(一)竖向位移监测方法

1.水管式沉降仪

水管式沉降仪适用于长期观测土石坝、土堤、边坡等土体内部的沉降,是了解被测物体稳定性的有效监测设备。水管式沉降仪是利用液体在连通管内的两端处于同一水平面的原理而制成,在观测房内所测得的液面高程即为沉降测头内溢流口液面的高程,液面用目测的方式在玻璃管刻度上直接读出。被测点的沉降量等于实时测量高程读数相对于基准高程读数的变化量,再加上观测房内固定标点的沉降量即为被测点的最终沉降量。观测房内固定标点的沉降量由视准线测出。

图2-17　水管式沉降仪结构图

(1)水管式沉降仪结构与测量方法。水管式沉降仪由沉降测头、管路、测量柜等组成,如图2-17所示。

测量时,关闭排水阀,打开进水阀,依次打开各溢流管的阀门,向其充水排气;排尽气泡后,打开各玻璃测管的阀门,使其水位略高于测头的高程,关闭进水阀;待玻璃测管内的水位稳定后,读出玻璃测管上的水位刻度值,即为测量高程值。应定期用视准线测量测量柜所在标点的高程,用式 (2-19)计算被测结构物的沉降量。

沉降仪的一般计算公式为:

式中 S——被测结构物的沉降量,mm;

H0——沉降测头内溢流管口埋设时高程值,m;

H——观测时所测得沉降测头内溢流管口高程值,m;

S0——观测标点的沉降量,mm。

(2)埋设与安装。水管式沉降仪的埋设方法为沟槽埋设方法(坝体内)。

1)沟槽基床的定位与平整。

a.在坝面填筑到测点设计高程以上约40cm 时,开挖至埋设高程以下20cm,开始平整基床做埋设准备。

b.按设计要求选择好埋设管线位置后,应精心平整基床,在细粒料坝体中,整平压实达埋设高程;在粗粒料坝体中,应以反滤层做基础填平,人工压实到埋设高程,压实度应与周围的坝体相同。整平后的基床不平整度应不大于±5mm,并应向观测房方向坡降1%～3%。

2)沉降仪的安装。

a.定位:按设计要求将测头位置准确定位,并浇铸厚约10cm、直径约50cm (或50×50cm 方形)的混凝土基床,基床不平度不大于2mm。

b.排列管路:将各管路一起套入保护管内,沿已平整后的基床蛇形平放,一直到观测房内。

c.沉降测头的安装:将沉降测头平置于已凝固的混凝土基床上,可靠连接各管路、阀门等。加压(约0.25MPa),检查各管路、阀门有无泄漏。

d.测量柜安装:将测量柜固定在已浇注好并已凝固的混凝土台上,用膨胀螺钉固定。把带刻度的玻璃管小心安装在测量柜上,各管路与相应的管、阀连接,并检查是否正常,即可进行初步的测试。

e.浇筑与回填:首先对各个安装环节进行全面检查,再进行一次初步的测试,确认合格后可进行浇筑和回填。其步骤是:首先用不小于10cm 厚的钢筋混凝土可靠包裹沉降测头。再进行管线四周回填。管线四周回填应十分仔细,必须压实到与四周坝体相同的密度,在压实中要防止冲击保护管。回填应采用原坝料,靠近管线周围应用细粒料填充密实。当回填超过仪器顶面1.8m,即可进行大坝的正常施工填筑。

在寒冷地带,可使用防冻液或特别配制的SG 溶液。SG 溶液配制方法如下:将蒸馏水煮沸15分钟之后按:蒸馏水∶甘油∶苯甲酸钠=1∶1∶0.0005比例混合搅匀即可。

2.振弦式沉降仪

振弦式沉降仪可自动测量不同点之间的沉降,它由储液罐、通液管和传感器组成,如图2-18所示,储液罐放置在固定的基准点并用两根充满液体的通液管把它们连接在沉降测点的传感器上,传感器通过通液管感应液体的压力,并换算为液柱的高度,由此可以实现在储液罐和传感器之间测量出不同高程的任意测点的高度。通常可以用它来测量堤坝、公路填土及相关建筑物的内外部沉降。

图2-18　振弦式沉降系统示意图

图2-18示意了使用的典型装置来测量在坝体内部的沉降,传感器通过电缆连接到数据采集装置。传感器内包含有一个半导体温度计与一个防雷击保护器,使用通气电缆将传感器连接到储液罐上方来使整个系统达到自平衡,以确保传感器不受大气压变化的影响,安装在通气管末端的干燥管用来防止传感器内部受潮。

振弦式沉降仪大多安装在填土和坝体内,传感器和电缆都被埋设在内部。如沉降点在地表面,可将传感器直接安装在结构体上。储液罐的安装高程应比任何传感器和通液管都要高一些。典型的安装如图2-19所示。

(1)传感器的安装。传感器通常固定在沉降盘上。在回填平整的情况下,沉降盘可用螺栓直接固定在结构体上。平底槽应为300～600mm 深,将沉降盘放在槽底平面上然后用小颗粒土料回填,用于回填的材料应去除粒径大于10mm 的颗粒,用这种材料应当围绕传感器夯实到槽口平面高程为止。

在安装过程中,应当用规范的测量技术来测量沉降盘的高程,同时确认传感器在夯实后没有遭到损坏。

(2)电缆和通液管的安装。电缆和通液管应埋设在大约300～600mm 深的沟槽里,沟槽不能上下起伏。

电缆和通液管应各自单独埋设,且不能相互接触和扭在一起(也可将电缆及通液管用同一钢管或较厚的PVC管保护后埋设),在任何地方导管都不能高于储液罐。

图2-19　振弦式沉降系统安装示意图

回填沟槽之前应检查有无气泡的迹象,如发现任何气泡都需要在初始读数之前冲洗通液管。

围绕在电缆周围沟槽里的材料,不允许有大的有角的石块直接靠在电缆上,为了防止水沿着沟槽形成渗流通道,应分段在沟槽的空隙中填入膨润土。

在土坝坝体内的沟槽禁止完全穿透黏土核心部分 (如防渗墙),在电缆上的填土,当埋层超过600mm 厚时即可正常回填。在电缆外露的地方,电缆应适当地沿着其延长方向加固防止弯曲,电缆也应避免阳光直射,可通过注入聚苯乙烯泡沫或氨基甲脂酸泡沫等来绝热防止温度变化对液体的影响。

(3)储液罐的安装。储液罐应安装在稳定的地面上或观测房的墙面上,储液罐的高程应在安装过程中进行测量和记录。松开储液罐顶部螺丝给储液罐注入去气防冻液直到观测管显示半满状态,储液罐不能直接暴露安装在阳光直射处。

当连接从传感器到储液罐的通气管时不允许空气驻留在通管内,同时应确保连到传感器上的通气管无堵塞。这可以用真空泵来将通气管里抽取成真空,同时观测传感器在读数仪上的读数来校核,连接通气管到通气管的汇集处,并在干燥管中添加新的干燥剂。

建议在储液罐液面上加少许轻油(推荐用挥发性较弱的硅油),它能够阻止液体表层的挥发,同时应注意干燥管与储液罐之间的连接管确无堵塞。

将传感器电缆与需要加长的电缆对应芯线连接,各电缆分别接至终端集线箱相连。

(4)初始数据。初始读数的读取应格外小心,它是以后所有数据的基准数据。通液管必须在恒定的温度下,若通液管非全埋式,数据应在温度相对恒定的时候读取。确定读数时通液管必须没有暴露在阳光直射下。同时在通液管里应无气泡的存在,管中如有气泡往往会造成读数的不稳定。若观测到气泡,在进行初始读数之前应冲洗通液管。若有任何怀疑,则反复冲洗通液管和重复读数,直到读数稳定为止,同时记录环境温度。

注意测量储液罐的液面高度,并做一个标记或记录测尺读数,以用于迅速观测液面出现的任何波动,用其改变量来修正后面沉降位移的计算。

储液罐液面的波动可能是温度或气压的变化或液体渗漏。

3.连杆式分层沉降仪

连杆式分层沉降仪是在坝体内埋设沉降管,在沉降管不同高程处设置沉降盘,沉降盘随坝体的沉降而移动,可采用电磁式、干簧管式测量仪表来测量沉降盘的高程变化,从而得到坝体的分层沉降值。

沉降管随坝体填筑埋设时,可采用坑式埋设法和非坑式埋设法,如图2-20所示。

图2-20　沉降管埋设示意图

(a)沉降管坑式埋设过程示意图;(b)沉降管非坑式埋设过程示意图

对于软基及已建水坠坝,可采用带叉簧片的沉降环,用钻孔法埋设。

(二)水平位移监测方法

1.测斜仪

测斜仪广泛适用于测量土石坝、混凝土坝、面板坝、边坡、土基、岩体滑坡等结构物的水平位移,该仪器配合测斜管可反复使用。

(1)测斜仪结构。测斜仪由倾斜传感器、测杆、导向定位轮、信号传输电缆和读数仪等组成。

(2)测斜仪工作原理。在需要观测的结构物体上埋设测斜管,测斜管内径上有两组互成90°的导向槽,将测斜仪顺导槽放入测斜管内,逐段一个基长 (500mm)进行测量。测量得出的数据即可描述出测斜管随结构物变形的曲线,以此可计算出测斜管每500mm 基长的轴线与铅垂线所成倾角的水平位移,经算术和即可累加出测斜管全长范围内的水平位移,见图2-21。测斜仪以铅垂线为轴,倾向高端导向轮一侧读数增大,倾向另一侧读数减小(含符号)。

图2-21　测斜仪工作原理

(3)埋设与安装。测斜仪为一种可重复使用的测量仪器,测斜仪的测量方法是测量测斜管轴线的倾斜度。所以测量前必须先埋设测斜管,方可实现测量。

1)测斜管的安装。先将测斜管装上管底盖,用螺丝或胶固定。将测斜管按顺序逐根放入钻孔中,测斜管与测斜管之间有接管连接,测斜管与接管之间必须用螺丝固定。测斜管在安装中应注意导槽的方向,导槽方向必须与设计要求定准的方向一致。将组装好的测斜管按次序逐节放入钻孔中,直至孔口。当确认测斜管安装完好后既可进行回填,回填一般用膨润土球或原土沙。回填时每填至3～5m 时要进行一次注水,注水是为了使膨润土球或原土沙遇水后,与孔壁结合的牢固,以此方法直至孔口。露在地表上的测斜管应注意做好保护,盖上管盖,严禁防止物体落入。测斜管地表管口段应浇注上混凝土,做成混凝土墩台以保护管口和管口转角的稳定性。墩台上应设置位移和沉降观测标点。

安装完成后的测斜管应先用模拟测斜仪试放,试放时测斜管互成90°的两个导向槽都应从下到上试放到,保证模拟测斜仪顺测斜管能从上到下、并从下到上都很平稳顺畅通过,以此测斜管安装为完好。

2)测斜仪组装。首先检查测斜仪的导轮是否转动灵活、扭簧是否有力、密封圈有否损伤。将测杆与电缆连接头连接在一起,为防止测斜仪进水影响测值的稳定,连接一定要牢固可靠,最好用扳手将电缆连接头与测杆拧紧。

将电缆从电缆绕盘上放下测孔深度的长度来,再将读数仪的测量线拧在电缆绕盘的插座上。打开读数仪,将测斜仪在测量平面上转动,检查输出读数是否正常 (以测斜仪竖直为基准偏向导向轮高端一边读数增大,偏向另一边读数减小,并做好测量前的准备。

3)测量。将测斜仪置入测斜管内,并使导向轮完全进入导向槽内。方向应为导向轮的正向与被测位移坐标 (+X)一致时测值为正,相反为负。之后根据电缆上标明的记号,每500mm 单位长度测读一次测斜管轴线相对铅垂线的倾角。

测斜仪测量时可先将测斜仪放入管底,自下而上测量。亦可从管口开始由上至下的测量。

参考方法:当测斜管下部可靠固定在基岩中(埋入深度应大于500mm),可认为基岩没有位移。此时测量可自下而上每500mm 长度测读一次,直至管口。

当测斜管底部悬挂(底部未深入基岩),此时测量可由上至下进行测量。

4)测值。为提高测量精度,消除系统误差,每个方向应逐段正、反方向各测读一次,取其测值差的一半,计算各段位移量。即:

每根测斜管所有同高程上正、反方向两次测值和的一半计算值,应为测斜仪的理论铅垂状态下的读数值,此S′x与S′y应近似为定值。即:

若测值S′x与S′y有离散性,主要原因是:①测斜仪前、后两组导轮的几何形心的连线在正、反两次测量时不完全平行;②导向轮与导向槽的配合不好;③导向轮与轮架之间的间隙太大;④测斜管与土体固结不好。

测量时,当4个导向轮在某一个测量段面没有完全进入导向槽时,和值S′X与S′Y会出现较大的变化。因此在测量时一定要使4个导向轮完全进入导向槽中,在测管的接头处可反复多测几次。如果某一、两处的和值与正常值明显偏差过大可剔除不用,一般这都是由于一头导向轮不在导向槽中引起的,这多发生在管接头处,所以此数据原本意义不大可剔除不用。

5)其他注意事项。测量结束后,应先拧开测杆与电缆之间的接头,并将测杆与电缆接头处的四芯插头、插座擦拭干净,将测杆放入便携箱中。将读数仪的测量线从电缆绕盘上拧下,并将电缆线在绕盘上盘好以备下次再用。(www.daowen.com)

上述方法是人工观测方式,为实现自动化观测,可在测斜仪两端加装连接杆,连接杆长度一般为1.5～3.0m,然后将测斜仪固定在测斜管中,用电缆线将每支测斜仪连接到集线箱和数据采集装置,可实现自动化测量。

2.钢丝水平位移计

钢丝水平位移计适用于长期观测土石坝、土堤、边坡等土体内部的位移,是了解被测物体稳定性的有效监测设备。钢丝水平位移计可单独安装,亦可与水管式沉降仪联合安装进行观测。

(1)结构。钢丝水平位移计由锚固板,铟合金钢丝、保护钢管、伸缩接头、测量架、配重机构、读数游标卡尺等组成,如图2-22所示。

(2)工作原理。当被测结构物发生水平位移时将会带动锚固板移动,通过固定在锚固板上的钢丝卡头传递给钢丝,钢丝再带动读数游标卡尺上的游标,用目测方式很方便地将位移数据读出。测点的位移量等于实时测量值与初始值之差,再加上观测房内固定标点的相对位移量。观测房内固定标点的位移量由视准线测出。

(3)计算方法。

1)当外界温度恒定、观测房内固定标点没有位移时,位移计与被测结构物的变形具有如下线性关系:

图2-22　钢丝水平位移计示意图

式中 L——位移计的相对位移量,mm;

Δd——位移计的位移相对于基准值的变化量,mm;

d——位移计的实时测量值,mm;

d0——位移计的基准值(初始测量值),mm。

2)当被测结构物没有发生变形时,而温度增加ΔT,将会引起钢丝的变形并产生测值的变化,这个测值仅仅是由温度变化而造成的,因此在计算时应给以扣除。

实验知Δd′与ΔT 具有如下线性关系:

式中 b——位移计铟合金钢丝的线膨胀系数≈0.8～1.35,10-6/℃;

ΔT——温度相对于基准值的变化量,℃;

T——温度的实时测量值,℃;

T0——温度的基准值(初始测量值),℃;

h——位移计钢丝的有效安装长度,mm。

3)埋设在坝体内的位移计,受到的是位移和温度的双重作用,同时要累加上观测房内固定标点的相对位移量。因此,位移计的一般计算公式为:

式中 Lm——被测结构物的位移量,mm;

ΔD——观测房内固定标点相对于基准值的变化量,mm;

D——观测房内固定标点的实时测量值,mm;

D0——观测房内固定标点的基准值(初始测量值),mm。

(4)埋设与安装。钢丝水平位移计的埋设方法有两种:一种为挖沟槽埋设方法(坝体内);另一种为不挖沟槽埋设方法(坝体表面)。

1)定位与基床平整。钢丝水平位移计采用沟槽埋设方法为 (坝体内):在坝面填筑到测点设计高程以上约80cm 时,开挖至埋设高程以下30cm,开始平整基床做埋设前准备。

不挖沟槽埋设方法为(坝体表面):在坝面填筑到测点设计高程以下30cm 时,开始平整基床做埋设准备。

当按设计要求选择好埋设管线位置后,应精心平整基床,在细粒料坝体中,整平压实达埋设高程;在粗粒料坝体中,应以反滤层做基础填平,人工压实到埋设高程,压实度应与周围的坝体相同。整平后的基床不平整度应不大于±5mm。

2)位移计的安装。

a.定位。将测量架安置在观测房内的设计位置上,使测量标尺方向对准埋设管路的预留孔。从观测房的预留孔开始排列保护钢管,并使保护钢管伸进房内距离测量标尺前端约20cm。

b.排列保护钢管。排列保护钢管时,二段钢管在伸缩接头中应相隔约30cm,在伸缩接头中安装分线盘及相应的配套零件。当排列到设计测点时,应增加安装锚固板及对应编号的分线盘和钢丝夹头。以此法安装至最后一个测点。

c.排放钢丝。钢丝排放时应先检查钢丝质量,钢丝外表不应有伤痕、折弯、缩径及其他缺陷。在钢丝排放过程中不得使其扭转和受伤,在施放时应用专用的引线器牵引。

将钢丝固定于引线器上,利用引线器使钢丝穿过保护钢管、挡泥圈、伸缩接头(甲)、锚固板、伸缩接头(乙)……当钢丝到达测点位置时在分线盘 (测点)上安装钢丝夹头,将钢丝夹死并使余头再用压板固定在分线盘上。

d.伸缩接头安装。伸缩接头中要安装分线盘及轴承,在测点位置两伸缩接头之间安装锚固板。伸缩接头上的红线标记应向上,以保证钢丝在伸缩接头中处于水平位置。

e.管线调整。管线定位后要调整其水平度和直线度,可用拉紧的钢丝作准线将管线理直。水平度和直线度均应在±5mm 范围内。管线调整完成后即将所有螺钉紧定死,不得有丝毫的松动。

f.测量架安装。管线调整完成后即可以进行测量架安装。先将测量架固定在已浇注好并已凝固的混凝土台上,用膨胀螺钉固定测量架。测量架底框下的混凝土台座可低于底框,为扩大位移范围预留。然后将钢丝经尺架绕在砝码盘的小盘上,并用压线板将钢丝固定在砝码盘的小盘上。吊重钢丝绳绕在砝码盘的大盘上,并用压线板将钢丝绳固定在砝码盘的大盘上。钢丝和钢丝绳在大、小盘上应各绕三圈。测尺安装好后,即可检查钢丝的联动是否正常,并可进行初步的测试。

g.浇筑与回填。首先对各个安装环节进行全面检查,再进行一次初步的测试,确认合格后可进行回填。回填的步骤是:首先在锚固板埋设处也就是测点处,立模浇一个能全包住锚固板的钢筋混凝土的块体。块体尺寸应能将锚固板及两端法兰盘全部包进块体内,并捣实。施工中应防止混凝土砂浆进入伸缩接头与保护钢管之间的缝隙,否则将会影响伸缩接头的滑动。混凝土块体拆模后,即可进行管线四周回填。管线四周回填应十分仔细,必须压实到与四周坝体相同的密度,在压实中要防止冲击保护钢管。回填应采用原坝料,靠近仪器周围应用细粒料填充密实。当回填超过仪器顶面1.8m,即可进行大坝的正常施工的填筑。

h.试测。一切安装正常后,即可进行测试。试测先在砝码盘的大盘上吊重60kg的砝码,对钢丝进行预拉直 (此工作亦可在回填前进行),24h后改为正常测试的吊重45kg的砝码。反复多次的加卸荷测试读数值,其重复读数小于2mm,即可认为安装完成。

3)测量。钢丝位移计的钢丝不应长期承受荷载,否则钢丝会产生疲劳变形。每次测量完成后,即应取下部分砝码,留10～20kg砝码在砝码盘上,正常测试的吊重砝码应为45kg。增减砝码应轻拿轻放,不得冲击钢丝。

4)其他注意事项。应定期用视准线测量钢丝位移计测架所在标点的位移量。测量时给每个测点加砝码至45kg,加砝码30min后 (测值稳定)方可开始读数。每隔15min读数一次,最后二次读数一致即为测量的真值。读数可精确到0.05mm。

(三)混凝土面板挠度观测方法

混凝土面板挠度观测可采用斜坡测斜仪或水管式沉降仪。

图2-23　斜坡测斜仪安装示意图

水管式沉降仪测头埋设在面板之下的垫层中采用坑式埋设法,见本章(一)。

斜坡测斜仪由测斜传感器和测斜管组成,测斜管道宜采用铝合金管。测斜管道的安装一般将管道直接安设在面板表面,并将其下端固定于趾板上。在寒冷地区也可将管道设于面板之下,但在浇筑面板时应严加保护。

斜坡测斜仪的安装方式如图2-23所示。

(四)界面位移和深层应变观测方法

界面位移和深层应变观测一般采用埋入位移计的方法进行观测,位移计宜采用坑式埋设法,对于测定坝体与岸坡交界面切向位移,宜采用表面埋设法,见图2-24。

图2-24　界面位移和深层应变位移计埋设示意图

(a)位移计坑式埋设法示意图;(b)剪切位移计表面埋设法示意图

(五)混凝土坝内部变形监测方法

1.挠度观测

混凝土坝的挠度可采用垂线法和测斜仪进行观测,见本章3.2.2。

2.倾斜观测

混凝土坝的倾斜可采用静力水准法和倾斜仪法进行观测。倾斜仪适用于长期测量混凝土坝倾斜角的变形量,可方便地实现倾斜角测量的自动化。

(1)倾斜仪结构。倾斜仪由倾斜传感器、不锈钢护筒、安装定位底座、信号传输电缆等组成,如图2-25所示。

图2-25　倾斜仪安装

(2)工作原理。结构物产生的倾斜变形,通过安装定位底座传递给倾斜传感器。传感器内装有电解液和导电触点,当传感器发生倾斜变化时,电解液的液面始终处于水平,但液面相对触点的部位会改变,由此导致输出电量的改变。倾斜仪随结构物的倾斜变形量与输出的电量呈对应关系,以此可测出被测结构物倾斜角度,同时它的测量值可显示出以零点为基准值的倾斜角变化的正负方向。

(3)计算方法。当被测结构物发生倾斜变形时,倾斜仪将同步感受变形,其倾斜角度θ与输出的电量读数F 具有如下计算公式:

式中 θ——被测结构物的实时倾斜角度,(°);

K——倾斜仪测量倾斜角度的最小读数,″/F;

F——倾斜仪的实时电量测量值,F;

B——倾斜仪的计算修正值,(″)。

(4)埋设与安装。先打磨设计安装部位,使其尽量平整。将倾斜仪的安装底座固定与被测物体的打磨部位上,然后把倾斜仪固定在安装底座上。调整安装底座上的螺钉,首先一定要使倾斜仪的轴线安装垂直,之后调整倾斜仪使其测值接近出厂时的0点,或自定倾斜角的正负变化范围。

(5)测量。倾斜仪安装定位好后应及时测量仪器初值,以备作为基准值。根据仪器编号和设计编号作好记录并存档,严格保护好仪器的引出电缆。特别应注意测量读数仪接入线的颜色,与倾斜传感器输出线的颜色要一致,接错将会造成传感器的永久损坏。