變形監(jiān)測技術(shù)與應(yīng)用13章

1、第13章 水利工程變形監(jiān)測,主要內(nèi)容：概述監(jiān)測項目及要求監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,第13章 水利工程變形監(jiān)測,13.1 概述,13.1 概述,監(jiān)測工作的重要性,建國以來，我國共修建8.3萬余座堤壩，其中15米以上大壩有1.9萬多座，30米以上大壩有近3000座，安全問題至關(guān)重要。世界范圍內(nèi)的最新統(tǒng)計結(jié)果表明，本世紀已建壩總的失事比例約為1%，一旦大壩失事，將引起難以估計的災(zāi)難，這已

2、引起各國政府和人民的普遍關(guān)注。,13.1 概述,監(jiān)測系統(tǒng)研究進展,監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集 監(jiān)測信息處理系統(tǒng)的研究開發(fā) 綜合評判專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,13.1 概述,監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集 監(jiān)測信息處理系統(tǒng)的研究開發(fā) 綜合評判專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,13.1 概述,變形、位移、裂縫監(jiān)測儀器,滲流、滲壓監(jiān)測儀器,應(yīng)力應(yīng)變溫度監(jiān)測儀器,監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集 監(jiān)測信息處理系統(tǒng)的研究開發(fā) 綜合評判專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,13.1 概述,監(jiān)測數(shù)據(jù)的

3、自動采集 監(jiān)測信息處理系統(tǒng)的研究開發(fā) 綜合評判專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,DSIMS大壩安全監(jiān)控管理系統(tǒng)軟件,在線監(jiān)測,測值預(yù)報,數(shù)據(jù)管理,系統(tǒng)管理,遠程服務(wù),13.1 概述,監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集 監(jiān)測信息處理系統(tǒng)的研究開發(fā) 綜合評判專家系統(tǒng)的開發(fā)研究,13.2 監(jiān)測項目及要求,工作原則,（1）監(jiān)測儀器和設(shè)施的布置，應(yīng)明確監(jiān)測目的，緊密結(jié)合工程實際，突出重點，兼顧全面，相關(guān)項目統(tǒng)籌安排，配合布置。應(yīng)保證具有在惡劣氣候條件下仍能進行重要項

4、目的監(jiān)測。 （2）儀器設(shè)備要耐久、可靠、實用、有效，力求先進和便于實現(xiàn)自動化監(jiān)測。 （3）儀器的安裝和埋設(shè)必須及時，必須按設(shè)計要求精心施工，應(yīng)保證第一次蓄水期能夠獲得必要的監(jiān)測成果，并應(yīng)做好儀器的保護；埋設(shè)完工后，及時作好初期測讀工作，并繪制竣工圖、填寫考證表，存檔備查。,13.2 監(jiān)測項目及要求,工作原則,（4）儀器監(jiān)測嚴格按照規(guī)程規(guī)范和設(shè)計要求進行，相關(guān)監(jiān)測項目力求同時監(jiān)測；針對不同監(jiān)測階段，突出重點進行監(jiān)測；發(fā)現(xiàn)異

5、常，立即復(fù)測；做到監(jiān)測連續(xù)、數(shù)據(jù)可靠、記錄真實、注記齊全、整理及時，一旦發(fā)現(xiàn)問題，及時上報。（5）儀器監(jiān)測應(yīng)與巡視檢查相結(jié)合。,13.2 監(jiān)測項目及要求,基本要求,（1）可行性研究階段。提出安全監(jiān)測系統(tǒng)的總體設(shè)計專題、監(jiān)測儀器及設(shè)備的數(shù)量；監(jiān)測系統(tǒng)的工程概算。（2）招標設(shè)計階段。提出監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計文件，包括監(jiān)測系統(tǒng)布置圖、儀器設(shè)備清單、各監(jiān)測儀器設(shè)施的安裝技術(shù)要求、測次要求及工程預(yù)算等。（3）施工階段。提出施工詳圖，應(yīng)做好儀器設(shè)備的

6、檢驗、埋設(shè)、安裝、調(diào)試和保護，應(yīng)繪制竣工圖，編寫埋設(shè)記錄和竣工報告；應(yīng)固定專人進行監(jiān)測工作，保證監(jiān)測設(shè)施完好和監(jiān)測數(shù)據(jù)連續(xù)、可靠、完整，應(yīng)按時進行監(jiān)測資料分析，評價施工期大壩安全狀況，為施工提供決策依據(jù)。,13.2 監(jiān)測項目及要求,基本要求,（4）首次蓄水階段。應(yīng)制定首次蓄水的監(jiān)測工作計劃和主要的設(shè)計監(jiān)控技術(shù)指標；按計劃要求做好儀器監(jiān)測和巡視檢查；擬定基準值，定時對大壩安全狀態(tài)作出評價并為蓄水提供依據(jù)。（5）運行階段。應(yīng)進行經(jīng)常的和特

7、殊情況下的監(jiān)測工作；定期對監(jiān)測設(shè)施進行檢查、維護和鑒定，以確定是否應(yīng)報廢、封存或繼續(xù)觀測、補充、完善和更新，定期對監(jiān)測資料進行整編和分析。,13.2 監(jiān)測項目及要求,工作狀態(tài)劃分,應(yīng)定期對監(jiān)測結(jié)果進行分析研究，并按下列類型對大壩的工作狀態(tài)作出評估：（1）正常狀態(tài)，指大壩（或監(jiān)測的對象）達到設(shè)計要求的功能，不存在影響正常使用的缺陷，且各主要監(jiān)測量的變化處于正常情況下的狀態(tài)。（2）異常狀態(tài)，指大壩（或監(jiān)測的對象）的某項功能已不能完全滿足

8、設(shè)計要求，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)某些異常，因而影響正常使用的狀態(tài)。（3）險情狀態(tài)，指大壩（或監(jiān)測的對象）出現(xiàn)危及安全的嚴重缺陷，或環(huán)境中某些危及安全的因素正在加劇，或主要監(jiān)測量出現(xiàn)較大異常，若按設(shè)計條件繼續(xù)運行將出現(xiàn)大事故的狀態(tài)。,13.2 監(jiān)測項目及要求,表13.1 變形監(jiān)測符號,13.2 監(jiān)測項目及要求,表13.2 水工建筑物監(jiān)測項目,13.2 監(jiān)測項目及要求,13.2 監(jiān)測項目及要求,表13.3 安全監(jiān)測次數(shù),13.3

9、監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,監(jiān)測斷面布置(土石壩),（1）觀測橫斷面。布置在最大壩高、原河床處、合龍段、地形突變處、地質(zhì)條件復(fù)雜處、壩內(nèi)埋管或運行可能發(fā)生異常反應(yīng)處。一般不少于2~3個。（2）觀測縱斷面。在壩頂?shù)纳嫌位蛳掠蝹?cè)布設(shè)1~2個，在上游壩坡正常蓄水位以上1個，正常蓄水位以下可視需要設(shè)臨時斷面，下游壩坡2~5個。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,監(jiān)測斷面布置(土石壩),（3）內(nèi)部斷面。一般布置在最大斷面及其它特征斷面處，可視需要布設(shè)1~3個，每個斷

10、面可布設(shè)1~3條觀測垂線，各觀測垂線還應(yīng)盡量形成縱向觀測斷面。 界面位移一般布設(shè)在壩體與岸坡連接處，不同壩料的組合壩型交界處及土壩與混凝土建筑物連接處。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,監(jiān)測斷面布置(混凝土壩),（1）觀測縱斷面。通常平行壩軸線在壩頂及壩基廊道設(shè)置觀測縱斷面，當壩體較高時，可在中間適當增加1~2個縱斷面。當缺少縱向廊道時，也可布設(shè)在平行壩軸線的下游壩面上。（2）內(nèi)部斷面。布置在最大壩高壩段或地質(zhì)和結(jié)構(gòu)復(fù)雜壩段，并視壩

11、長情況布設(shè)1~3個斷面。應(yīng)將壩體和地基作為一個整體進行布設(shè)。拱壩的拱冠和拱端一般宜布設(shè)斷面，必要時也可在l/4拱處布設(shè)。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,監(jiān)測斷面布置(滑坡體),（1）兩壩肩附近的近壩區(qū)巖體。垂直壩軸線方向各布設(shè)1~2個觀測橫斷面。（2）滑坡體順滑移方向布設(shè)1~3個觀測斷面，包括主滑線斷面及其兩側(cè)特征斷面。（3）必要時可大致按網(wǎng)格法布置。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,水平位移觀測點布置(位移標點),（1）土石壩。在每個橫斷面

12、和縱斷面交點等處布設(shè)位移標點，一般每個橫斷面不少于3個。位移標點的縱向間距，當壩長小于300m時取30~50m，壩長大于300m時，一般取50~100m。（2）混凝土壩。在觀測縱斷面上的每個壩段、每個垛墻或每個閘墩布設(shè)一個標點，對于重要工:程也可在伸縮縫兩側(cè)各布設(shè)一個標點。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,水平位移觀測點布置(位移標點),（3）近壩區(qū)巖體及滑坡體。在近壩區(qū)巖體每個斷面上至少布設(shè)3個標點，重點布設(shè)在靠壩肩下游面。在滑坡體每個觀

13、測斷面上的位移標點一般不少于3個，重點布設(shè)在滑坡體后緣起至正常蓄水位之間。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,水平位移觀測點布置(工作基點),（1）土石壩。在兩岸每一縱排標點的延長線上各布設(shè)一個工作基點。當壩軸線為折線或壩長超過500m時，可在壩身每一縱排標點中部增設(shè)工作基點兼作標點，工作基點的間距取決于采用的測量儀器。（2）混凝土壩?？蓪⒐ぷ骰c布設(shè)在兩岸山體的巖洞內(nèi)或位移測線延長線的穩(wěn)定巖體上。（3）近壩區(qū)巖體及滑坡體。選擇距觀測標點較

14、近的穩(wěn)定巖體建立工作基點。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,水平位移觀測點布置(校核基點),（1）土石壩。一般仍采用延長方向線法，即在兩岸同排工作基點連線的延長線.上各設(shè)1~2個校核基點，必要時可設(shè)置倒垂線或采用邊角網(wǎng)定位。（2）混凝土壩。校核基點可布設(shè)在兩岸灌漿廊道內(nèi)，也可采用倒垂線作為校核基點，此時校核基點與倒垂線的觀測墩宜合二為一。（3）近壩區(qū)巖體及滑坡體?？蓪⒐ぷ骰c和校核基點組成邊角網(wǎng)或交會法進行觀測。有條件時也可設(shè)置倒垂線。,

15、13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,垂直位移測點布置,在通常情況下，垂直位移采用精密水準測量方法觀測。水準測量的基準點應(yīng)根據(jù)工程建筑物的規(guī)模、受力區(qū)范圍、地形地質(zhì)條件及觀測精度要求等綜合考慮，原則上要求這種類型的點能長期穩(wěn)定，且變形值小于觀測誤差。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,垂直位移測點布置,水準基點的形式可采用土基標、地表巖石標、深埋鋼管標、雙金屬管標等，具體形式可根據(jù)實際情況確定。一般分別在壩頂及壩基處各布設(shè)一排沉降監(jiān)測標點，在高混凝土壩

16、中間高程廊道內(nèi)和高土石壩的下游馬道上，也應(yīng)適當布置觀測標點。沉降標點可根據(jù)實際需要采用綜合標、混凝土標、鋼管標、墻上標等形式。,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,表13.4 水平位移監(jiān)測方法,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,表13.5 垂直位移監(jiān)測方法,13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計,表13.5 垂直位移監(jiān)測方法,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,工程概況,小浪底水利樞紐位于河南省洛陽市以

17、北約40km的黃河干流上，是一座以防洪、防凌、減淤為主，兼顧發(fā)電、灌溉、供水等綜合利用的水利樞紐工程。 樞紐由大壩、泄洪排沙建筑物、水電站等組成。 大壩為壤土斜心墻堆石壩，最大壩高154m，總庫容126.5億m3， 泄洪排沙建筑物由三條孔板泄洪洞、三條明流泄洪洞、三條排沙洞和正常溢洪道及非常溢洪道組成，水電站系統(tǒng)由六條引水洞發(fā)電、地下廠房和三條尾水洞組成，電站裝機6臺，總?cè)萘?800MW，地下廠房長250. 15m，寬26.20

18、m。,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,圖13-1 小浪底水利樞紐工程,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,基本觀測斷面,大壩儀器主要布置在三個橫斷面和兩個縱斷面上；A—A觀測斷面位于F1斷層破碎帶處，F(xiàn)1斷層對大壩的影響較大，是重點觀測部位； B—B觀測斷面位于最大壩高處，而且覆蓋層最深(70多米)，是壩體的典型觀測斷面； C—C觀測斷面位于左岸，該斷面防滲體基本上處于巖石基礎(chǔ)和河床覆蓋層的交界部位，同時斷面下游壩

19、軸線上有一基巖陡坎，使其變形比較復(fù)雜，有引起裂縫的可能。兩個縱斷面為沿斜心墻軸線的斷面D—D及沿壩軸線的斷面E—E。,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,圖13-2 小浪底大壩外部監(jiān)測系統(tǒng)布置,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,變形監(jiān)測,大壩的外部變形觀測分為水平變形和豎直變形兩部分。壩體表面的觀測標點既可作為水平變形測量的標點又可當作豎直變形測量的標點。大壩外部變形共布設(shè)測線8條，156個測點，順河流方向的水平位移采用視

20、準線法或小角度法觀測；沿壩軸線方向的水平位移采用量距法進行觀測；壩體的沉陷采用二等精密水準進行施測。壩體內(nèi)部變形觀測主要有水平位移觀測、垂直位移觀測及界面相對錯動觀測，主要采用四種方法進行觀測，分別是：測斜儀、堤應(yīng)變計、界面應(yīng)變計及鋼弦式沉降計。,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,變形監(jiān)測,大壩共設(shè)有17支測斜管，分別以垂直向、傾斜向及水平向三種方式埋設(shè)，并在一定的間距安裝有沉降環(huán)，以測量壩體三個方向的變形。,13.4 小浪底

21、大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,滲流監(jiān)測,壩基滲流是該工程的重點監(jiān)測項目，監(jiān)測的重點部位是沿整個大壩防滲線及斜心墻基礎(chǔ)面的滲壓力。監(jiān)測項目包括繞壩滲流、壩體內(nèi)的孔隙水壓力和浸潤線分布。對F1斷層兩側(cè)及右岸灘地也需要監(jiān)測其滲流穩(wěn)定性。壩體滲壓監(jiān)測儀器主要布置在三個橫向觀測斷面內(nèi)，另外，在 B—B觀測斷面上游堆石體內(nèi)布置了6支滲壓計。為了監(jiān)測F1斷層及其兩側(cè)破碎帶的滲流穩(wěn)定性，沿F1斷層壩基下共布設(shè)有15支滲流觀測儀器。,13.4 小浪底大壩

22、安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,土壓力監(jiān)測,土壓力監(jiān)測分為土體中應(yīng)力和邊界土壓力兩類，前者設(shè)置在壩體主觀測斷面內(nèi)，后者設(shè)置在基礎(chǔ)界面上。壩體應(yīng)力觀測采用土壓力計。由于大壩河谷較寬，故考慮按平面問題布設(shè)測點。結(jié)合壩體的計算情況，沿壩高設(shè)兩排共11組土壓力計組。,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,地震反應(yīng)監(jiān)測,壩址區(qū)基本烈度為7度，地震反應(yīng)監(jiān)測對象主要是3度以上的地震反應(yīng)。設(shè)置兩個橫向、一個縱向觀測斷面和一個基礎(chǔ)效應(yīng)臺，共設(shè)10個監(jiān)測點，儀器

23、采用數(shù)字式三分量強震儀。,13.4 小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計,混凝土防滲墻監(jiān)測,混凝土防滲墻分為主壩防滲墻和圍堰防滲墻監(jiān)測。主壩防滲墻墻外設(shè)滲壓計和邊界土壓力計、墻內(nèi)設(shè)應(yīng)變計、鋼筋計、無應(yīng)力計等應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；另設(shè)傾角計和堤應(yīng)變計進行墻體變形監(jiān)測。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,基本要求,（1） 合理的開發(fā)環(huán)境（2） 完整的系統(tǒng)功能（3） 先進的處理方法（4） 美觀的用戶界面（5） 可靠的評判結(jié)果,13.5 大壩安全評

24、判專家系統(tǒng)設(shè)計,基本結(jié)構(gòu),（1）數(shù)據(jù)庫及其管理子系統(tǒng)；（2）模型庫及其管理子系統(tǒng)；（3）方法庫及其管理子系統(tǒng)；（4）知識庫及其管理子系統(tǒng)；（5）綜合分析推理子系統(tǒng)。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)總控,建立各子系統(tǒng)之間的聯(lián)系，提供系統(tǒng)主菜單及選單功能，控制各庫和各子系統(tǒng)的協(xié)調(diào)運行。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,數(shù)據(jù)庫及其管理子系統(tǒng),是面向數(shù)據(jù)信息存儲、查詢的計算機軟件系統(tǒng)，是

25、整個專家系統(tǒng)運行的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)庫的主要內(nèi)容包括：工程檔案庫、觀測儀器特征庫、觀測數(shù)據(jù)庫等。數(shù)據(jù)庫的管理工作主要包括：數(shù)據(jù)資料的采集、錄入、存儲、整編、查詢、傳輸、報表和圖示等。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,方法庫及其管理子系統(tǒng),是用于方法信息的存儲和調(diào)用管理的計算機軟件系統(tǒng)。方法庫的方法主要包括：觀測數(shù)據(jù)預(yù)處理和檢驗、觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、監(jiān)控數(shù)學(xué)模型、結(jié)構(gòu)分析程序集、滲流場分析程序集、反分析程序集、綜合分析模塊、輔助決策模塊等

26、。方法庫的管理工作主要包括：方法的添加、刪除、修改、調(diào)用等。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,模型庫及其管理子系統(tǒng),主要提供各類建模程序和儲存建筑物不同部位及測點的各類模型數(shù)據(jù)，并對模型數(shù)據(jù)進行系統(tǒng)管理。模型庫的主要模型包括：統(tǒng)計模型、確定性模型、混合模型、空間位移場模型等。模型庫的管理工作主要包括：模型的建立、查詢、修改、刪除等。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,知識庫及其管理子系統(tǒng),是用于知識信息存儲和使用管理的計算機

27、軟件系統(tǒng)。本模塊的主要知識內(nèi)容包括：建筑物的監(jiān)控指標、日常巡視檢查評判標準、觀測中誤差限值、力學(xué)規(guī)律指標、領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗、規(guī)程、規(guī)范的有關(guān)條款等。對知識庫的管理主要是對知識庫進行輸入、查詢、修改、刪除等。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,綜合分析推理子系統(tǒng),對工程觀測信息進行綜合分析和處理，其功能主要包括把各類經(jīng)整編后的觀測數(shù)據(jù)和觀測資料與各類評判指標進行比較，從而識別觀測數(shù)據(jù)和資料的正?；虍惓Ｐ再|(zhì)。在判斷觀測數(shù)據(jù)和資料

28、為異常時，進行成因分析和物理成因分析。并根據(jù)分析成果，發(fā)出報警信息或提供輔助決策信息。綜合分析推理子系統(tǒng)需要與數(shù)據(jù)庫、模型庫、方法庫、知識庫進行頻繁的信息交互。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,圖13-5 綜合分析推理流程,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題,（1）數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)同性 為保證數(shù)據(jù)通訊的正確性，應(yīng)建立一個明確而詳細的數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，以保證數(shù)據(jù)的協(xié)調(diào)一致。（2）技術(shù)標準的一致性

29、 由于專家系統(tǒng)涉及多個學(xué)科，因此，為保證系統(tǒng)的先進性，一般由多個單位合作開發(fā)，這樣就會遇到各單位之間技術(shù)標準的一致性問題，如在結(jié)構(gòu)分析中，正分析所采用的方法和標準應(yīng)與反分析所采用的方法和標準一致，否則，正、反分析所得成果可能會有較大得差異，從而導(dǎo)致綜合推理的失敗。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計,系統(tǒng)設(shè)計中的幾個問題,（3）系統(tǒng)的安全與保密 為保證系統(tǒng)能安全運行，資料不遭人為破壞，或保密資料不被非法竊取，系統(tǒng)的每個