任務(wù)4 土石壩的變形監(jiān)測

一、概述

變形是大壩結(jié)構(gòu)性態(tài)和安全狀況的最直觀、最有效的反映，是大壩安全監(jiān)測最主要的項(xiàng)目之一。變形監(jiān)測的主要目的是掌握水工建筑物與地基變形的空間分布特征和隨時間變化的規(guī)律，監(jiān)控有害變形及裂縫等的發(fā)展趨勢。

變形監(jiān)測一般分為表面變形監(jiān)測和內(nèi)部變形監(jiān)測，其中表面變形監(jiān)測包括垂直位移和水平位移監(jiān)測；內(nèi)部變形監(jiān)測主要有分層垂直位移、分層水平位移、界面位移、撓度和傾斜監(jiān)測等。水平位移還可以劃分為平行于壩軸線的水平位移和垂直于壩軸線的水平位移。其中平行于壩軸線的水平位移在重力壩中稱為左右岸方向水平位移，在拱壩中稱為切向水平位移，在土石壩中稱為縱向水平位移；垂直于壩軸線的水平位移在重力壩中稱為上下游水平位移，在拱壩中稱為徑向水平位移，在土石壩中稱為橫向水平位移。大壩與地基、高邊坡、地下洞室等變形發(fā)展到一定限度后就會出現(xiàn)裂縫，裂縫的深度、分布范圍、穩(wěn)定性等對結(jié)構(gòu)與地基安全影響重大。同時，為了適應(yīng)溫度及不均勻變形等要求，水工建筑物自身設(shè)計(jì)有各種接縫，接縫處的變形過大將造成止水的撕裂而出現(xiàn)集中滲漏等問題，因此，裂縫監(jiān)測亦不容忽視。

對于土石壩而言，必設(shè)的變形監(jiān)測項(xiàng)目是表面水平位移和表面垂直位移監(jiān)測。

變形觀測的符號規(guī)定如下。

（1）水平位移：向下游為正，向左岸為正；反之為負(fù)。

（2）垂直位移：向下為正，向上為負(fù)。

（3）界面、接（裂）縫及脫空變形：張開（脫開）為正，閉合為負(fù)。相對于穩(wěn)定界面（如混凝土墻、趾板、基巖岸坡等）下沉為正，反之為負(fù)；向左岸或下游為正，反之為負(fù)。

（4）滑移：向坡下為正，向河谷為正，向下游左岸為正，反之為負(fù)。

（5）傾斜：向下游、左岸轉(zhuǎn)動為正，反之為負(fù)。

（6）面板撓度：沉陷為正，隆起為負(fù)。

（7）地下洞室圍巖變形：向洞內(nèi)為正（拉伸），反之為負(fù)（壓縮）。

二、橫向水平位移觀測

橫向水平位移常用的觀測方法有視準(zhǔn)線法、引張線法、激光準(zhǔn)直法、邊角網(wǎng)法、交會法、導(dǎo)線法及GPS技術(shù)等。對于土石壩，橫向水平位移監(jiān)測可采用視準(zhǔn)線法、前方交會法、極坐標(biāo)法和GPS法，下面介紹視準(zhǔn)線法。

（一）視準(zhǔn)線法觀測原理

視準(zhǔn)線法觀測方便、計(jì)算簡單、成果可靠，是觀測水工建筑物水平位移的一種常用方法，其觀測原理見圖1-1。在壩端兩岸山坡上設(shè)工作基點(diǎn)A和B，將經(jīng)緯儀安置在A點(diǎn)上，后視B點(diǎn)，構(gòu)成視準(zhǔn)線。由于A、B點(diǎn)在兩岸山坡上，不受土壩變形影響，因此AB構(gòu)成的視準(zhǔn)線是固定不變的，以此作為觀測壩體變形的基準(zhǔn)線。然后沿視準(zhǔn)線在壩體上每隔適當(dāng)距離埋設(shè)水平位移標(biāo)點(diǎn)，如a、b、c、d、e。測出標(biāo)點(diǎn)中心離視線的距離l_a0、l_b0、l_c0、l_d0、l_e0，作為初測成果，記錄了各位移標(biāo)點(diǎn)與視準(zhǔn)線的相對位置。當(dāng)壩體發(fā)生水平位移后，各位移標(biāo)點(diǎn)與視準(zhǔn)線相對位置發(fā)生變化。再用經(jīng)緯儀安置在工作基點(diǎn)A上，后視B點(diǎn)，可測出各位移標(biāo)點(diǎn)離視準(zhǔn)線的距離l_a1、l_b1、l_c1、l_d1、l_e1，與初測成果的差值即為該位移標(biāo)點(diǎn)在垂直視準(zhǔn)線方向的水平位移量。以c點(diǎn)為例，初測成果為l_c0，變位后離視準(zhǔn)線距離為l_c1，l_c1與l_c0的差值即為位移標(biāo)點(diǎn)c的水平位移量δ_c1。

圖1-1 視準(zhǔn)線法觀測水平位移示意圖

1—工作基點(diǎn)；2—位移標(biāo)點(diǎn)；3—視準(zhǔn)線；4—校核基點(diǎn)

（二）測點(diǎn)的布設(shè)

為了全面掌握土壩的水平位移規(guī)律，同時又不使觀測工作過于繁重，就要在土壩壩體上選擇有代表性的部位布設(shè)適當(dāng)數(shù)量的測點(diǎn)進(jìn)行觀測。水平位移的測點(diǎn)分為三級：位移標(biāo)點(diǎn)、工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)。一般布置原則是：

（1）位移標(biāo)點(diǎn)布置在壩體上。觀測橫斷面選擇在最大壩高處、原河床處、合龍段、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處、壩內(nèi)埋管及運(yùn)行有異常反應(yīng)處，一般不少于3個。

（2）觀測縱斷面一般不少于4個，通常在壩頂?shù)纳嫌巍⑾掠蝺蓚?cè)布設(shè)1～2個；上游壩坡正常蓄水位以上1個，正常蓄水位以下視需要設(shè)臨時測點(diǎn)；下游壩坡半壩高以上1～3個，半壩高以下1～2個（含坡腳處1個）。對軟基上的土石壩，還應(yīng)在下游壩址外側(cè)增設(shè)1～2個。

（3）壩長小于300m時，每排位移標(biāo)點(diǎn)的間距宜取20～50m；壩長大于300m時，宜取 50～100m。

（4）每排位移標(biāo)點(diǎn)延長線兩端山坡上各設(shè)一個工作基點(diǎn)。若壩軸線非直線或軸線長度超過500m，可在壩體每一縱排標(biāo)點(diǎn)中增設(shè)工作基點(diǎn)，并兼做標(biāo)點(diǎn)。

（5）為了校測工作基點(diǎn)有無變動，在兩個工作基點(diǎn)延長線上各埋設(shè)一個校核基點(diǎn)，如圖1-1所示。校核基點(diǎn)也可不設(shè)在視準(zhǔn)線延長線上，而在每個工作基點(diǎn)附近，設(shè)置兩個校核基點(diǎn)，使兩校核基點(diǎn)與工作基點(diǎn)的連線大致垂直，用鋼尺丈量以校測工作基點(diǎn)是否發(fā)生變位。

（6）工作基點(diǎn)與校核基點(diǎn)都應(yīng)布置在堅(jiān)硬的巖石或堅(jiān)固的土基上，應(yīng)為不動點(diǎn)，且能避免自然因素和人為因素的影響。

（三）觀測儀器和設(shè)備

1.觀測儀器

視準(zhǔn)線法觀測水平位移，一般用經(jīng)緯儀進(jìn)行。

一般大型水庫的土壩水平位移，可使用 J6級或 J2級經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測。土壩長度超過 500m以及比較重要的水庫，最好使用 J1級經(jīng)緯儀進(jìn)行觀測。

對于視準(zhǔn)線長度超過 500m （或曲線形壩）的變形觀測可以采用徠卡或拓普康的全站儀觀測。

2.觀測設(shè)備

（1）工作基點(diǎn)。工作基點(diǎn)是供安置經(jīng)緯儀和覘標(biāo)構(gòu)成視準(zhǔn)線的標(biāo)點(diǎn)，有固定工作基點(diǎn)和非固定工作基點(diǎn)兩種。埋設(shè)在兩岸山坡上的工作基點(diǎn)，稱為固定工作基點(diǎn)。當(dāng)大壩較長或折線形壩需要在兩個固定工作基點(diǎn)之間增設(shè)工作基點(diǎn)，這種工作基點(diǎn)埋設(shè)在壩體上，其本身隨壩體變形而發(fā)生位移，故稱為非固定工作基點(diǎn)。

工作基點(diǎn)應(yīng)采用混凝土觀測墩，其高度不宜小于1.2m，頂部應(yīng)設(shè)強(qiáng)制對中裝置，對中誤差不超過±0.1mm，盤面傾斜度不應(yīng)大于4′。建在基巖上的，可直接鑿坑澆筑混凝土埋設(shè)；建在土基上的，應(yīng)對基礎(chǔ)進(jìn)行加固處理。工作基點(diǎn)結(jié)構(gòu)見圖1-2。

圖1-2 工作基點(diǎn)結(jié)構(gòu)示意圖（單位：cm）

1—保護(hù)蓋；2—強(qiáng)制對中基座

（2）校核基點(diǎn)。校核基點(diǎn)的結(jié)構(gòu)基本與工作基點(diǎn)相同。校核基點(diǎn)和工作基點(diǎn)的位置應(yīng)具有良好視線（對空）條件，視線高出（旁離）地面或障礙物距離應(yīng)在1.5m以上，并遠(yuǎn)離高壓線、變電站、發(fā)射臺站等，避免強(qiáng)電磁場的干擾。要求監(jiān)測點(diǎn)旁離障礙物距離1.0m以上。工作基點(diǎn)和校核基點(diǎn)是測定壩體位移的依據(jù)，必須保證其不發(fā)生變位，一般需澆筑在基巖或原狀土層上。

（3）位移標(biāo)點(diǎn)。位移標(biāo)點(diǎn)應(yīng)與被監(jiān)測部位牢固結(jié)合，能切實(shí)反映該位置變形，其埋設(shè)結(jié)構(gòu)可依位移標(biāo)點(diǎn)布設(shè)獨(dú)立設(shè)計(jì)。

（4）觀測覘標(biāo)。位移觀測所用的覘標(biāo)，可分為固定覘標(biāo)和活動覘標(biāo)兩種。

1）固定覘標(biāo)。固定覘標(biāo)設(shè)于后視工作基點(diǎn)上，供經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)構(gòu)成視準(zhǔn)線。

2）活動覘標(biāo)。活動覘標(biāo)是置于位移標(biāo)點(diǎn)上供經(jīng)緯儀瞄準(zhǔn)對點(diǎn)的。

圖1-3為簡易活動覘標(biāo)，覘標(biāo)底緣刻有毫米分劃，其零分劃與覘標(biāo)圖案中線一致，注記分劃向左右增加，供觀測時讀數(shù)用。應(yīng)用簡易活動覘標(biāo)，位移標(biāo)點(diǎn)頂部只需埋設(shè)刻有十字線的鐵板，十字線中心即為位移標(biāo)點(diǎn)中心。

（四）觀測方法

圖1-3 簡易活動覘標(biāo)

用視線法觀測水平位移，視線長度受光學(xué)儀器的限制，一般前視位移標(biāo)點(diǎn)的視線長度在 250～300m之內(nèi)，可保證要求的精度。壩長超過 500m或折線形壩，則需增設(shè)非固定工作基點(diǎn)，以提高精度。觀測方法有活動覘牌法和小角法，下面介紹活動覘牌法。

1.壩長小于 500m

對于壩長小于 500m的壩，壩體位移標(biāo)點(diǎn)可分別由兩端工作基點(diǎn)觀測，使前視距離不超過 250m。觀測時，在工作基點(diǎn) A上安置經(jīng)緯儀，后視另一端的工作基點(diǎn) B的固定覘標(biāo)，固定經(jīng)緯儀上下盤。然后前視離基點(diǎn) A二分之一壩長范圍內(nèi)的位移標(biāo)點(diǎn)。觀測每個位移標(biāo)點(diǎn)時，用旗語或報話機(jī)指揮位于標(biāo)點(diǎn)的持標(biāo)者，移動位移標(biāo)點(diǎn)上的活動覘標(biāo)，使覘標(biāo)中心線與望遠(yuǎn)鏡豎絲重合，由持標(biāo)者讀出活動覘標(biāo)分劃尺上位移標(biāo)點(diǎn)中心所對的讀數(shù)，讀數(shù)兩次取均值。再倒鏡觀測一次，取正倒鏡兩次讀數(shù)的平均值作為第一測回的成果，正鏡或倒鏡兩次讀數(shù)差應(yīng)不大于2mm。同法再測第二測回，兩測回觀測值之差應(yīng)不大于1.5mm。如此，依次觀測工作基點(diǎn) A至壩長中點(diǎn)之間的位移標(biāo)點(diǎn)。再在工作基點(diǎn) B上安置經(jīng)緯儀，后視工作基點(diǎn) A，依次觀測壩長中點(diǎn)至工作基點(diǎn) B之間的位移標(biāo)點(diǎn)。

視準(zhǔn)線法觀測水平位移的記錄表，可參考表1-5格式。

2.壩長大于 500m

當(dāng)壩長超過 500m，觀測位移標(biāo)點(diǎn)的視距超過 250m，因此，需在壩體中間增設(shè)非固定工作基點(diǎn)。如圖1-8所示，在視準(zhǔn)線中點(diǎn)附近壩體增設(shè)非固定工作基點(diǎn) M。當(dāng)壩體發(fā)生變形后，M點(diǎn)也隨壩體發(fā)生位移至M′。進(jìn)行位移觀測時，首先由工作基點(diǎn) A和 B，測定 M′點(diǎn)的位移量。觀測應(yīng)進(jìn)行 2個測回，各測回成果與平均值的偏差應(yīng)不大于 2mm，然后將經(jīng)緯儀安置在M′點(diǎn)后視 A和 B，觀測M′前后各 250m范圍內(nèi)位移標(biāo)點(diǎn)的位移量。其他位移標(biāo)點(diǎn)由固定工作基點(diǎn) A和 B后視M′進(jìn)行觀測，如圖1-4所示。

由于視準(zhǔn)線法觀測位移的視線不宜超過 300m，故即使增設(shè)非固定工作基點(diǎn)，最大壩長不宜超過 100m。對壩長超過 1200m的壩，則應(yīng)采用其他方法，如前方交會法等進(jìn)行觀測。

三、垂直位移觀測

垂直位移是大壩安全監(jiān)測的主要項(xiàng)目之一，常用的方法有精密水準(zhǔn)測量法、靜力水準(zhǔn)測量法、三角高程法及GPS技術(shù)等。

圖1-4 長壩增設(shè)非固定工作基點(diǎn)觀測位移示意圖

土石壩垂直位移觀測周期與水平位移觀測周期一樣，通常兩項(xiàng)觀測同期進(jìn)行。土石壩、混凝土壩的垂直位移都可用上述幾種方法進(jìn)行觀測。為敘述方便、避免重復(fù)，在本節(jié)統(tǒng)一介紹。

（一）精密水準(zhǔn)測量法

精密水準(zhǔn)測量法是目前大壩垂直位移觀測的主要方法。用精密水準(zhǔn)測量法監(jiān)測大壩垂直位移時，應(yīng)盡量組成水準(zhǔn)網(wǎng)。一般采用三級點(diǎn)位——水準(zhǔn)基點(diǎn)、起測基點(diǎn)和位移標(biāo)點(diǎn)；兩級控制——由起測基點(diǎn)觀測垂直位移標(biāo)點(diǎn)，再由水準(zhǔn)基點(diǎn)校測起測基點(diǎn)。如大壩規(guī)模較小，也可由水準(zhǔn)基點(diǎn)直接觀測位移標(biāo)點(diǎn)，水準(zhǔn)基點(diǎn)和起測基點(diǎn)設(shè)在大壩兩岸不受壩體變形影響的部位，垂直位移標(biāo)點(diǎn)布設(shè)在壩體表面，通過觀測位移標(biāo)點(diǎn)相對水準(zhǔn)基點(diǎn)的高程變化計(jì)算測點(diǎn)垂直位移值。每次觀測進(jìn)行兩個測回，每個測回對測點(diǎn)測讀3次。觀測的往返閉合差按《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。垂直位移的計(jì)算公式如下：

式中：ΔZ_i為第i次測得測點(diǎn)的累計(jì)垂直位移；Z₀、Z_i為測點(diǎn)的始測高程和第i次測得的高程。

測點(diǎn)的間隔垂直位移由下式計(jì)算：

式中：ΔZ_ji為第i次測得的間隔垂直位移，其余符號意義同式（1-1）。

土石壩垂直位移觀測的測點(diǎn)布置要求與水平位移測點(diǎn)布置要求一樣。因此，垂直位移測點(diǎn)與水平位移測點(diǎn)常結(jié)合在一起，只須在水平位移標(biāo)點(diǎn)頂部的觀測盤上加制一個圓頂?shù)慕饘贅?biāo)點(diǎn)頭。

（二）靜力水準(zhǔn)測量法

靜力水準(zhǔn)測量法又稱連通管法。該法采用水力學(xué)連通管原理，用充水連通管連接起測基點(diǎn)和各位移標(biāo)點(diǎn)，以連通管中水面線與起測基點(diǎn)高差確定水面線高程，通過測量各位移標(biāo)點(diǎn)同水面線的高差獲得各位移標(biāo)點(diǎn)高程，各位移標(biāo)點(diǎn)高程與其始測高程的差值即為該位移標(biāo)點(diǎn)的累計(jì)垂直位移。靜力水準(zhǔn)垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)示意圖見圖1-5。

圖1-5 靜力水準(zhǔn)垂直位移監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

（三）三角高程法

隨著全站儀、光電測距儀的研發(fā)應(yīng)用及對大氣折射等領(lǐng)域研究的快速發(fā)展，三角高程測量已接近或達(dá)到了一等水準(zhǔn)測量的精度。三角高程測量具有外業(yè)簡單、觀測快速，可以測量水準(zhǔn)測量難以達(dá)到的高程等優(yōu)點(diǎn)。

四、裂縫觀測

根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（SL 551—2012）的規(guī)定，對已建壩的表面裂縫（非干縮、冰凍縫），凡縫寬大于5mm，縫長大于5m，縫深大于2m的縱、橫向裂縫，以及危及大壩安全的裂縫，均應(yīng)橫跨裂縫布置表面測點(diǎn)進(jìn)行裂縫開合度監(jiān)測。裂縫的觀測內(nèi)容包括裂縫的位置、走向、長度、寬度和深度等，詳見表1-6。

觀測裂縫位置時，可在裂縫地段按土壩樁號和距離。用石灰或小木樁畫出大小適宜的方格網(wǎng)進(jìn)行測量，并繪制裂縫平面圖。裂縫長度可用皮尺沿縫跡測量。對于縫寬，可在整條縫上選擇幾個有代表性的測點(diǎn)，在測點(diǎn)處裂縫兩側(cè)各打一排小木樁，木樁間距以50cm為宜。木樁頂部各打一小鐵釘。用鋼尺量測兩鐵釘距離，其距離的變化量即為縫寬變化量。也可在測點(diǎn)處撤石灰水，直接用尺量測縫寬。裂縫深度觀測，可在裂縫中灌人石灰水，然后挖坑或鉆孔探測，深度以挖至裂縫盡頭為準(zhǔn)，可量測縫深和走向。對表面裂縫的長度和可見深度的測量，應(yīng)精確到1cm，寬度應(yīng)精確到0.2mm；對于深層裂縫，除按表面裂縫的要求測量裂縫深度和寬度外，還應(yīng)測定裂縫走向，精確到0.5°。

土壩裂縫巡測的測次，應(yīng)視裂縫發(fā)展情況而定。在裂縫發(fā)生的初期，應(yīng)每天巡測1次。待裂縫發(fā)展緩慢后，可適當(dāng)延長間隔時間。但在裂縫有明顯發(fā)展和庫水位驟變時，應(yīng)加密測次。雨后還應(yīng)加測。特別是對于可能出現(xiàn)滑坡的裂縫，在變化階段，應(yīng)每隔1～2h巡測1次。