(一)水平位移观测

图2-3　观测设施及安装图 (单位:m)

(a)基岩上工作基点图;(b)土体上工作基点图;(c)表面变形观测点;(d)归心底盘浇注图

水平位移的观测方法,主要有视准线法、引张线法、垂线法、激光准直法、精密导线法等,可根据坝型和其他具体条件合理选用。对坝轴线为直线的大坝,目前多采用视准线法和引张线法等。视准线法(含活动觇标法)观测和计算简便,但易受外界影响,当视线不长时,其观测精度较高,比较适用。引张线法设备简单,安装方便,能观测不同高程的水平位移,且不受外界因素影响;其观测也简便,精度高,速度快,重复性好,可遥测,自记和数字显示等。因此,在我国、苏联和瑞士等国得到了广泛的应用。激光准直法具有方向性强,亮度高,单色性和相干性好等特点,观测精度可以大为提高;其缺点是随着准直距离的增大,光斑直径扩大,当准直距离达500m 时,光斑直径达25mm,光强大为减弱,同时由于温度变化,激光管谐振受热不均,以及大气抖动等因素影响而发生光斑漂移,影响观测精度,因而还未广泛应用。对于拱坝坝体水平位移的观测,目前国内外还没有令人满意的自动化观测方法。精密导线法能比较全面的观测拱坝各点的径向、切向位移值,观测方便,精度可达到1～2mm。目前国内高拱坝如白山拱坝已采用,龙羊峡和东江拱坝也用此法,《混凝土拱坝设计规范》(SD 145—85)亦推荐精密导线法。在苏联,因薄拱坝不好设置廊道和垂线,推荐用三角测量法观测大坝的绝对水平位移,对厚拱坝则推荐用垂线法和导线测量法。水平位移可根据工程情况采用合适观测方法,也可将以上两种方法结合使用。

1.视准线法

用视准线法观测水平位移,是以建筑物两端的两个工作基点所控制的视准线(两个工作基点的连线)为基准,来测量建筑物上位移观测点的水平位移量。

观测方法,见图2-4。在工作基点A (或B)上架设经纬仪,整平后,后视工作基点B (或A),固定上下盘。用望远镜瞄准建筑物上的位移观测点,在位移观测点处,一个随司镜者的指挥,沿垂直于视准线方向移动觇标,直至觇标中心线与视准线重合为止,读出偏移量,记入记录表内。通知司镜者用倒镜再读一次,正倒镜各测一次为一测回。需要几个测回根据距离而定,但至少应有两个测回。符合精度后,方可施测另一观测点。为了测读便利,也可在一纵排的观测点上用几个活动觇标同时观测完正镜,再用倒镜依次观测,直至两个测回的成果符合精度为止。

图2-4　视准线法观测示意图

视准线法观测精度规定如下:

(1)用视准线法校测工作基点、观测增设的工作基点或混凝土建筑物上的位移观测点时,容许误差应不大于2mm (取二倍中误差)。

(2)用视准线法观测土石坝上的位移观测点时,各测回的允许误差应不大于4mm(取二倍中误差)。

2.小角度法

用小角度法观测水平位移,是在基点A (或B)上架设经纬仪,测定建筑物上位移观测点与视准线AB 的方向角α,然后根据α角及基点到观测点的水平距离s,计算出观测点的偏移量l,见图2-5。正倒镜各测一次为一测回。需要几个测回根据距离而定,但至少应有两个测回。符合精度后,方可施测另一观测点。偏移量按式(2-1)计算。

图2-5　小角度法观测示意图

式中 l——观测点至视准线的偏移量,mm;

s——基点至观测点的水平距离,m;

α——观测点与视准线的夹角,(″);

小角度线法观测精度规定如下:

(1)望远镜照准一个目标,水平度盘对经分划线应重合两次,测微器两次重合计数差不应超过4″。

(2)一个测回中,两个半测回小角值差不应超过3″。

(3)同一测点各测回小角值差不应超过2″。

3.引张线法

在直线型坝中用引张线法测量坝体的水平位移,因其设备简单、测量方便、测量速度快、精度高、成本低,在我国大坝安全监测中得到广泛应用。

早期安装在坝上的引张线仪,由人工来测读标尺上的水平位移,随着自动化技术的发展,国内已有步进电机光电跟踪式引张线仪、电容感应式引张线仪、CCD 式引张线仪及电磁感应式引张线仪。但由于引张线装置受环境影响较大,尤其是在线体较长和温度变幅较大的情况下,在北方(如丰满、太平哨等工程中)己被真空激光准直所代替。再者就是在采用引张线实现水平位移监测时,要定期检查线体及补充浮液,从而使“自动化”受到一定程度的限制。

引张线是一条直径为0.8～1.2mm 的不锈钢丝,两端施加张力,使之成为一条水平向的直线,用以量测坝上各测点偏于该线的水平位移。引张线常设在坝顶或不同高程的纵向廊道内,两端设立基墩。两岸地形限制布置基墩有困难时,可将基墩布置在坝内,但需要其他观测手段对端点基墩的位移进行量测,以求得绝对水平位移。一般常用倒垂法测量基墩的位移。如图2-6所示。

图2-6　引张线示意图

(a)平面图;(b)立面图
1—端点;2—引张线;3—位移测点及浮托装置;4—定滑轮;5—重锤

引张线在重力坝上采用较多,如葛洲坝、丹江口和丰满大坝,通过引张线仪可进行自动遥测。

(1)引张线设计。引张线的设备包括端点装置、测点装置、测线及其保护管。端点装置可采用一端固定、一端加力的办法,也可采用两端加力的办法。加力端装置包括定位卡、滑轮和重锤(或其他加力器),固定端装置仅有定位卡、固定栓。定位卡应保证换线前后位置不变。

测线愈长,引张线所需的拉力愈大。长度为200～600m 的引张线,一般采用40～80kg的重锤张拉。

重锤重量计算如下:

式中 S——引张线长度(两浮托间距),m;

W——引张线钢丝单位重,kg/m;

H——水平拉力(近似于重锤重),kg;

Y——引张线悬链线垂径,mm。

有浮托的引张线的测点装置包括水箱、浮船、读数尺或仪器底盘、测点保护箱。无浮托的张线则无水箱及浮船。

浮船的体积通常为其承载重量与其自重之和的排水量的1.5倍。水箱的长、宽、高为浮船的1.5～2倍。

读数尺长度应大于位移量变幅。一般不小于50mm。

测线钢丝直径的选择宜使其极限拉力为所受拉力的两倍,一般采用直径为0.8mm～1.2mm 的不锈钢丝。

(2)引张线安装。定位卡、读数尺 (或仪器底盘)的安装通常宜在张拉测线之后进行。定位卡的V 形槽槽底应水平,方向与测线应一致。

安装滑轮时,应使滑轮槽的方向及高度与定位卡的V 形槽一致。

同一条引张线的读数尺零方向必须统一,一般将零点安装在下游侧。尺面应保持水平,分划线应平行于测线,尺的位置应根据尺的量程和位移量的变化范围而定。

仪器底盘应水平,位置及方向应依据所采用的仪器而定。

水箱水面应有足够的调节余地,以便调整测线高度满足量测工作的需要。寒冷地区应采用防冻液。

保护管安装时,宜使测线位于保护管中心,至少须保证测线在管内有足够的活动范围。保护管和测点保护箱应封闭防风。

金属材料应作防锈处理。遥测引张线仪宜在引张线体安装后进行安装。

(3)观测。

1)各测点与两端点间距应在首次观测前测定,测距相对中误差不应大于1/1000。

2)人工观测。

a.一测次观测前,应检查、调整全线设备,使浮船和测线处于自由状态,并将测线调整到高于读数尺0.3～3mm 处(依仪器性能而定),固定定位卡。

b.一测次应观测两测回(从一端观测到另一端为一测回)。测回间应在若干部位轻微拨动测线,待其静止后再测下一测回。

c.观测时,先整置仪器,分别照准钢丝两边缘读数,取平均值作为该测回的观测值。左右边缘读数差和钢丝直径之差不得超过0.15mm,两测回观测值之差不得超过0.15mm(当使用两用仪、两线仪或放大镜观测时,不得超过0.3mm)。

3)自动化遥:首次观测前需进行灵敏度系数测定。

4.激光准直法

激光准直法是利用激光的方向性强、亮度高、单色性和相干性好等特点,以及波带板激光衍射原理进行设计的测量被测物体位移的观测系统。激光源和光电探测器分别安装在发射端和接收端的固定工作基点上,波带板安装在观测点上,从激光器发射出的激光束照满波带板后在接收端上形成干涉图像,按照三点准直方法,在接收端上测定图像的中心位置,从而求出测点的位移。

激光准直系统分为大气激光准直系统、真空激光准直系统和微压激光准直系统。由于外界温度、湿度等环境条件造成大气对激光束扰动的影响,大气激光准直系统精度不高、不易保护,目前已基本不使用。使用较多的是真空激光准直系统和微压激光准直系统。

真空激光准直系统,是将三点法激光准直和一套适于大坝变形观测特点的动态软连接真空管道结合起来的系统,又称波带板激光准直系统。它由发射端设备(用一个激光源)、接受端设备、测点设备、真空管道和真空泵等组成。由于各测点设备均布设在真空管道内,因此不受外界温度、湿度等环境条件的影响,观测精度大为提高,还可同时测得大坝的水平位移和垂直位移。真空管道波带板激光准直可进行三维测量,能在恶劣环境下工作,它满足了大坝变形监测及时、迅速、准确的要求。但该设备也有局限性,即激光设备要求用于直线型、可通视环境,一般安装在直线坝的坝面或水平廊道,对于拱坝、曲线坝则无能为力,所以有待于实现激光转角来拓展其应用范围。

真空激光系统是将波带板激光准直和一套适应大坝变形特点的软连接与真空管道结合起来,使激光束在真空中传输,利用激光束作为基准线,通过量测激光束经测点波带板在接收屏上所成的像的位置变化而得到两个方向的变形。

波带板是一种光栅,也称为聂菲耳透镜,当它被激光点光源发出的一束可见的单色相干光照射时,相当于一块聚焦透镜,在光源和波带板中心延长线上的一定距离处,形成一个中心特别明亮的衍射图像——圆形光点。

在实际应用中,可以在大坝两端稳定处固定点光源A、激光像点探测仪C,在要观测位移的各坝段测点上,设置相应的波带板B。激光准直原理如图2-7所示。

图2-7　激光准直原理图

当测点(波带板中心)位移了一段距离,在探测仪处的像点也位移了一段距离,用下列公式即可计算出测点的位移。

用式(2-3)计算的位移,是测点相对于两端点的位移,加上端点的位移,即为测点的实际位移值。

真空激光准直系统包括激光发射器、接收器、真空管道、测点箱、波带板、软连接管、端点设备、真空泵等,主要设备连接示意图见图2-8。

图2-8　激光准直系统设备连接示意图

真空管一般为无缝钢管,其内径大于波带板最大通光孔径的1.5倍,或大于测点最大位移量引起像点位移量的1.5倍,两者取大者。管道内的气压一般控制在66Pa以下。

(1)真空激光准直系统设计。

1)真空激光准直系统分为激光准直系统和真空管道系统两部分。

2)激光准直系统设计。

a.激光准直(波带板激光准直)由激光点光源 (发射点)、波带板及其支架 (测点)和激光探测仪(接收端点)组成。

b.激光点光源包括定位扩束小孔光栏、激光器和激光电源。小孔光栏的直径应使激光束在第一块波带板处的光斑直径大于波带板有效直径的1.5～2倍。激光器应采用发散角小(1×10-3～3×10-3rad)、功率适宜(一般用1～3MW)的氦氖气体激光器。激光电源应和激光器相匹配。外接电源应尽量通过自动稳压器。

c.测点宜设观测墩,将波带板支架固定在观测墩上。宜采用微电机带动波带板起落,由接收端操作控制。波带板宜采用圆形。当采用目测激光探测仪时,也可采用方形或条形波带板。

d.激光探测仪有手动 (目测)和自动探测两种,有条件时,应尽量采用自动探测,激光探测仪的量程和精度必须满足位移观测的要求。

3)真空管道系统的设计。

a.真空管道系统包括:真空管道、测点箱、软连接段、两端平晶密封段、真空泵及其配件。

b.真空管道宜选用无缝钢管,其内径应大于波带板最大通光孔径的1.5倍,或大于测点最大位移量引起像点位移量的1.5倍,但不宜小于150mm。

c.管道内的气压一般控制在20k Pa以下,并应按此要求选择真空泵和确定允许漏气速率,漏气速率不宜大于120Pa/h。

d.测点箱必须和坝体牢固结合,使之代表坝体位移。测点箱两侧应开孔,以便通过激光。同时应焊接带法兰的短管,与两侧的软连接段连接。测点箱顶部应有能开启的活门,以便安装或维护波带板及其配件。

e.每一测点箱和两侧管道间必须设软连接段。软连接段一般采用金属波纹管,其内径应和管道内径一致,波数依据每个波的允许位移量和每段管道的长度、气温变化幅度等因素确定。

f.两端平晶密封段必须具有足够的刚度,其长度应略大于高度,并应和端点观测墩牢固结合,保证在长期受力的情况下,其变形对测值的影响可忽略不计。

g.真空泵应配有电磁阀门和真空仪表等附件。

h.测点箱与支墩、管道与支墩的连接,应有可调装置,以便安装时将各部件调整到设计位置。

i.管道系统所有的接头部位,均应设计密封法兰。法兰上应有橡胶密封槽,用真空橡胶密封。在有负温的地区,宜选用中硬度真空橡胶并略加大橡胶圈的断面直径。

(2)真空激光准直设备的安装。

1)用水准仪按等视距测量、放样真空管道轴线的高程时,应加地球弯曲差改正。改正值用下式计算:

式中 δh——放样点高程改正值,m;

L——放样点到起点的距离,m;

R——地球曲率半径,取6.37×106m。

2)真空管道的内壁必须进行清洁处理,除去锈皮、杂物和灰尘。此项工作在安装前、后,以及正式投入运行前应反复进行数次。

3)测点箱和法兰短管的焊接,应采用内外两面焊;长管道的焊接,应在两端打出高5mm 的30°坡口,采用两层焊。每一测点箱和每段管道焊接完成后,必须单独检漏。检漏可采用充气、涂肥皂水观察法。检漏工作应反复多次,发现漏孔,应及时补焊。

4)长管道由几根钢管焊接而成。每根钢管焊接前或一段管道焊好后,均应作平直度检查,不平直度不得大于10mm。

5)每段管道的中部应该用管卡将管道固定在支墩上,其余支墩上设活动滚杠,以便管道向两端均匀变化。

6)激光点光源、探测器和波带板的安装要求:

a.点光源的小孔光栏和激光探测仪必须和端点观测墩牢固结合,保证两者相对位置长期稳定不变。

b.波带板应垂直于准直线。波带板中心应调整到准直线上,其偏离值不得大于10mm;距点光源最近的几个测点应从严要求,偏离值不得大于3～5mm。

(3)真空激光准直的观测。

1)观测前应先启动真空泵抽气,使管道内压强降到规定的真空度以下,具体要求在设计书中规定。

2)用激光探测仪观测时,每测次应往返观测一测回,两个 “半测回”测得偏离值之差不得大于0.3mm。

5.边角网法

边角网法是在坝址上、下游区及大坝上布置一位移观测控制网,如图2-9所示,通过测量控制网中基点与观测点之间的边长及夹角,确定观测点的坐标,从而计算出观测点的位移。众所周知,传统的测角网有利于控制点位的横向误差,而测边网则有利于控制点位的纵向误差。为了充分发挥测角网和测边网各自的特点,就产生了同时测角和测边的控制网,即边角网。边角网比视准线法复杂,多用于解决某些特殊问题,或与视准线配合使用。

图2-9　边角网法示意图

边角网与交会点,在坝址下游区根据地形特点布置一控制网,A、B、C、D 四边形,其中C 和D 为校核基点,A 和B 为工作基点。

由校核基点C 和D,采用测边和测角方法,校核工作基点A、B 的位移变化情况,然后通过A、B 观测坝上各点的方向 (角),计算位移。

(1)边角网的设计。

1)视线坡度不宜过大,并应超越或旁离建筑物2m 以上。

2)测距边应避开强电磁场的干扰,视线与大于110k V 的高压输电线平行时,应旁离30m 以上;与高压线交叉时,不得在几条高压线之间穿过。

3)观测墩应设置可靠的保护盖,基准点宜设计观测室。室内观测墩可采用普通钢筋混凝土墩,经常暴露在野外的观测墩宜采用双层观测墩。

4)边角网的设计,应进行现场踏勘。在踏勘中核定点位条件,通视状况和观测环境是否满足规范的要求。

5)精度估算及可靠性评价可采用下列公式:精度估算的公式:

可靠性因子的计算公式:

式中 mi——第i个位移量的中误差;

σ——单位权中误差;

γj——第j个观测量的可靠性因子;

Q——边角网的协因数矩阵[Q= (A TPA)-1];

A——观测方程的系数矩阵,又称设计矩阵;

A T——A 的转置矩阵;

P——观测的权矩阵;

(Q)ii——矩阵Q 的第i个对角元素;

(AQA TP)jj——矩阵(AQA TP)的第j个对角元素。

(2)安装。观测墩顶部的强制对中底盘应调整水平,倾斜度不得大于4″。

(3)水平角观测。

1)水平角一般采用方向法观测12测回,也可用全组合测角法观测,其方向权数m·n=24(25)。应使用具有调平装置的觇标作为照准目标。

2)全部测回应在两个异午的时间段内各完成约一半,在全阴天,可适当变通。

3)方向法观测的要求见本节之(4)。

4)全组合测角法按照GB/T 17942有关规定执行。

(4)方向观测。

1)水平方向观测度盘及测微器位置见表2-2。

表2-2　水平方向观测度盘及测微器位置

2)水平方向观测一测回的操作程序:

a.照准起始方向按表2-2对好度盘及测微器位置。

b.顺时针方向旋转照准部1～2周后,精确照准起始方向觇标,读出水平度盘及测微器数值(重合对径分划二次)。

c.顺时针方向旋转照准部,精确照准第2个方向的觇标,按 (b)的要求读数;顺时针方向旋转照准部依次进行其他各方向的观测,最后闭合到起始方向 (方向数小于4者,不闭合到起始方向)。

d.纵转望远镜,逆时针方向旋转照准部1～2周后,精确照准零方向,按 (b)的要求读数。

e.逆时针方向旋转照准部,按与上半测回相反的顺序依次观测各方向,直至起始方向。

3)水平方向观测的限差见表2-3。

表2-3　水平方向观测的限差

注 1.观测方向之垂直角超过±3°时,该方向2c互差可在同一时间段内各测回间进行比较,但应于手簿内注明。
2.δ—求距角正弦对数1″表差,以对数第六位为单位;m1gS1、m1gS2—起始边长的对数中误差。

4)分组观测的规定:当方向总数多于9个时,应分两组进行观测。两组方向数应大致相等,并须包括两个共同方向(其中一个为共同起始方向)。两组观测结果分别取中数后,共同方向之间的角值互差应不超过1.4″。分组观测的结果,应按等权分组观测进行测站平差。

5)水平方向观测注意事项:

a.观测时宜用灯光照明进行度盘及测微器读数。

b.观测前,应先精细调平水准气泡。在观测过程中,气泡中心位置偏离整置中心不得超过一格。气泡位置接近限值时,应在测回之间重新整平仪器。

c.在使用微动螺旋照准目标或用测微器对准分划时,其最后旋转方向应为“旋进”。d.方向的垂直角超过±2°时,需读记水准器,进行垂直轴倾斜改正。

6)垂直轴倾斜改正数的测量和计算见GB/T17942。

7)方向观测成果的重测和取舍:

a.凡超出规范规定限差的结果,均应重测。基本测回的 “重测方向测回数”超过“方向测回总数”的1/3时,应将整份成果重测。

注:“重测”:因超限而重测者,称为 “重测”。因度、分及气泡长度读、记错误,以及对错度盘、测错方向而重新观测者,不以 “重测”论。

式中 n——方向数。

“重测方向测回数”:在基本测回观测结果中,重测1个方向,算作1个“方向测回”;一测回中有2个方向重测,算作2个“方向测回”,以此类推。因零方向超限而将该测回重测,应算作(n-1)个“方向测回”。

b.在一测回中,需要重测的方向数超过所测方向总数的1/3时,则此一测回应全部重测。观测三个方向,有一个方向需要重测时,该测回亦应全部重测。但计算重测方向测回数时,仍按超限方向数计算。

c.采用分组观测时,各组的重测方向测回数需独立计算。

d.测回互差超限时,除明显孤立值可重测该测回外,原则上应重测最大和最小值所在的测回。

e.个别方向重测时,只需联测零方向。

f.基本测回的观测结果和重测结果,均需抄入记录簿。重测与基本测回结果不取中数,每一测回(即每一度盘位置)只采用一个符合限差的结果。

g.因三角形闭合差、极条件闭合差或边条件闭合差超限而重测时,应将整份成果重测。(www.daowen.com)

6.导线法

拱坝水平位移观测,除了采用视准线、激光准直法或交会点观测坝顶变形,坝内廊道或基础廊道内可布设导线测定拱坝的径向和切向位移。导线的布设如图2-10所示。

坝体廊道内,每坝段设一点,导线观测墩采用槽钢插入坝体墙内。为减少方位角的传递误差,提高测角效率,采用隔点设站,分为测点站和中间站。测点站上有强制对中底盘、微型觇标和轴杆头。在导线两端径向方向设倒垂点,用于测定两端的绝对位移。

图2-10　导线布设示意图

—导线测点;—导线中间点Si—投影边;bi—实测边;αi—实测投影角;βi—实测转折角

用精密经纬仪定期测定各点转折角β1,β2,…,和投影角α1,α2,…,用标准铟钢尺或带尺测定各导线间的长度b1,b2,…,分别测定导线两端点A、B 至倒垂线的径向和切向值,推算各导线点的径向和切向位移。

(1)导线设计。

1)测角量边导线的系长不宜大于320m,边数不宜多于20条,应采用隔点设站法测量导线转折角。其目的在于将相邻两条边合成一条边,即视为折线量距法处理。

2)弦矢导线的系长不宜大于400m,边数不宜多于25条,如矢距量测精度不能保证转折角的中误差小于1.0″时,导线系长应适当缩短,边数应适当减少。如矢距量测精度较高,系长也可适当放长。

(2)导线安装。

1)相邻两导线边的长度不宜相差过大。

2)弦矢导线在安装仪器底盘时,应保证矢距必须在矢距测距仪的量程范围内,并应顾及位移量的变化范围。

(3)导线观测。

1)对于测角量边导线,转折角用“双照准法”观测,左角及右角各测两个测回,测回差不应大于1.5″。左角与右角之和与360°之差不应大于1.5″。

2)对于弦矢导线,矢距丈量应有特殊的技术措施。其量测中误差不应大于设计规定值。

3)边长用专用因瓦尺丈量,其中误差不得大于0.15mm。

7.垂线法

垂线法是在坝内井、管、空腔或坝体、坝基钻孔中设置一条基准线,基准线是一条一端固定铅直张紧的不锈钢丝,通过测量沿线不同高程测点对于垂线固定点的水平投影距离,求出各测点的水平位移。如图2-11所示。

垂线法分为正垂线和倒垂线。正垂线:垂线的顶端固定在坝顶附近,其下端用重锤张紧钢丝。倒垂线:垂线的底端固定在基岩深处,其上端用浮体装置将钢丝张紧。

图2-11　垂线法示意图

(a)正垂线;(b)倒垂线

通常将垂线布置在坝高最大、地基软弱、典型坝段及位移基点等处,并注意与其他监测项目的配合。垂线的数量应根据工程规模、坝体结构及观测要求决定,一般大型水库大坝不少于3 条,中型不少于2 条。根据大坝不同情况,正垂线和倒垂线可单独使用,也可联合使用。同一坝段设置一条垂线即可,对于构造特殊的大坝,可将坝体从上向下分成2～3段,相应的设多根垂线串联起来。每一条垂线可根据坝高在不同高程布置若干测点,一般沿坝高不少于3个测点。

观测一般采用专用的垂线观测仪器:机械式、光学式、遥测垂线仪。采用机械、光学垂线仪,需要观测人员到各测点逐点操作,对于巡回连续观测很不方便。遥测垂线坐标仪可实现自动化。垂线法设备简单,观测方便,精度高,易实现自动化,因此应用广泛。

(1)正垂线的设计。

1)正垂线主要包括支点装置、固定夹线装置、活动夹线装置、垂线、观测平台、重锤、油桶等。

2)悬挂点应尽量设在坝顶附近。必须保证换线前后位置不变,并应考虑换线及调整方便。

3)重锤应设止动叶片。重锤重量一般按下式确定:

式中 W——重锤重量,kg;

L——测线长度,m。

4)测线宜采用强度较高的不锈钢丝或不锈因瓦丝,其直径应保证极限拉力大于重锤重量的2倍。宜适用φ1.0～1.2mm 的钢丝,一般垂线直径不宜大于φ1.6mm。

5)阻尼箱内应装防锈、黏性小的抗冻液体,其内径和高度应比重锤直径和高度大15～30cm。

6)观测站宜采用钢筋混凝土观测墩,观测墩上应设置强制对中底盘,底盘对中误差不应大于0.1mm,观测站上宜设防风保护箱或安全保护观测室,并装门加锁。

7)在竖井、宽缝和直径较大的垂线井中,测线应设防风管。防风管内径视变形幅度而定,但不宜小于100mm。安装后,最小有效管径应不小于85mm。

(2)倒垂线的设计。

1)倒垂线主要包括浮体组、垂线、观测平台、锚固点等。

2)倒垂孔内宜埋设保护管,必要时孔外还应装设测线防风管。

3)钻孔保护管宜用壁厚5～7mm 的无缝钢管,内径不宜小于100mm。测线防风管内径也不宜小于100mm。

4)浮体组宜采用恒定浮力式。浮子的浮力一般按下式确定:

式中 P——浮子浮力,N;

L——测线长度,m。

5)测线宜采用强度较高的不锈钢丝或不锈因瓦丝,其直径的选择应保证极限拉力大于浮子浮力的3倍。宜适用φ1.0～1.2mm 的钢丝,一般垂线直径不宜大于φ1.6mm。

6)观测站的要求和正垂线观测站相同。设置浮体组的观测站,建造观测室。

7)当正、倒垂线结合布置,两者间距较长,不在同一观测墩上衔接时,应在两个观测墩上设置标志,用因瓦尺量取两观测墩间距离的变化。

(3)倒垂造孔。

1)钻孔。

a.倒垂钻孔时,应选择性能好的钻机,钻机滑轨 (或转盘)应水平,立轴应竖直。钻杆和钻具必须严格保持平直。

b.一般宜在钻孔处用混凝土浇筑钻机底盘,预埋紧固螺栓。严格调平钻机滑轨 (或转盘),其倾斜应小于10%,然后将钻机紧固在混凝土底座上。

c.孔口处宜埋设长度大于3m 的导向管。导向管必须调整垂直 (倾斜度小于0.1%),并用混凝土加以固结。

d.钻具应尽量加长,深度大于25m 的钻孔,钻具长应大于8～10m,钻具上部宜装设导向环。导向环外径可略小于导向管内径2～4mm。

e.钻进时,宜采用低转速、小压力、小水量。一次投砂量不宜过大。

f.必须经常检测钻孔偏斜值,一般每钻进1～2m 即应检测一次。此项检测,一般采用倒垂浮体组配合弹性置中器进行。

g.发现孔斜超限,应及时采取相应措施加以纠正。

2)保护管埋设。

a.全面冲洗钻孔,除净孔内残留岩粉。

b.自下而上准确测定钻孔偏斜值、确定钻孔保护管埋设位置。

c.钻孔保护管应保持平直,底部宜加以焊封。底部0.5m 的内壁应加工为粗糙面,以便用水泥浆固结锚块。各段钢管接头处,应精细加工,保证联结后整个保护管的平直度,并防止漏水。

d.下保护管前,可在钻孔底部先放入少量水泥浆 (高于孔底约0.5m)。保护管下到孔底后,宜略提起(不得提出水泥浆面)并用钻机或千斤顶进行固定。然后准确测定保护管的偏斜值,如偏斜过大,应加以调整,直到满足设计要求,方可用水泥浆固结。待水泥浆凝固后,才允许拆除固定保护管的钻机或千斤顶。

e.再次测定保护管的偏斜值,以便确定倒垂锚块的埋设位置。

(4)垂线安装。

1)正垂线安装,支点、固定夹线和活动夹线装置,一般都在竖井墙壁上留孔或预埋型钢。

2)倒垂线安装。

a.采用固定锚块时,应以水泥浆或水泥砂浆将锚块浇固在钻孔保护管底。

b.浮体组安装,应使浮子水平、连杆垂直,浮子应位于浮桶中心,处于自由状态。若采用恒力浮子,应使整个浮子没入液体中,但不可触及浮桶底部;若采用其他类型浮子,则应调整到设计浮力。

3)正、倒垂线观测墩制作时应使墩边线平行位移坐标轴线。

4)防风管的中心应尽量和测线一致,以保证测线在管中有足够的位移范围。

5)宜先安装测线(或临时测线),再安装坐标仪底盘。底盘的具体位置应根据仪器的量程和位移量的大小而定,但应使仪器导轨平行于观测方向,坐标仪底盘应调整水平。

(5)垂线观测。

1)垂线观测可用光学垂线坐标仪、遥测垂线坐标仪。

2)垂线观测前,必须检查该垂线是否处在自由状态;倒垂线还应检查调整浮体组的浮力,使之满足要求。

3)一条垂线上各测点的观测,应从上而下,或从下而上,依次在尽量短的时间内完成。

4)用光学机械式仪器观测前后,必须检测仪器零位,并计算它与首次零位之差,取前后两次零位差之平均值作为本次观测值的改正数。

5)每一测点的观测:将仪器置于底盘上,调平仪器,照准测线中心两次 (或左右边沿各一次),读记观测值,构成一个测回。取两次读数的均值作该测回之观测值。两次照准读数差(或左右沿读数差与钢丝直径之差)不得超过0.15mm。每测次应观测两测回(测回间应重新整置仪器),两测回观测值之差不得大于0.15mm。

6)若用遥测垂线坐标仪观测,观测前需进行灵敏度系统测定。

(二)竖向位移观测

竖向位移是大坝变形监测中的主要项目之一。大坝在外界因素作用下,沿铅直方向产生位移,坝体沿某一铅直线或水平面还会产生转动变形。为掌握大坝及基础变形情况,一般大中型水库的大坝,竖向位移是必测项目。

竖向位移监测方法有:精密水准法、静力水准法和三角高程法。在基础竖向位移观测中,多采用多点基岩变位计测量基础内部沿铅直向的位移。

1.精密水准法

在采用精密水准法观测大坝竖向位移时,由于观测精度要求较高,往往采用精密水准仪。竖向位移观测一般分为两大步骤:一是由水准基点校测各起测基点是否变动;二是利用起测基点测定各垂直位移标点的位移值。

(1)起测基点的校测。施测前,首先应校核水准基点是否有变动,然后将水准基点与起测基点组成的水准环线(或水准网)进行联测。观测精度一般要求每千米水准测量高差中数的中误差不大于0.5mm,环闭合差不大于n mm (n 为环线长度),故应采用S05精密水准仪或铟钢尺按国家一等水准测量的要求进行观测。

(2)竖向位移标点的观测。竖向位移标点的观测是从起测基点开始,测定相应的竖向位移标点后,复核至另一起测基点,构成复核水准路线。对于混凝土坝,采用紧密水准仪和铟钢尺按二类水准测量的要求进行观测。精度要求其位移值观测中误差一般要求不大于1mm,闭合差不得大于对于土石坝可采用国家三等水准测量方法进行,其闭合差不得大于

(3)高程传递。有的混凝土坝,从坝外至坝内的廊道,坡度陡峭,不便架设仪器,或视距较短,望远镜无法看清水准尺,所以观测时欲将高程传至廊道发生困难。在这种情况下,如大坝具有安设正、倒垂线的竖井或竖向廊道,则可利用竖井或竖向廊道进行高程传递。

如图2-12所示,A 为坝上的已知高程点,设其高程为HA,为测定廊道内B 点的高程,沿竖井悬挂铟钢尺,带尺下端挂以重锤,重锤放在盛有锭子油或变压器油的油桶内,使尺子稳定。观测时在坝上及廊道内各安置一架水准仪,并分别在A 及B 点竖立水准尺,按二等水准测量要求分别读取水准尺及铟钢尺上的读书a1,b1,a2,b2。也可采用竖直传高测微仪获得上述数据,则B 点的高程为:

图2-12　高程传递示意图

其中铟钢尺上的读数b1和a2应进行温度修正。

2.静力水准法

静力水准也称为连通管法。利用连通管液压相等的原理,将起测点(A 点)和各竖向位移标点(B、C、D 点)用连通管连接,灌水后即可获得一条水平的水面线,量出水面线与起测基点的高差(HA),计算出水面线的高程,然后依次量出各竖向位移标点与水面线的高差(HB、HC、HD),即可求得各标点的高程。该次观测时测点高程与初测高程的差值即为该测点的累计竖向位移。

连通管有活动式和固定式两种。以前多用人工观测,目前逐步采用自动水准仪。根据连通管内液面保持水平的原理,用传感器量测液面高度的变化,从而自动测出两个或多个测点之间的沉陷和倾斜变化,仪器输出为电压信号,可直接进行遥测、数字显示,可与数据采集器连接,自动打印和储存,也可与计算机联网。静力水准法竖向位移测量系统如图2-13所示。

图2-13　静力水准法竖向位移测量系统示意图

(1)静力水准仪的组成。静力水准仪是根据连通管内液面保持自然水平的原理,用传感器测量和测点液面高度变化,测出二点或多点之间的高差。

静力水准仪主要由钵体、水管、浮子、三通等组成。基准点可为水准点或双金属标。

(2)安装。

1)仪器墩应与被测基础紧密结合,各仪器墩面高程差应小于10mm。

2)将钵体、水管、浮子清洗干净。

3)在钵体内注入蒸馏水,并仔细排除水管、三通、钵体内气泡。

4)连接管路。

(3)观测。

1)可分目测和自动遥测,分别用数字显示器或数据采集器观测。

2)各测点观测依次在尽量短的时间内完成。

3.三角高程法

三角高程测量是一种间接测高法,它不受地形起伏的限制,且施测速度较快。但传统的三角高程测量法精度较低,且每次测量都得量取仪器高,棱镜高。

随着全站仪的广泛使用,使用跟踪杆配合全站仪测量高程的方法越来越普及,使用传统的三角高程测量方法已经显示出了他的局限性。一种新的三角高程测量方法既结合了水准测量的任一置站的特点,又减少了三角高程的误差来源,同时每次测量时还不必量取仪器高、棱镜高。使三角高程测量精度进一步提高,施测速度更快。下面就介绍三角高程测量方法的原理。

(1)三角高程测量的传统方法。如图2-14所示,设A、B 为地面上高度不同的两点。已知A 点高程HA,只要知道A 点对B 点的高差HAB,即可由式HB=HA+HAB,得到B 点的高程HB。

图2-14　三角高程法测量原理图

图中:L 为A、B 两点间的水平距离;

α为在A 点观测B 点时的垂直角;

H1为测站点的仪器高,H2为棱镜高;

HA为A 点高程,HB为B 点高程。

首先我们假设A、B 两点相距不太远,可以将水准面看成水平面,也不考虑大气折光的影响。为了确定高差HAB,可在A 点架设观测仪器,在B 点竖立跟踪杆,观测垂直角α,并直接量取仪器高H1和棱镜高H2,则HAB=H1+L tanα-H2。故

这就是三角高程测量的基本公式,但它是以水平面为基准面和视线成直线为前提的。因此,只有当A、B 两点间的距离很短时,才比较准确。当A、B 两点距离较远时,就必须考虑地球弯曲和大气折光的影响了。从传统的三角高程测量方法中我们可以看出,它具备以下两个特点:

1)观测仪器必须架设在已知高程点上。

2)要测出待测点的高程,必须量取仪器高和棱镜高。

(2)三角高程测量的新方法。

如果能将观测仪器像水准仪一样任意置点,而不是将它置在已知高程点上,同时又在不量取仪器高和棱镜高的情况下,利用三角高程测量原理测出待测点的高程,那么施测的速度将更快。如图2-14所示,假设B 点的高程已知,A 点的高程为未知,这里要测定其他待测点的高程。首先由式(2-11)知:

上式除了L tanα 值可以用仪器直接测出外,H1、H2都是未知的。但有一点可以确定,即仪器一旦置好,H1值也将随之不变,同时选取跟踪杆作为反射棱镜,假定H2值也固定不变。从式(2-12)知:

由式(2-13)可知,基于上面的假设,HA+H2-H1在任一测站上也是固定不变的,而且可以计算出它的值HW。

这一新方法的操作过程如下:

1)仪器任一置点,但所选点位要求能和已知高程点通视。

2)用仪器照准已知高程点,测出L tanα的值,并算出HW的值。(此时与仪器高程测定有关的常数如测站点高程,仪器高,棱镜高均为任一值。施测前不必设定。)

3)将仪器测站点高程重新设定为HW,仪器高和棱镜高设为零即可。

4)照准待测点测出其高程。

结合式(2-11)和式(2-13):

式中 H′B——待测点的高程,m;

HW——测站中设定的测站点高程,m;

L′——测站点到待测点的水平距离,m;

α′——测站点到待测点的观测垂直角,(°)。

从式(2-14)可知,不同待测点的高程随着测站点到观测点的水平距离或观测垂直角的变化而改变。

将式(2-13)代入式(2-14)得:

按三角高程测量原理可知:

将式(2-13)代入式(2-16)可得:

这里H′1,H′2为零,所以:

由式(2-15)和式(2-18)可知。两种方法测出的待测点高程在理论上是一致的,也就是说采取这种方法进行三角高程测量是正确的。将观测仪器任一置点,同时不量取仪器高,棱镜高。仍然可以测出待测点的高程。测出的结果从理论上分析比传统的三角高程测量精度更高,因为它减少了误差来源。整个过程不必用钢尺量取仪器高,棱镜高,因此也就减少了这方面造成的误差。同时需要指出的是,在实际测量中,棱镜高还可以根据实际情况改变,只要记录下相对于初值H2增大或减小的数值,就可在测量的基础上计算出待测点的实际高程。

(三)三维位移监测法

1.地球卫星定位(GPS)监测

随着科学技术的发展,卫星通信和全球卫星定位系统GPS (Global Positioning System)已广泛应用于社会的各个行业。全球定位系统已经迅速地从深奥的军事技术转化为贴近我们每一个人生活的民用技术,如汽车上的导航工具。随着GPS定位精度的提高,GPS技术在大坝安全监测中的应用也越来越受到大坝管理单位的关注。常规的大坝表面变形观测方法,是水平位移和垂直位移采用不同仪器设备分别进行。这些方法都受外界气候条件影响,手工或半手工操作,工作量大,作业周期长。与常规方法相比,GPS自动化系统有以下优点:

(1)不受气候等外界条件影响,可全天候监测。常规方法所用的仪器设备是基于几何光学原理工作,故不能在黑夜、雨、雾、雪、大风等气象条件下正常观测。而GPS自动化监测系统则不受外界气候条件的影响,尤其在大坝安全的关键时刻,即在风、雨交加的汛期,都能及时提供大坝变形量,这是常规方法无法实现的。

(2)所有变形监测点的观测时间同步,能客观反映某一时刻大坝各监测点的变形状况。用常规监测方法,在进行大坝外观变形监测时,总是一个点、一个点地观测,即各监测点观测的时间不在同一时刻,监测结果反应不出大坝同一时刻的变形状况。而GPS监测系统,就可避免以上的缺陷,可测出同一时刻大坝上各监测点的变形量,即所有监测点观测时间是同步的,能客观地反映出大坝在某一时刻各坝段的变形情况。

(3)监测点的三维位移能同步测出。用常规监测方法进行大坝外观变形监测时,水平位移和垂直位移是采用不同方法和不同仪器,在不同时间内完成的。而GPS监测系统可同步测出监测点的水平位移和垂直位移。

(4)可实现全自动监测。常规大坝外观变形监测方法,大多使用的是经纬仪和水准仪,都是手工操作,不仅观测周期长,且无法实现自动化。而GPS监测系统则从数据采集、传输、计算、显示、打印全自动。

GPS表面变形监测系统一般由数据采集、传输和处理系统三部分组成。数据采集系统包括GPS基站和测站,一般情况下GPS基点应至少2个。典型的GPS表面变形监测系统如图2-15所示。

目前所采用的GPS表面变形监测系统均为静态方式,即通过观测基点与测点之间的相对坐标来确定测点的位移。GPS基准点位于大坝两坝肩的坚固岩石上,每个基站和测站配置一套GPS接收机和通信机,监测中心与基站、测站之间的通信可采用无线超短波、光纤等方式。

2.全站仪监测

图2-15　GPS表面位移测量系统示意图

—GPS基站;—GPS测站

全站仪可进行大坝表面变形的三维位移监测,它能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据,并能进行自动目标识别,操作人员不再需要精确瞄准和调焦,一旦粗略瞄准棱镜后,全站仪就可搜寻到目标,并自动瞄准,大大提高工作效率。

全站仪配以专用软件,就可使整个测量过程在计算机的控制下实现全自动。在大坝表面变形监测中,目前使用极坐标法进行测量。整个系统配置包括:全站仪,棱镜,通信电缆及供电电缆,计算机与专用软件。

影响三维极坐标测量精度的主要因素有仪器的测量精度,观测点的斜距及垂直角。后两者涉及到大气的气象改正、水平折光、垂直折光等许多复杂的因素,故很难精确求出,从而降低了点位的测量精度。然而根据变形监测的特点,需要测量的只是相对变化量,若采用建立基准站进行差分的方法,极坐标法测量点位的位移精度可达到亚毫米精度甚至更高。

(1)自动极坐标实时差分。自动极坐标实时差分主要采用是差分技术,它实际上是在一个测站上对两个观测目标进行观测,将观测值求差;或在两个测站上对同一目标进行观测,将观测值求差;或在一个测站上对一个目标进行两次观测求差,求差的目的在于消除已知的或未知的公共误差,以提高测量结果的精度,在大坝变形监测过程中,受到了许多误差因素的干扰,如大气垂直折光、水平折光、气温、气压变化,仪器的内部误差等等,直接求出这些误差的大小是极其困难的,故可采用差分的方法以减弱或消除这些误差来提高测量的精度。

(2)全站仪变形监测系统。全站仪变形监测系统由全站仪、仪器墩、通信及供电设备,控制计算机,监测点及专门软件组成。

在该系统中,控制机房内部的控制计算机通过电缆与监测站上的自动化全站仪相连,全站仪在计算机的控制下,对基岩上的基准点及被监测物上的观测点自动进行测量,观测数据通过通信电缆实时输入计算机,用软件进行实时处理,结果按用户的要求以报表的形式输出,故监测人员在控制机房就能实时地了解全站仪的运行情况。

该系统的测量过程为:每个测量周期均按照极坐标的原理分别采集基准点和观测点的斜距、水平角、天顶距,将基准点的测量值与其真实值(通过建立基准网得到)相比,有差值,该差值可认为是受到各种因素影响的结果,但由于全站仪的自动化测量,测完一周期只需要10min,则可认为上述诸因素对基准点和观测点的影响是相同的,同时计算得到变形点的实际坐标,根据两周期的实际坐标差,就可求出变形点的三维位移量。

组成基准网的点一般设置在变形体外,用于测量变形体上目标点的“绝对”变形。测量基准网的目的是要验证基准网点本身的稳定性,因为基准网点是外部变形监测系统进行工作的基础,其精度和可靠性直接影响变形监测的实时性及有效性。

基准控制网测量包括水平控制测量与高程控制测量,且水平控制点与高程控制点是一致的。

地球卫星定位(GPS)变形监测和全站仪变形自动监测系统均可实现自动化观测,配以自动处理和分析软件,可对观测成果进行自动整编和分析,但其设备造价较高。