土石壩安全監(jiān)測的方法和儀器

在中國修建的水庫水庫中，土石水庫占大多數(shù)。在以往的水庫大壩失事數(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性,大壩施工、擴建、加固、運行、管理以及環(huán)境對結(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)測比混凝土壩更加復(fù)雜。同時由于表面不能過水以及破壞機理有所不同等原因使土石壩對安全監(jiān)測的要求更高。總之,土石壩的安全監(jiān)測還有許多問題需要我們?nèi)ソ鉀Q。1設(shè)備環(huán)境監(jiān)測工程和方法隨著科技的進步,近年來監(jiān)測方法和監(jiān)測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)測項目分類和具體工程應(yīng)用分別說明如下:1.1變形監(jiān)測1.1.1數(shù)據(jù)庫的實現(xiàn)和測試人工觀測仍采用經(jīng)緯儀和水準儀,自動監(jiān)測可以采用全站儀和引張線——倒垂線法實現(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)配套軟件實現(xiàn)了表面變形監(jiān)測的半自動化。相對人工三角網(wǎng)觀測而言,采用全站儀具有精度高、測量和數(shù)據(jù)處理時間短的優(yōu)點。在小浪底工程外部變形監(jiān)測中形成了TCA2003型全站儀及DIN12數(shù)字水準儀實現(xiàn)野外數(shù)據(jù)采集、業(yè)內(nèi)數(shù)據(jù)處理和建立變形測值數(shù)據(jù)庫,實現(xiàn)了變形測值采集和數(shù)據(jù)分析于一體的自動監(jiān)測系統(tǒng)。采用全站儀實現(xiàn)全自動數(shù)據(jù)采集和處理要求有兩個穩(wěn)定的用于安裝全站儀的固定墩,測點墩上需配備相應(yīng)棱鏡。為減少復(fù)位誤差,全站儀和棱鏡最好固定在觀測墩上(或采用強制對中底盤)。監(jiān)測數(shù)據(jù)需要配套的數(shù)據(jù)平差處理分析軟件進行處理。一般認為采用全站儀進行表面變形監(jiān)測,垂直位移精度難以滿足規(guī)范要求,因此在選用全站儀進行監(jiān)測時,首先要進行精度論證。采用引張線——倒垂線系統(tǒng)實現(xiàn)表面變形監(jiān)測自動化的例子有碧口和百丈氵祭土石壩,兩者引張線長分別為260m和240m,前者于1996年1月投運,后者于1997年10月投運,2套系統(tǒng)至今運行穩(wěn)定,測值可靠。真空激光準直系統(tǒng)在北方實現(xiàn)混凝土大壩壩頂變形監(jiān)測自動化已獲得成功。在北方寒冷地區(qū)和壩頂較長情況下,真空激光相對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)和壩長較短的情況下,引張線具有安裝維護方便、費用低廉等優(yōu)點。GPS在隔河巖混凝土壩上已獲應(yīng)用,實際上高土石壩往往由于對天比較開闊,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,因而可以縮短跟蹤衛(wèi)星的時間和加快解算速度。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。常用監(jiān)測儀器包括電磁式沉降儀、測斜儀、引張線式水平位移計、水管式沉降儀等,魯布革電廠大壩已采用TS位移計實現(xiàn)了引張線式水平位移計的測量自動化,該系統(tǒng)在1998年7月投運,至今運行穩(wěn)定。用于傾斜監(jiān)測的測斜儀有鋼弦式和伺服加速度式,鋼弦式測斜儀具有穩(wěn)定性好、分辨率高、價格低等優(yōu)點,但精度低。伺服加速度式測斜儀具有穩(wěn)定性好、精度高等優(yōu)點,但價格較貴。裂縫及接縫監(jiān)測主要針對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。儀器有差阻式、振弦式、電位器式等,上述儀器實現(xiàn)測量自動化都比較方便。混凝土面板變形監(jiān)測主要是撓度監(jiān)測,主要采用測斜儀和多點變位計進行監(jiān)測。經(jīng)過南京水科院等單位的科技攻關(guān),港口灣、洪家渡、十三陵等工程已實現(xiàn)了引張線式水平位移計和水管式沉降儀的測量自動化。高邊坡或不穩(wěn)定的岸坡都需進行監(jiān)測,監(jiān)測項目包括變形和地下水位監(jiān)測等。1.2壓力監(jiān)測設(shè)備滲流監(jiān)測包括壩體滲流壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流和滲流量監(jiān)測。對于土石壩而言由于存在滲透變形,同時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,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)測的重要性。滲流壓力監(jiān)測一般采用振弦式滲壓計,根據(jù)國內(nèi)外的工程經(jīng)驗,進口Geokon公司振弦式儀器在精確性和長期穩(wěn)定性方面具有一定的優(yōu)勢,但價格也相對較高。許多大壩的滲流量監(jiān)測都是通過測量量水堰堰上水頭進行計算得到的,由于中間過程的累積誤差,要求測量堰上水頭的精確性較高。為此,采用壓力式水位計進行堰上水頭測量時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因為通氣孔使水流入儀器從而導(dǎo)致儀器損壞,為此Geokon公司建議對于野外長期使用的高精度水位測量可以選用低量程(絕對精度較高)不帶通氣孔的4500AL型滲壓計,同時另配一只儀器專門用于氣壓修正。經(jīng)室內(nèi)試驗,德國P+F公司生產(chǎn)的UC2000-F43-2KIR2-V17型超聲波儀滿足水堰測量精度要求,已在江西上游等水庫投入運行。1.3應(yīng)力觀測方式壓力監(jiān)測包括空隙水壓力、土壓力、面板應(yīng)力監(jiān)測,有時也將空隙水壓力監(jiān)測納入滲流監(jiān)測。壓應(yīng)力可以采用壓應(yīng)力計或土壓力計直接觀測,鋼筋應(yīng)力可以采用鋼筋計直接測量,其余應(yīng)力監(jiān)測一般是通過測量應(yīng)變再計算求得的,顯然后者由于累積誤差的原因,精度相對要低一點。國產(chǎn)差阻式和進口振弦式儀器都能滿足壓力監(jiān)測的需要。1.4測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)測是資料分析的需要,如許多土石壩資料分析表明,很多測壓管水位與降雨關(guān)系密切,嚴寒地區(qū)粘性材料存在凍漲現(xiàn)象。波浪、泥沙淤積、冰凍等監(jiān)測要根據(jù)水庫所處的具體環(huán)境和條件進行。1.5壩體地震反應(yīng)監(jiān)測規(guī)范規(guī)定水庫大壩所在地地震基本烈度為7度及以上地區(qū)的1、2級土石壩經(jīng)過論證,可進行壩體地震反應(yīng)監(jiān)測。地震監(jiān)測主要針對邊坡穩(wěn)定、地震動應(yīng)(壓)力和土體液化而進行的。對于存在高邊坡或筑壩材料存在液化可能性的高壩,應(yīng)注意進行地震監(jiān)測。1.6沖坑等監(jiān)測泄水建筑物水力學(xué)包括空蝕、動水壓力和沖坑等監(jiān)測。由于沖坑等很難通過儀器監(jiān)測全面加以了解,因此作好該項監(jiān)測應(yīng)將儀器監(jiān)測與巡視檢查很好地結(jié)合起來。2與主要統(tǒng)計設(shè)計和方法配合應(yīng)用監(jiān)測設(shè)計的目的就是通過較少的測點和儀器準確、及時地掌握大壩性態(tài)的變化。設(shè)計要有利于施工、運行和有用資料的獲取。監(jiān)測的成果要有利于分析和對大壩安全狀況作出判斷,這里有如下幾個問題需要強調(diào):(1)根據(jù)以往對土石壩破壞的原因分析,發(fā)現(xiàn)在洪水漫頂、設(shè)計施工和運行管理等原因中,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(也稱為工情監(jiān)測)與水情測報、閘門監(jiān)控等系統(tǒng)結(jié)合起來組成水庫調(diào)度綜合自動化系統(tǒng),意義重大。國家即將建立的防洪調(diào)度自動化系統(tǒng)就是基于這一設(shè)想進行的。江蘇省沙河、大溪工程作為試點工程之一,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)的綜合自動化系統(tǒng)。此外,將閘門、啟閉機等泄洪設(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)測范圍,避免泄洪時引起上述設(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)測設(shè)計時監(jiān)測項目的設(shè)置、測點布置和儀器選型要以方便資料分析和大壩安全評估為最終目的。在測點布置時要有針對性,能形成觀測斷面,資料便于相互印證,如對于面板堆石壩,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)測時,壩體和壩基測點布置應(yīng)有明顯的針對性。如果將壩體滲流監(jiān)測測壓管也布置在壩體建基面附近,而將壩基測壓管布置在壩基建基面附近,兩者進水段高程差異不大時,資料將變得難以分析。3安全監(jiān)測中的一些問題3.1測量點滲壓與測壓管的關(guān)系測壓管和埋設(shè)滲壓計是土石壩常用的滲流壓力監(jiān)測方法,兩種方法比較如下:(1)測壓管相對埋設(shè)滲壓計而言滯后現(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,宜采用測壓管”。顯然對于滲透系數(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壓管。(2)測壓管測量方便,測量重復(fù)性可達“cm”級,埋設(shè)滲壓計對測點滲壓的測量受滲壓計的性能指標影響,無法采用有效的方法對測值的準確度進行校核。在實現(xiàn)自動化時,測壓管人工比測方便,滲壓計難以進行有效的人工比測。(3)測壓管壽命受泥沙淤積等影響,可以通過定期掃孔延長使用壽命。埋設(shè)滲壓計的使用壽命決定于滲壓計的使用壽命和穩(wěn)定性。(4)由于土石壩在運行初期沉降量較大,所以滲壓計埋設(shè)高程、測壓管進水段高程與管口高程都可能發(fā)生變化,為確保監(jiān)測資料的準確性,對上述高程進行定期復(fù)核是非常必要的。3.2壩安全自動監(jiān)測系統(tǒng)易受熱毒由于監(jiān)測系統(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監(jiān)測系統(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并埋地、利用測壓管合理接地、避免由于地電位差引入干擾、在電源進口處加裝隔離濾波設(shè)備和為整個系統(tǒng)加裝避雷針等。3.3關(guān)于水庫大壩領(lǐng)導(dǎo)下的主要問題由于前述的儀器監(jiān)測只能做到點監(jiān)測,土石壩的非連續(xù)性使得點監(jiān)測有許多局限性,為此巡視檢查就顯得非常重要。目前有許多水庫大壩在下游壩面種草,雖然種草有利于減少雨水對下游壩面的侵蝕,但有可能影響巡視檢查。因此筆者在此強調(diào),對壩面進行的任何“裝飾”和保護時都要考慮到是否影響到巡視檢查。3.4時域反射法tdr為彌補上述儀器監(jiān)測方法的不足和發(fā)現(xiàn)大壩內(nèi)部隱患,人們正在研究一些半自動探測方法,如同位素探測法、電磁探測法等探測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工程得到應(yīng)用。時域反射法(TDR)是在需要監(jiān)測的部位埋設(shè)同軸電纜,若堤壩發(fā)生滑動時,在滑動部位會使電纜變形,通過采用時域反射儀測量電纜變形情況可找出壩體(內(nèi)部)變形所在的部位。同樣光時域反射法(OTDR)是在需要監(jiān)測的部位埋設(shè)光纜,其測量原理與時域反射法相似。若沿壩縱向埋設(shè)同軸電纜或光纜,可較大范圍內(nèi)監(jiān)測大壩的位移。因測量技術(shù)的限制和經(jīng)濟上的原因,目前上述測量技術(shù)有的只能采用人工方法進行測量,有的尚在實驗階段,實現(xiàn)自動化還不成熟,但是上述方法的研究為我們開辟了一條空間或面監(jiān)測的路子,與常規(guī)監(jiān)測結(jié)合起來可以發(fā)揮全面監(jiān)測大壩和相互印證的作用。3.5滲流場的確定在多年工作基礎(chǔ)上,俄國學(xué)者提出“將溫度狀態(tài)作為觀測土石壩性態(tài)的指示因子”的學(xué)術(shù)觀點。瑞典學(xué)者通過計算表明:“當芯墻滲透系數(shù)小于(2～6)×10-7m/s時,壩體溫度變化幾乎是常數(shù),當滲透系數(shù)大于上述值時,可分析溫度的變化較準確地估計其滲透性”。我國學(xué)者也曾應(yīng)用溫度場分析過滲流場。滲流的溫度監(jiān)測是基于水的熱傳導(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)致溫度場的變化而得到的。這一點可以為我們在進行監(jiān)測設(shè)計和資料分析時提供一個新的思路。3.6大壩初期安全監(jiān)測土石壩在運行初期由于滲流、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,為此加強施工期和運行初期的安全監(jiān)測至關(guān)重要。在松濤水庫資料分析時,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,由于沒有得到初期沉降數(shù)據(jù),因此很難同設(shè)計計算比較。因此,監(jiān)測儀器宜早安裝、早檢驗、早投入運行,監(jiān)測資料要及時分析。3.7監(jiān)測儀器的施工期和銀行標準高土石壩在施工期和初始運行期的變形較大,到后來變幅將逐步減少。安全監(jiān)測具有長期性的要求,同時也有時間上的要求,監(jiān)測儀器要求在施工期埋設(shè)安裝,以獲得初始值,而內(nèi)部儀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)測的大量程要求,又要滿足在運行期測值變幅逐步減少后對精度的要求,儀器選型時對此必須注意。3.8壩上面板和下游堆石面的變形統(tǒng)計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,難以準確模擬計算。(2)土石壩中滲流更加復(fù)雜,存在滲透破壞,滲流場與應(yīng)力場、溫度場以及邊界條件的耦合問題。(3)土石壩的破壞形式和破壞機理研究還不夠深入,材料的蠕變和突變特性還有待進一步研究。(4)土石壩觀測資料不僅與壩型、結(jié)構(gòu)、材料和荷載有關(guān),還與施工過程、施工進度、施工方法、運行管理等因素有關(guān)。為此在資料分析中要注意如下幾個問題:(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值物理意義就不一樣,對于芯墻壩在建立變形統(tǒng)計模型時,上游壩體和心墻及下游壩體模型是不同的,同樣對于面板堆石壩面板和下游堆石體的變形機理也不一樣;應(yīng)力計算與任何一個方向的應(yīng)變有關(guān);在嚴寒地區(qū),冬季凍土層深達1～2m,粘性土壩面會發(fā)生凍漲,于是上下游壩面變形測點測值就有不同的解釋。如果儀器測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,要將浸潤面、位勢、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、設(shè)計和計算進行,如上游庫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,必須將實測資料分析同邊坡穩(wěn)定計算結(jié)合起來。在混凝土面板壩面板裂縫成因分析中,經(jīng)過系