大壩安全監測培訓深圳市水務工程檢測有限公司2010年11月13日

我國大壩安全監測的現狀

1.水庫基本情況1949年，全國僅有大中型水庫23座；2007年，全國各類水庫86353座，其中大型529座、中型3181座、小型82643座；（09年鑒）湘、粵、贛、川、鄂、滇6省水庫占全國的55%；湖南水庫總數全國第一，湖北大型水庫最多，占全國大型水庫的十分之一；由水庫提供灌溉水源的耕地2.4億畝，總灌溉面積的1/3；北京、天津、深圳和香港等近百座城市全部或部分依靠水庫供水，200億立方米/年；我國已建成水庫是世界上水庫最多的國家之一。壩型壩高：土石壩占總數的93%，壩高15m以上水庫2.63萬，30m以上的水庫9191座

我國大壩安全監測的現狀

2.大壩安全監測的現狀多數大型水庫的安全監測設施雖然較完整，但設施的技術水平落后，且損壞報廢的很多，急需改造中型水庫中約50%有一些基本的監測設施，但大多也已損壞而不能使用，另50%左右基本沒有安全監測設施小型水庫中除少數小（1）型水庫有幾根測壓管外，絕大多數無任何監測設施就全國整體而言，水庫大壩安全管理與信息化、現代化的差距很大。大型水庫已有較完善的大壩安全監測設施，其中相當一部分還實現了監測和資料整編自動化安全監測目的與意義安全監測目的（1）監測大壩施工期和運行期的安全

（2）將觀測結果與設計預測進行對比，檢驗理論計算結果（3）掌握施工過程中大壩的實際情況，據此完善設計理論或施工技術方案（4）配合工程科學研究及其他安全監測意義（1）保障水庫大壩運行安全（2）推動工程設計與施工技術的進步（3）為病險工程的診斷和合理加固提供依據（4）現代化和法治化工程管理的需要

現行安全監測法規、規范、規程

《水庫大壩安全管理條例》《土石壩安全監測技術規范》（SL60-94）《混凝土大壩安全監測技術規范》（SDJ336-89）《混凝土壩安全監測技術規范》（DL/T5178-2003）《土石壩安全監測資料整編規程》（SL169-96）

《混凝土壩安全監測資料整編規程》（DL/T5209-2005《大壩安全監測自動化技術規范》（DL/T5211-2005歷年潰壩：1954～2009年56年間全國共發生水庫潰壩3504座，年均62.6座，其中小型3375座（占96%）過程分布：潰壩高峰在大躍進、文革期間，最多1973年潰556座，改革開放后快速減少，近年低位穩定重大災害：1975年河南板橋、石漫灘潰壩，1993年青海溝后潰壩等，極大改變了大壩安全管理發展進程近期情況：2000-2009年共47座，年均4.7座，近幾年是,07年7座，08年1座，09年沒有，10年已有8座潰壩及危害全球水庫潰壩1928年美國63m高的St.Francis(圣佛朗西斯)重力壩潰決，死亡421人。1963年意大利Vajont(瓦依昂)拱壩庫岸滑坡，死亡2000余人。1963年中國河北東川水庫潰壩，死亡900余人。1975年中國河南板橋水庫潰壩，26座水庫相繼潰決，24萬余人死亡，直接經濟損失34.97億。1976年美國93m高的Teton（提堂）土壩失事1993年青海省溝后水庫潰壩，300余人死亡2001年四川大路溝水庫潰壩，傷亡近40余人2009年三峽蓄水和降雨等因素影響，庫區千將坪發生體積約2400萬m3特大滑坡，直接經濟損失8000萬

板橋水庫：史上最嚴重潰壩

潰壩案例☆1975.8.8

板橋水庫在河南境內，24.5m高的粘土心墻砂殼壩，是“75.8”暴雨中潰決的一座大型水庫。遭遇歷史罕見暴雨洪水，1975年8月8日1時30分潰決，造成巨大災難。在國內外的大壩安全管理領域有重大影響，并深遠影響了我國的水庫管理、防洪標準、除險加固等一系列大壩安全工作

溝后水庫：小水庫中大災害潰壩案例☆1993.8.27

溝后水庫是一座小（1）型水庫，位于青海省海南州共和縣境內，71m高的混凝土面板砂礫石壩。由于壩頂防滲體系的隱患，庫水自壩頂防浪墻與面板接縫進入壩體，造成頂部壩體濕陷及滲透破壞，于1993年8月27日潰決，使下游的海南州州府所在地恰卜恰鎮等遭受重創。小水庫也會出大問題，此次事故使人們重新審視小型水庫的安全與管理問題小海子水庫：加固項目完工后潰壩

潰壩案例☆2007.4.19新疆兵團八一水庫2004青海英德爾水庫2005甘肅小海子水庫2007內蒙古崗崗水庫2007板橋水庫

水庫概念

水庫：為防洪和興利建設的蓄水利用工程，由樞紐、庫區和下游等構成的工程體系。大壩一般指樞紐規模：按總庫容大小將工程分為5級：即大（1）型，大（2）型；中型；小（1）型，小（2）型山塘：庫容低于10萬方的水庫稱為山塘、塘壩，暫不論壩高和下游影響，未納入水庫管理（有些地區參照）非水庫大壩：攔沙壩（水保工程）、灰壩（火電附屬工程）、尾礦壩（冶金附屬工程）大壩安全監測1.監測范圍（1）壩體：壩頂、迎水坡、背水坡及壩址（2）壩基和壩區：壩基、壩端、壩址近區、壩端岸坡、上游鋪蓋（3）溢洪道：進水段（引渠）、堰頂或閘室、閘墩、邊墻、胸墻、溢流面、底板、工作橋（4）輸、泄水洞：引水段、豎井、洞身、工作橋、出口（5）閘門及啟閉機：閘門及其開度指示器、門槽、止水、啟閉機及備用電源（6）觀測及通訊設備：觀測設備、通訊設施、照明及交通設施2.監測手段（1）巡視檢查（2）用儀器設備觀測大壩安全監測3.監測內容巡視檢查環境量監測變形監測滲流監測水力學觀測結構內部應力、應變、壓力、溫度觀測

監測階段和測次

表1.4.1土石壩安全監測項目測次表

階段和測次觀測項目第一階段（施工期）第二階段（初蓄期）第三階段（運行期）1.日常巡視檢查10～4次/月30～8次/月4～2次/月2.表面變開形；3.內部變形；4.裂縫及接縫；5.岸坡位移；6.混凝土面板變形6～3次/月10～4次/月10～4次/月6～3次/月6～3次/月10～4次/月30～10次/月30～10次/月10～4次/月10～4次/月6～2次/年12～4次/年12～4次/年12～4次/年12～4次/年7.滲流量；8.壩基滲流壓力；9.壩體滲流壓力；10.繞壩滲流10～4次/月10～4次/月10～4次/月10～4次/月30～10次/月30～10次/月30～10次/月30～10次/月6～3次/月6～3次/月6～3次/月6～3次/月11.孔隙水壓力；12.土壓力（應力）；13.接觸土壓力；14.混凝土面板應力6～3次/月6～3次/月6～3次/月按需要30～4次/月30～4次/月30～4次/月按需要6～3次/月6～3次/月6～3次/月按需要15.上、下游水位；16.降水量、氣溫；17.水溫；18.波浪；19.壩前（及庫區）泥沙；20.冰凍2次/日逐日量按需要按需要按需要按需要4～2次/日逐日量按需要按需要按需要按需要2～1次/日逐日量按需要按需要按需要按需要21,地震強震；22.動孔隙水壓力按需要（自動測記加定期人工檢查、校測）按需要（自動測記加定期人工檢查、校測）23.泄水建筑物水力學按需要巡視檢查巡視檢查的分類日常巡視檢查年度巡視檢查特殊巡視檢查巡視檢查方法

常規方法：用眼看、耳聽、手摸、鼻嗅、腳踩等直觀方法，或采用簡單的輔助工具對工程表面和異常現象進行檢查。

特殊方法：采用開挖、鉆井、鉆孔取樣、投放化學試劑、水下電視、水下攝影等對工程內部、水下部位或壩基進行檢查。

巡視檢查記錄和處理

檢察人員要具備一定的工程知識和經驗，相對固定人員，做好檢查記錄和現場填表，必要時可以附有圖片、素描。現場記錄及填表要及時整理，分析有無異常跡象，發現問題要及時的匯報，或采取必要的分析研究工作，查明原因及時處理。巡視檢查記錄和整理表

巡視檢查部位損壞或異常情況

壩

體

壩頂防浪墻迎水面背水面壩趾排水系統導滲降壓設施觀測設施

壩基和壩區壩基基礎廊道兩岸壩端壩趾近區壩端岸坡上游鋪蓋觀測設施

溢

洪

道進水段（引渠）堰頂或閘室溢流面消能工閘門動力及啟閉機工作（交通）橋下游河床及岸坡觀測設施

輸、泄水洞（管）引水段進水塔（豎井）洞（管）身出口消能工閘門動力及啟閉機工作橋觀測設施

其他（包括備用電源等情況）環境量監測環境量監測目的

環境量監測目的是為了了解環境量的變化規律及對水工建筑物的變形、滲流和應力應變等的影響。環境量測監內容

主要包括：氣溫、水溫、波浪、大壩上下游水位、壩前淤積、下游沖刷、地震及冰壓力等環境量監測相關規范

水位觀測標準GBJ138-90降水量觀測規范SL21-90

水文普通測量規范SL58-93河流冰情觀測規范SL59-93環境量監測

水位觀測

監測斷面及測點布置

上游水位監測應設置在受泄流和風浪影響小、便于儀器安裝埋設和監測的位置。下游水位監測應設置在受泄流影響小、水流平穩，便于儀器安裝埋設和監測的位置。水位監測斷面應和測流斷面統一布置。水位監測的方法

水尺法（直立式、傾斜式、矮樁式和懸垂式）水位計法（浮子式、壓力式、超聲波）瞬時水位一般采用波浪儀器或電測水位計注：水位監測的水準基面與水工建筑物的水準基面應一致

環境量監測

降雨量監測

降雨量監測點布置

壩址區附近至少有一個觀測點觀測點布置在空曠平坦，不受地形、樹木、煙塵的影響，同時應避開強風區。山區中的觀測除布置在平坦空曠地段之外，還應使儀器口與山頂之間的仰角小于30℃降雨量觀測的儀器

雨量器、虹吸式和翻斗式雨量計、桿式雨量計、遙測雨量計、自動測報雨量計

注：雨量器、虹吸式和翻斗式雨量計

虹吸式雨量計翻斗式雨量計環境量監測

氣溫和水溫監測氣溫和水溫監測布置

壩址區附近至少有一個觀測點。靠近上游壩面的庫水中，布置測溫垂線。土石壩的溫度監測斷面可設置在壩前或泄水建筑物進口前，斷面上至少有3條測溫垂線.觀測方法溫度觀測一般采用鉑電阻溫度計、銅電阻溫度計和半導體溫度計等。氣溫觀測儀器應設在專用的百葉箱內。百葉箱的設置應符合有關氣象觀測規范和標準。百葉箱內應設直讀式溫度計，以便比測。庫水溫觀測應將溫度計牢固固定在設計測點，電纜應縛設套管保護環境量監測

其他監測

波浪監測

庫面波浪監測護坡波浪監測淤積監測水下部分一般用交會法，用測桿、測深錘、回聲測深儀；水上部分用普通測量方法冰凍監測

土壤凍結深度監測冰蓋位移監測冰壓力監測地震反應監測地震強震觀測、動孔隙水壓力觀測變形監測變形監測目的

目的是掌握水工建筑物與地基變形的空間分析特征和隨時間變化的規律，監控有害變形及裂縫等的發展趨勢。項目主要指標部分習慣名稱觀測方法常見設備表面變形壩面水平位移（橫向、縱向），壩面豎直位移水平位移，壩面沉降光學等視準儀，引張線；水準儀，水管式沉降儀；全站儀；等內部變形壩內水平位移（橫向、縱向），壩內豎直位移內部水平位移，內部沉降機電等測斜儀；沉降管，水管式沉降儀；等相對位移界面位移，裂縫開度開裂，裂縫機電等位移計，測縫計；等變形監測依據的主要技術標準：《土石壩安全監測技術規范》（SL60-94）《土石壩安全監測資料整編規程》（SL169-96）《混凝土大壩安全監測技術規范(試行)》(SDJ336-89)《混凝土壩安全監測技術規范》(DL/T5178-2003)變形監測變形監測正負號的一般規定：水平位移向下游或向左岸為正，反之為負。豎向位移向下為正，向上為負。裂縫和接縫開合度以張為正，閉合為負。傾斜監測向下游、向左岸為正，反之為負。船閘閘墻的水平位移向閘室中心為正，反之負高邊坡和滑坡體位移向下、向左為正，反之負變形監測

表面變形

土石壩監測斷面布置

橫斷面：一般不少于3個，且盡量布置在最大壩高處，地質條件復雜，地形突變處，壩內埋管或運行最可能發生異常的部位。縱斷面：一般不少于4個，通常在壩頂的上下游側布設1～2個斷面，下游壩坡半壩高以上布設1～3個斷面，半壩高以下布設1～2個斷面，對于軟基的壩體，還要在下游壩址外側增設1～2個斷面。在每個觀測橫斷面和縱斷面交點處布設表面變形觀測點。基點布設：起測基點可在每一縱排測點兩端的岸坡上各布設一個，其高程宜與測點高程相近。水準基點一般在土石壩下游1～3km處布設2～3個。校核基點應在兩岸同排工作基點連線的延長線上各布設1～2個，必要時可采用倒垂線或邊角網定位。變形監測

表面變形

混凝土壩監測斷面布置橫斷面一般布設在每個壩端或閘墩上，拱壩應布設在拱冠梁、拱端和1／4拱處

縱斷面一般布設在平行于壩軸線的壩頂及壩基廊道中在每個觀測橫斷面和縱斷面交點處布設表面變形觀測點。基點布設：

工作基點和校核基點可在每一縱排測點兩端的岸坡穩定巖體上各布設1個，高程宜與測點高程接近，或布設在兩岸山體的灌漿廊道內。也可以采用倒垂線作為基點。

變形監測

表面變形

表面變形的監測方法水平位移觀測：主要有視準線法、引張線法、垂線法、激光準直法、精密導線法、邊角網法、交會法。豎向位移觀測：精密水準法、靜力水準法、三角高程法。沉降用水準測量（工作三等，校驗二等）綜合測量也有用全站儀，也有嘗試GPS系統的。變形監測

內部變形

土石壩內部變形監測

包括分層豎向位移、分層水平位移、界面位移及深層應變監測。測點布設分層豎向位移：布置在最大斷面及特征斷面上。可設1～3個斷面。每個觀測斷面上可布設1～3條觀測垂線，且有一條布設在壩軸線附近。水管式沉降儀的測點應分別布設在1∕3、1∕2、2∕3壩高處。分層水平位移：和分層豎向位移相同。變形監測

內部變形

混凝土壩內部變形監測

混凝土壩內部變形監測主要包括壩體撓度和傾斜。壩體撓度

觀測點一般布設在靠近壩頂、壩基及垂線與廊道相交處。傾斜

壩體傾斜觀測面應盡量設置在廊道內、壩基及垂線與廊道相交處，可以設置在壩體下游面。

變形監測

內部變形

內部變形監測方法豎向位移監測方法：水管式沉降儀、振弦式沉降儀法、連桿式分層沉降儀法。水平位移監測方法：測斜儀法、鋼絲水平位移計法。撓度觀測：垂線法、測斜儀法。

傾斜觀測：靜力水準法、傾斜儀法。

滲流監測

滲流概念定義：水在孔隙介質中的運動介質：滲透系數K滲流：水壓力P、速度V、坡降J、滲流量Q基本規律：達西定律V=KJ=k*（△P/L）運動規律：運動方程、連續性方程滲流場：空間區域的滲流運動的狀態滲流監測大壩滲流危害

1）土石壩：破壞防滲與排水設施，造成壩基壩體和結構滲流破壞，降低壩坡穩定性。

2）混凝土壩：揚壓力降低壩體穩定性，兩岸地下水影響壩座和巖體穩定，對壩基和結構造成水化學侵害。

3）此外：過大的滲漏損失減低工程效益。滲流分析滲流分析是認識滲流場的方法，在介質與邊界確定以后，滲流分析是滲流安全評價的重點。滲流場表達方式：滲流壓力分布；函數與圖表；流網、等勢線與流線（浸潤線）。滲流分析方法：原型監測、模型試驗、數值計算等。滲流監測滲流性質

滲流性質主要反映為滲透系數K，K具有空間不均勻性和各向異性的特點，分析時簡化處理。（cm/s）

K的確定方法：現場試驗（環坑注水、鉆孔注水與壓水等），室內試驗，經驗分析。滲流破壞滲流破壞：滲流作用下的孔隙介質結構的改變，又稱滲透變形破壞形式：管涌、流土、沖刷土的分類：管涌、流土、過渡型，Cu判斷破壞指標：滲透坡降J，J破壞、J允許破壞判斷：直觀判斷、分析比對滲流監測滲流安全評判在滲流場認識清楚以后，滲流的安全判斷成為比較容易的問題。評判方法：破壞指標、設計條件、工程類比等。滲流控制“上堵下排”原則，上堵措施有防滲體和防滲結構，下排措施有排水體和反濾保護措施，通過這些措施將大壩滲流控制安全范圍。滲流監測壩體滲流壓力觀測

1）橫斷面布置：最大壩高處、地形或地質條件復雜壩段，一般不少于三個，盡量與變形等斷面結合。

2）觀測孔布置：根據壩型結構及滲流場特征設3~4個，不少于上游、中游、下游三個。

3）觀測點布置：根據壩高、地層和滲流場特征，在不同高程上布置1~3個。觀測設備

1）設備有測壓管、滲壓計兩類。

2）高壩、滲透系數小和壓力變幅小的土層不宜測壓管，測壓管管徑不宜大，滲流急變區的花管段不宜長、測點不宜少。

3）觀測設備的考證資料要準確，孔口要防雨水，數據采集設備要定期校驗。

4）造孔要干鉆，反濾和分段止水要可靠。滲流監測壩基滲流壓力觀測

觀測目的及內容

1）監控觀測斷面壩基的滲流安全變化。

2）了解防滲排水措施的工作效能。

3）掌握透水地基的滲壓力大小及其分布。

4）監控穿壩建筑物滲流安全。

5）壩基范圍包括天然巖土層，深入壩基的防滲排水設施等。觀測布置

1）橫斷面布置：取決于地層結構、地質構造，斷面數一般不少于3個，應順流線方向布置，或與壩體滲流壓力觀測斷面相重合。

2）觀測孔布置：根據建基面輪廓、壩基地質條件、防滲和排水型式，一般不少于3個。

3）觀測點布置：一般在不同高程布置1~2個。如下示意。觀測方法與壩體觀測一樣，設備有測壓管、滲壓計兩類，設備選用原則也同。一般壩基觀測對測壓管的限制放寬。滲流監測滲流量

滲流量是滲流場的另一大基本要素，是反應工程滲流安全問題最為敏感的效應量。它是反應滲流場介質變化最直觀、最具綜合的定量指標，尤其當滲透破壞征兆在滲流壓力觀測中反應不夠充分的時，更具有特別重要作用。不論對何等工程都為必測項目。大壩的滲流量由三部分組成：壩體的滲流量、壩基的滲流量、通過兩岸山體繞滲或兩岸地下水補給的滲流量。滲流量觀測過程中要綜合考慮上下游水位、氣溫、水溫、降雨量。對滲透水要定期取樣分析。滲流量的觀測布置1）根據壩型和壩基地質條件、滲漏水出流和匯集條件，及所采用的測量方法等確定。2）對壩體、壩基、繞滲及導滲（含減壓井和減壓溝）的滲流量，應分區、分段進行測量。3）對明流和潛流盡可能完全測量，有條件的工程宜建截水墻或觀測廊道。透水層深厚不能觀測是應在下游順水流方向做地下水位觀測。4）所有集水和量水設施應避免客水干擾。滲流監測滲流量觀測方法根據滲流量大小和匯集條件選用方法設備：

1）容積法：流量小于1L/s時宜采用容積法。

2）量水堰法：流量在1～300L/s之間時宜采用量水堰法。

3）測流速法：當流量大于300L/s或受落差限制不能設量水堰時，可用測流速或典型斷面水位的方法。

滲流監測量水堰法量水堰類型

三角堰：當滲流量在1～70L/s之間時采用（三角堰堰口為等腰三角形，底角為直角）

梯形堰：當滲流量在10～300L/s之間時采用（一般采用1：2.5的邊坡，底邊寬度應小于3倍的堰上水頭，一般在0.25與1.5m之間）

矩形堰：當滲流量大于50L/s時采用（堰口寬度應為2到5倍堰上水頭，一般應在0.25與2m之間）滲流監測量水堰的設置注意問題

1）量水堰應設在矩形斷面排水溝的直線段，槽底和側墻不漏水；

2）堰板與側墻和水流方向垂直，堰板平正，堰口水平；

3）堰上水流為自由出流形式，不受其它（雜物）干擾；

4）量水堰考證資料準確，存檔備查。三角堰板結構示意圖滲流監測直角三角形量水堰Q=1.4H5／2式中：Q——滲流量，m3/s；H——堰上水頭，m。梯形量水堰Q=1.86bH3/2式中：Q——滲流量，m3/s；H——堰上水頭，m；b——堰口底寬，m。應力（壓力）、應變應力（壓力）監測項目土石壩的壓力（應力）監測主要包括孔隙水壓力、土壓力（應力）、接觸土壓力以及混凝土面板應力等。混凝土壩的應力、應變及溫度監測主要包括壩體（壩基）應力、應變、錨桿（錨索）應力、鋼筋應力、鋼板應力及溫度等。應力（壓力）、應變孔隙水壓力觀測目的及內容了解土石壩壩身或壩基產生的孔隙水壓力及其分布與消散情況了解孔隙水壓力對施工階段的施工質量、進度的影響掌握大壩運用期間的滲流狀態與壩身穩定，以確保大壩安全提高設計和科研水平一般適用于飽和土及飽和度大于95%的非飽和粘性土觀測內容包括均質土壩、水中填土壩、尾礦壩、松軟壩基，土石壩的土質防滲體、砂殼等影響安全的關鍵部位均需進行孔隙水壓力觀測應力（壓力）、應變孔隙水壓力觀測設計

觀測斷面

根據工程重要程度、壩體尺寸、結構形式，地形地質條件及施工方法等確定一般與沉降觀測及土壓力觀測配合布置。

觀測點

每個橫斷面上測點數量決定于壩型和具體尺寸以能給出所需的孔隙水壓力等壓線為原則應力（壓力）、應變觀測儀器及其安裝

儀器設備主要型式：水管式、測壓管式、鋼弦式、差動電阻式、電阻應變片式等。優先選用鋼弦式孔隙水壓力計鋼弦式孔隙水壓力計的埋設，分填土中埋設和鉆孔埋設兩種孔隙水壓力計填筑過程中埋設孔隙水壓力計鉆孔應力（壓力）、應變土壓力土壓力監測目的及內容壩體內土壓力觀測

土體或堆石體接觸土壓力觀測

土和堆石與混凝土、巖面或圬工建筑物接觸面上目的了解壩體受力情況、接觸面的作用壓力大小；為驗證設計，判斷工程安全內容土和堆石體的總應力（即總土壓力）、垂直土壓力、水平土壓力土和堆石與混凝土、巖面或圬工建筑物接觸面上的土壓力土壓力計測值為總土壓力，土體有效應力＝土壓力計測值－孔隙水壓力計應力（壓力）、應變壩體內土壓力觀測設計觀測斷面根據壩體結構、地質情況等因素確定，一般可選1~2個橫斷面作為觀測斷面觀測點在每個橫斷面不同高程上布置2-3排測點。對心墻壩，每排的各測點可分別布置在心墻中心線、心墻與壩