力作用下不同层面的水平位移,或由于坝基或坝体的抗剪强度低而产生的侧向位移。在坝体可能发生较大位移部位安装位移监测仪器,观测大坝在施工和运行期间坝体内部的位移情况,进行综合分析,判断大坝的稳定性及坝体内有无隐蔽裂缝,可作为施工控制和工程安全运行的依据。测量内部分层竖向位移的仪器有:连通管式沉降仪、横梁式沉降仪、电磁式沉降仪、干簧管式沉降仪及连杆式分层沉降仪等;测量内部水平位移的仪器有:测斜仪、引张线式水平位移计、正倒垂线式位移计及电位器(钢弦)式位移计等。

(3)坝基变形:为了解大坝在自重和水压力作用下的变形情况,需对坝基进行变形监测。主要观测仪器有:基础变位计、位移计和静力水准仪等。

(4)裂缝及接缝:水工建筑物在设计和施工中均留有一些接缝,如混凝土面板的接缝和周边缝等;由于结构应力的不均变化,在运行中也会产生一些裂缝。对这些接缝和裂缝进行观测,可了解其现状和发展趋势,以便分析其对建筑物结构安全的影响。监测接缝和裂缝的仪器有:单向测缝计、双向测缝计和三向测缝计等。

(5)混凝土面板变形:混凝土面板的变形观测包括面板的表面位移、挠度、接缝和裂缝等。水上部分的表面位移观测可采用前述的表面位移观测方法,水下部分的位移、挠度和接(裂)缝观测可采用连通管式沉降仪、斜坡测斜仪和测缝计等进行观测。

(6)岸坡位移:对于危及大坝、输泄水建筑物及附属设施安全和运行的滑坡体应进行观测,以监视其发展趋势,必要时采取处理措施。岸坡位移观测主要包括表面位移、裂缝及深层位移等。表面位移和裂缝观测可采用前述方法,深层位移可采用多点位移计和测斜仪等进行观测。

2.渗流监测

渗流监测是指对在上下游水位差作用下产生的渗流场的监测,主要包括渗流压力、渗流量及其水质的观测。渗流观测主要包括坝体渗流、坝基渗流、绕坝渗流和渗流量。

(1)坝体渗流:坝体渗流观测是为了掌握坝体浸润面的变化情况,如果高于设计值,就可能造成滑坡失稳。

(2)坝基渗流:坝基渗流观测可以检验有无管涌、流土及接触面的渗流破坏,判断大坝防渗设施的效果。

(3)绕坝渗流:绕坝渗流除影响两岸山体本身的安全外,对坝体和坝基的渗流也可能产生不利的影响,如抬高岸坡部分坝体的浸润面或使坝基的渗流压力增大,在坝体与岸坡或混凝土建筑物的接触面上可能产生接触渗透破坏等。

(4)渗流量:渗流量的变化能直观全面地反映坝的工作状态,据以分析大坝运行期的安全性,所以渗流量一般是必测项目。

坝体、坝基和绕坝渗流压力一般采用测压管和埋设渗压计的方法进行观测;渗流量的观测可采用三角量水堰的方法进行观测。

3.压力监测

压力监测主要包括对孔隙水压力、扬压力、土压力和接触土压力等进行的观测。

(1)孔隙水压力:孔隙水压力是指水中填土坝、水坠坝坝身或坝基产生的孔隙水压力,观测其分布和消散情况,以掌握其对施工的影响、大坝运行期的渗流性态和坝身的稳定。孔隙水压力一般采用水管式孔隙水压力仪和埋入式孔隙水压力计进行观测。

(2)扬压力:扬压力观测主要是为了解水库水头在坝基面上产生的渗透压力或浮托力,包括混凝土坝和溢洪道基础,从扬压力的大小可以判断防渗和排水设施的效果。扬压力一般采用测压管或埋入式扬压力计进行配合观测。

(3)土压力:土压力观测的目的是了解坝体填土中的内部土体压力。可采用埋入式土中土压力计进行观测。土压力测量的是土体总应力,如需测量土体内的有效应力,在埋设土压力计的同时,应埋设孔隙水压力计进行观测。

(4)接触土压力:接触土压力的观测目的是了解土与建筑物的作用压力大小和分布情况,包括岸墙、溢洪道边墙,以及坝基土与水工建筑物的作用力或心墙对混凝土垫层的作用力等,还包括坝体土对坝内涵管的接触压力。接触土压力一般采用接触式土压力计进行观测。(www.daowen.com)

4.应力应变及温度监测

应力应变及温度监测项目主要包括混凝土(包括混凝土面板)应力、应变、锚杆(锚索)应力、钢筋应力、钢板应力、基岩应变及温度场等监测。

(1)混凝土应力、应变一般采用压应力计和应变计等进行观测。用应变计观测混凝土应力时,需安装无应力计。

(2)锚杆(锚索)及钢筋应力观测一般采用锚杆测力计或钢筋计观测。钢板应力采用钢板计观测。

(3)温度是引起坝体应力和变形的重要因素,坝体温度场的观测可采用铜电阻或铂电阻温度计观测。

(4)基岩的应变一般采用基岩应变计或基岩变位计观测。

5.泄水建筑物水力学监测

泄水建筑物水力学监测项目主要包括泄水压强、泄水流速、流量及水面线观测。

(1)泄水建筑物压强观测内容包括时均压强、瞬时压强及脉动压强,一般可采用测压管、压力表及埋入脉动压力传感器等进行观测,前两种为人工观测,后一种可进行自动化观测。

(2)流速观测可采用浮标法、流速仪法和毕托管法。流速仪法主要有超声波时差法流速仪、电波流速仪和旋桨(旋杯)式流速仪测速法等。

(3)泄水建筑物流量观测一般采用水工模型试验的水位流量关系,根据上下游水头差进行计算,也可采用流速观测结果进行流量计算。

(4)水面线观测一般采用在边墙上设置红、白相间的直立水尺和摄像等方式进行观测。

6.地震反应监测

地处地震基本烈度Ⅶ度及其以上地区的Ⅰ、Ⅱ级水库大坝,经过论证,可进行坝体地震反应监测。地震反应监测主要包括地震强震观测和动孔隙水压力观测。

(1)地震强震采用强震仪观测,强震仪包括强震加速度仪和峰值记录加速度仪等。

(2)动孔隙水压力应结合地震观测进行,一般采用动孔隙水压力仪等进行观测。

7.环境量监测

为了解水库大坝上、下游水位、降雨量、温度等环境量的变化,对坝体变形、应力、渗流等情况的影响,为其分析计算提供环境量资料,应进行水库大坝的环境量监测。环境量监测包括上、下游水位、降雨量、气温、水温等。

(1)上、下游水位观测应根据水文观测的有关规范和观测手册在水库大坝上、下游选择合适的观测点,可采用水尺、浮子式水位计、压力式水位计等进行观测。

(2)降雨量、气温的观测应根据水文气象观测的有关规范和观测手册在坝址区设气象站,按规定进行观测。

(3)为了解坝前水温分布和变化规律,研究分析水温对坝体的渗流和混凝土建筑物的影响,通常在坝前选择合适的断面进行水温观测,一般可采用铜电阻或铂电阻温度计进行观测。