大坝安全与变形监测

目录
一、大坝的作用和影响： (1)
二、大坝可持续条件：安全、老化和维修、泥沙淤积 (1)
三、大坝安全监测： (2)
1.目的和意义： (2)
2．内容与要求： (2)
2.1水平位移观测： (2)
2.1.1 活动觇牌法: (2)
2.1.2小角度法： (3)
2.1.3引张线法： (3)
2.1.4钢丝位移计观测法： (3)
2.2垂直位移观测: (3)
2.2.1精密水准测量 (3)
2.2.2静力水准测量： (4)
2.2.3水管式沉降仪观测： (4)
2.2.4垂直传高观测法： (4)
2.3多维位移观测： (5)
2.3.1挠度观测： (5)
2.3.2激光准直观测： (5)
2.3.3前方交会法： (5)
2.3.4斜测仪观测法： (5)
2.3.5多点位移计观测法： (6)
2.3.6接缝及裂缝观测法： (6)
2.3.7测量机器人和GPS观测法： (6)
四、综述： (6)
大坝的作用及其安全变形监测概述
一、大坝的作用和影响：
1.水电：截止2004年，全世界水电装机总容量为740GW（加上100GW抽
水蓄能电站装机容量），供电2800TWh/a，约占全世界电能的20%，现
有发电量的大约一半在工业化国家。

2.灌溉：将坝用于灌溉的历史已经有好几个世纪，一些坝的寿命已经超过
500年。

1950年以前只有不多的坝高高于20m，1950年以来建的灌溉水
库占总的灌溉水库的90%以上。

全世界有40%的人口从250X106h m2的
灌溉土地上获得粮食，其中30%~40%由水库提供灌溉用水。

3.供水：据国际大坝委员会资料统计，完全和部分用于供水的坝有2500
座，但是难以对其相应的总库容进行评估。

4.枯水季泄水：灌溉与供水的一部分蓄水也可以通过将水泄放到下游河道
以及在下游抽水等方法直接使用。

总的泄水量可能比直接用于这些用途
的泄水量大，而枯水季维持全河流的最小流量是21世纪的一项重要目
标。

我国也正在实施南水北调工程，印度及美国等国家也在大规模实施
调水工程。

5.减洪：大坝可以有效的削减洪峰，从而减少洪水的破坏，减少经济损失，
98年大洪水，大坝在减少洪区灾害时也有不小贡献。

6.航运、娱乐、水产养殖：大约有100座坝专门用于航运，几百座坝部分
用于航运；而专门用于娱乐休闲的“大坝”超过1000座（大部分在美
国），但一般是小型坝，其成本与影响很小；水产养殖也有很大的发展
空间，尽管到目前为止利用比较有限。

二、大坝可持续条件：安全、老化和维修、泥沙淤积
大坝的作用的影响这么大，可以说也是关乎我们生活的各方面，所以如何让保证期持续的运行，其安全监测是必须的。

要是大坝达到零风险几乎是不可能的，但是为了将风险降到最低，必须而且有必要关注大坝的安全。

已建大坝目前失事概率为1/10000，主要是土石坝因洪水漫顶而溃坝；目前数百座大坝是建于1900年前，5000座建于1950年以前，因此老化问题比较严重，而相应的事故风险也较高，因此这些老坝的安全监测与维修也是目前大坝安全方面比较急需解决的问题，大坝的监测在安全方面具有重要的地位；除了大坝本身的变形和年代久远的老化问题外，大坝周围的泥沙淤积问题也是大坝安全的主要问题之一，在40年前全世界都低估了泥沙淤积的问题，原因之一是因为当时建坝的大多数国家很少存在泥沙淤积的问题，其次是因为大多数研究集中在短期的效益上。

现在泥沙淤积的问题已经成为一个全球性的问题。

有报道指出：“已建水库每年损失库容0.5%~1%，平均寿命只有35年；最好的坝址已经被利用，每年增加的库容现在不能将来也不能抵消因泥沙淤积每年减少的库容损失。

”也就是说在2050年以前，已建库容将损失一半，到2100年将全部报废。

未来兴建的库容及其效应将比现在低得多。

因此，在本世纪，大坝的整体作用将逐步减小。

泥沙淤积除了直接影响库容外，流量与沙量的变化可能改变下游河床，甚至破坏河床，在大型水库的库尾还可能产生砂砾三角洲，这些可能会产生不利的影响，在汛期会抬高上游水位，虽然有时也可以作为廉价的建筑材料料源。

三、大坝安全监测：
1.目的和意义：
由于大坝对当代社会的经济发展的影响，对气候等自然环境各方面的影响，大坝的安全防护已经进入我们日常的生活中，大坝的安全监测也是急需完善处理的一项工程。

目前的大坝安全监测主要是通过仪器观测和巡视检查对大坝的坝体、坝基、坝肩、近坝区岸坡及坝周围环境所做的测量和观察。

此处“大坝”是指与大坝有关的各种水工建筑物和设备；“监测”既包含对坝固定测点一定频次的仪器观测，也包含对大坝外表及内部大范围对象的定期和不定期的直接检查和仪器检查。

大坝变形监测是大坝安全监测的重要组成部分，它是利用仪器通过一定的观测手段量测出某点某一时刻的位置与起始位置的变化量，然后将这些观测资料进行综合的分析比较，可以直观的反映大坝的工作状态。

2．内容与要求：
变形监测工作贯穿于坝工建设与运行管理的全过程。

其主要内容也包括：观测方法的研究，仪器设备的选型，监测设计，监测设备的埋设、安装和维护，数据采集、传输和存储，资料的整编与分析，大坝的实测性态的研究和评价等。

而由于大坝的结构形式、尺寸、地形、地质等条件的不同，其观测项目也不完全相同。

一般可根据大坝的具体情况和对观测的要求选定，在观测的过程中，还可以根据实际情况的变化进行适当地调整。

总的来说，变形观测主要项目有：大坝的垂直位移观测，水平位移观测，挠曲，倾斜，基岩变形，滑坡变形，土坝的固结等。

下面对各项观测进行大致的叙述，也仅供参考。

2.1水平位移观测：
包括对坝顶、坝基及坝身不同高程上的水平位移观测。

主要方法：视准线法（包括活动觇牌法和小角度法）、引张线法、钢丝位移计观测法、前方交会观测法、激光准直观测法、测量机器人观测法和GPS 观测法。

2.1.1 活动觇牌法:
视准线法的一种，多用于测定大坝表面的水平位移。

视准线法是以两固定点间的连线作为基准线测量变形观测点到基线间的距离确定偏离值的方法。

即建立一条通过或平行与坝轴的固定不变的视准线，定期观测各位移点
至视准线的垂直距离，计算偏离值的变动情况，借以确定各位移点的位移量及其变化规律。

一般使用精密经纬仪、观测墩和活动或者固定觇标进行位移观测。

可以主要分为：固定端点设站法、中点设站分段观测法、连续设站分段观测法以及逐点设站分段观测法。

主要误差来源有：经纬仪对中误差、固定觇标和活动觇标的对中误差、读数误差、经纬仪的三轴误差（视准轴误差，横轴和竖轴倾斜误差）、活动觇牌的误差、照准误差及大气折光的影响等。

2.1.2小角度法：
采用活动觇牌法，司觇牌者要根据司仪者的指挥使活动觇牌的中心线恰与视准线重合。

当观测距离较远时，影响观测精度和进度。

用小角度法只需在后视的固定工作基点和水平位移点上同时安置固定觇标，测出固定视准线与水平位移标点间的微小夹角，据此计算偏离值。

小角度法的观测仪器及误差来源和活动觇牌法基本相同。

2.1.3引张线法：
引张线法是高精度观测建筑物水平位移的方法，其利用在两个固定的基准点之间张紧一根高强度不锈钢丝作为基准线，用布设在建筑物的各个观测点上的引张线仪或人工光学比测装置，对各测点进行偏离基准线的垂直变化量测测定，从而求得各观测点的水平位移量。

2.1.4钢丝位移计观测法：
钢丝位移计（又名引张线式水平位移计）观测是由受张拉的因瓦合金钢丝构成机械式测量水平位移装置。

一般与水管式沉降仪联合使用，组成水平垂直位移计安置于土石坝内部，钢丝位移计主要用于观测土石坝水平位移。

2.2垂直位移观测:
垂直位移观测一般从基坑开挖开始并贯穿于整个施工及运行阶段，同时，还与水平观测结合起来对大坝进行全面分析，保证大坝安全，验证和丰富坝工的设计理念。

目前主要采用的垂直位移观测方法主要有：几何水准测量方法、流体静力水准测量方法、水管式沉降仪和垂直传高等。

2.2.1精密水准测量
利用精密测量仪器一般使用高精度水准仪进行几何水准测量，由水准基点来校验各起测点是否有变动或者利用起测点测定各垂直位移标点的位移
值，根据测量数据进行综合分析从而来确定大坝是否有变形以及评估大坝的安全性态。

精密水准测量中应当注意的问题：
（1）由于测量路线固定，可以把测站点和转点的位置固定下来，可以减少外界条件变动对观测结果的影响，不仅对提高精度
有很好的作用，而且可以提高作业效率。

（2）在进行水准测量工作前应该进行仪器的检验，尽可能的减少或削弱仪器误差，大致包括水准仪的交叉误差、i角误差、测
微器误差和水准尺的尺长改正误差等。

（3）观测时要进行严格的对光工作，消除视差。

（4）观测过程中要严格按照往返测、奇偶测站的观测顺序及相关测量规范的要求进行观测作业。

2.2.2静力水准测量：
静力水准测量是根据连通器原理设计的，利用由水管的两点或多管间的水位变化，求得建筑物的沉降。

工作原理简单、直观。

不受距离和方向的限制，并能保证同时性和连续性，特别是在大坝廊道内，既可提高效率又可以克服不便进行光学观测的困难，更重要的是便于实现自动记录的遥测，及时预报将要到达的最大观测值。

观测精度与静力水准系统的设备水平和设置环境有关。

条件较好时其精度大大高于几何水准测量。

2.2.3水管式沉降仪观测：
水管式沉降仪也是理由连通器原理来测定坝体内测点垂直位移的观测装置。

即用水管将坝内测点的溢水杯与坝外观测房中的玻璃测量管相连接，使坝内水杯与坝外测量两端都处于同一大气压下，当水杯充满水并溢出后，根据连通器原理，观测房内玻璃管中液面高程即为水杯杯口高程，这样，测得的水杯杯口高程的变化量就是坝内测点的相对于观测房的垂直位移量。

然后通过水准测量等方法测得观测房的绝对沉降后，就可以计算出测点的绝对沉降。

2.2.4垂直传高观测法：
一般的水利枢纽需要将高程从一个高程面传递到另一个高程面，而且通常两个高程面的高差较大，也没有适合的路线进行常规的水准测量，此时一般使用竖直传高的方法，来进行高程的传递。

由于此方法对测量的设备有较高要求所以在测量时要注意以下事项：
（1）丈量高差的标准铟瓦尺必须按照计量局的相应规定进行检定。

（2）测量时应先将带尺悬挂于观测位置凉置10min以上。

（3）严禁有碰损尺子的现象，严防带尺在观测过程中滑落。

（4）进行高差差分观测时，应将承力螺杆松开，使传递丝处于受力状态；观测后，应将承力螺杆顶住加力重锤，减轻传递丝受力。

（5）注意对加力架的转动轴和读书放大装置转动轴的防尘和防锈工作。

（6）注意常给仪器设备及其保护装置表面上上防锈油。

2.3多维位移观测：
大坝的位移观测包括水平和垂直两个方向的位移观测，如果单独进行观测比较耗费人力物力，所以有些观测方法可以同时测量出两个或者两个方向以上的位移量，这样不仅可以为工程降低造价，而且为实际观测提供了方便。

目前主要的观测方法有：挠度观测、激光准直法、测斜仪法、多点位移计法、接缝及裂缝计、测量机器人观测法及GPS大坝变形监测技术等。

2.3.1挠度观测：
挠度观测是利用仪器测定坝体内某条铅直线上不同高程点相对于工作基点的水平位移的观测方法。

其主要是利用铅垂线进行的，将垂线的一端固定在坝顶附近或基岩深处，另一端悬挂重锤或者安装浮子，以保持垂线始终处于铅直状态，沿铅垂线不同高程设置测点，然后借助于垂线仪测量出各测点与铅垂线之间的距离，最后计算挠度。

2.3.2激光准直观测：
由于采用经纬仪准直法观测水平位移时受到经纬仪望远镜放大倍数的限制，当坝体较长时往往误差较大，而激光方向性强、亮度高、单色性和相干性好，因此激光在大坝变形监测中越来越普遍，且精度较高，同时还可以进行垂直位移观测，形成二维激光观测系统。

激光准直观测是由激光器或者激光经纬仪发射一条可见红色激光直接准直，与活动觇牌的原理相同，故亦称为两点准直法。

一般分为大气激光直接准直观测法和真空激光准直观测法。

这两种方法主要区别在于大气激光观测，不可避免的受大气抖动和大气折光的影响，而真空下的激光准直观测方法恰好有效的避免了大气的影响。

2.3.3前方交会法：
前方交会方法主要利用两个或三个已知坐标的固定工作基点，测定位移标点的坐标变化，从而确定其位移情况，是一种纯测量的方法。

2.3.4斜测仪观测法：
斜测仪观测法就是观测坝体内部非径向（轴向）位移的主要观测方法。

其将仪器测斜仪埋设在建筑内部、土体、岩体等的预设管道内滑动，或者固定在管道内的不同位置，通过仪器在管道中的角度变化，根据仪器测试间距按三角函数方法近似计算管道内任意点在某一方向的变形。

根据测斜仪不同可实现水平位移、垂直位移以及斜面的挠度观测。

主要分为滑动式和固定式测斜仪两大类。

活动式测斜仪是将测斜仪安装在测斜管中滑动，逐段测出产生变形后管轴线与铅垂线的
夹角，分段求出水平位移，累加求得总位移量及沿管轴线整个孔深位移的变化情况。

2.3.5多点位移计观测法：
多点位移计法是通过钻孔埋设安装在土石内不同深度内的锚头、与锚头相连的的测杆、与测杆相连的孔口传感器形成的系统来观测锚头与传感器之间的相对位移的监测仪器。

当钻孔内的各个锚固点的岩体产生位移时，经传递杆传到钻孔的基准端，各点的位移量均可在基准端进行观测。

基准端与各观测点之间的位置变化即是测点相对于基准的位移。

2.3.6接缝及裂缝观测法：
接缝是为了施工和其他目的形成的。

裂缝是由于荷载、变形、施工或者碱骨料反应产生的，裂缝的存在和扩展会使相应部件的承载力受到一定程度的削弱；同时结构物裂缝还会引起渗漏、保护层剥落、钢筋腐蚀等，甚至还会危害建筑物的正常运行或缩短建筑物的使用寿命。

因此，对裂缝的监测是为了监测其发展，对工程处理措施是否成功有重要的评估作用。

裂缝及接缝观测一般使用测微器进行观测，测微器法主要应用于测量被监测对象表面的裂缝和接缝，利用测微器对金属标点的距离进行测量，从而计算出变形量。

金属标点分别安装于缝的两边，标点的方向和高度根据设计要求埋设。

2.3.7测量机器人和GPS观测法：
测量机器人和GPS观测方法都是最近发展的一些新式观测方法。

测量机器人是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辨识、和精确照准目标并获取角度、距离、是哪位坐标等信息的智能型电子全站仪。

其通过CCD影像传感器和其他传感器对现实世界中的“目标”进行识别，迅速作出分析、判断与推理，实现自我控制，并完成自动照准、读书等操作，完全代替人的手工操作。

全球定位系统GPS的运用，对水库的大坝进行变形监测，能克服传统手段做存在的诸多缺陷，具有监测精度高、自动化程度高、速度快、全天候、实时、连续、不受天气影响、不受通视条件的影响等优点，还可以实现从数据采集、传输、管理到变形分析及预报的自动化，达到远程在线网络实时监控的目的。

四、综述：
大坝建设目前正处于快速发展阶段，其对我们日常生活的影响也越来越大，我们面临的一些大坝安全问题也在不断出现并且亟待我们去解决，因此大坝的安全监测是一项持久的、不断发展创新的技术，我们要在不断的探索中去发现新的、好的方法进行有效的实践，也要在已有的基础上不断加深研究，挖掘还发现的新思路，新方法。