水利工程變形監(jiān)測課件

1、水利工程變形監(jiān)測,主要內(nèi)容,概述監(jiān)測項(xiàng)目及要求監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)小浪底大壩安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計(jì),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，這些工程在國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮了巨大的作用。然而，相當(dāng)一部分大壩存在著某些不安全因素，這些因素不同程度地影響工程效益的發(fā)揮，甚至威脅著下游千百萬人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。世界范圍內(nèi)的最新統(tǒng)計(jì)結(jié)果

2、表明，本世紀(jì)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(jì)的災(zāi)難，這已引起各國政府和人民的普遍關(guān)注。,監(jiān)測系統(tǒng)研究進(jìn)展,監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動(dòng)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(xiàng)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(shí)際，突出重點(diǎn)，兼顧全面，相關(guān)項(xiàng)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(jìn)行重要項(xiàng)目的監(jiān)測。 （2）儀器設(shè)備要耐久、可

3、靠、實(shí)用、有效，力求先進(jìn)和便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化監(jiān)測。 （3）儀器的安裝和埋設(shè)必須及時(shí)，必須按設(shè)計(jì)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(hù)；埋設(shè)完工后，及時(shí)作好初期測讀工作，并繪制竣工圖、填寫考證表，存檔備查。 （4）儀器監(jiān)測嚴(yán)格按照規(guī)程規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行，相關(guān)監(jiān)測項(xiàng)目力求同時(shí)監(jiān)測；針對不同監(jiān)測階段，突出重點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)測；發(fā)現(xiàn)異常，立即復(fù)測；做到監(jiān)測連續(xù)、數(shù)據(jù)可靠、記錄真實(shí)、注記齊全、整理及時(shí)，一旦

4、發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)上報(bào)。 （5）儀器監(jiān)測應(yīng)與巡視檢查相結(jié)合。,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(jì)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(biāo)設(shè)計(jì)階段。提出監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)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)備的檢驗(yàn)、埋設(shè)、安裝、調(diào)試和保護(hù)，應(yīng)繪制竣工圖，編寫埋設(shè)記錄和竣工報(bào)告；應(yīng)固定

5、專人進(jìn)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(shí)進(jìn)行監(jiān)測資料分析，評價(jià)施工期大壩安全狀況，為施工提供決策依據(jù)。 （4）首次蓄水階段。應(yīng)制定首次蓄水的監(jiān)測工作計(jì)劃和主要的設(shè)計(jì)監(jiān)控技術(shù)指標(biāo)；按計(jì)劃要求做好儀器監(jiān)測和巡視檢查；擬定基準(zhǔn)值，定時(shí)對大壩安全狀態(tài)作出評價(jià)并為蓄水提供依據(jù)。 （5）運(yùn)行階段。應(yīng)進(jìn)行經(jīng)常的和特殊情況下的監(jiān)測工作；定期對監(jiān)測設(shè)施進(jìn)行檢查、維護(hù)和鑒定，以確定是否應(yīng)報(bào)廢、封存或繼續(xù)觀測、補(bǔ)充、

6、完善和更新，定期對監(jiān)測資料進(jìn)行整編和分析。,工作狀態(tài)劃分,應(yīng)定期對監(jiān)測結(jié)果進(jìn)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(dá)到設(shè)計(jì)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(xiàng)功能已不能完全滿足設(shè)計(jì)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(xiǎn)情狀態(tài)，指大壩（

7、或監(jiān)測的對象）出現(xiàn)危及安全的嚴(yán)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(jì)條件繼續(xù)運(yùn)行將出現(xiàn)大事故的狀態(tài)。,表13.1 變形監(jiān)測符號,表13.2 水工建筑物監(jiān)測項(xiàng)目,表13.3 安全監(jiān)測次數(shù),13.3 監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(yùn)行可能發(fā)生異常反應(yīng)處。一般不少于

8、2~3個(gè)。 （2）觀測縱斷面。在壩頂?shù)纳嫌位蛳掠蝹?cè)布設(shè)1~2個(gè)，在上游壩坡正常蓄水位以上1個(gè)，正常蓄水位以下可視需要設(shè)臨時(shí)斷面，下游壩坡2~5個(gè)。 （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(gè)，每個(gè)斷面可布設(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。,（1）觀測縱斷面。通常平行壩軸線

9、在壩頂及壩基廊道設(shè)置觀測縱斷面，當(dāng)壩體較高時(shí)，可在中間適當(dāng)增加1~2個(gè)縱斷面。當(dāng)缺少縱向廊道時(shí)，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，并視壩長情況布設(shè)1~3個(gè)斷面。應(yīng)將壩體和地基作為一個(gè)整體進(jìn)行布設(shè)。拱壩的拱冠和拱端一般宜布設(shè)斷面，必要時(shí)也可在l/4拱處布設(shè)。,監(jiān)測斷面布置(混凝土壩),（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(gè)觀測橫斷面。 （2）滑坡

10、體順滑移方向布設(shè)1~3個(gè)觀測斷面，包括主滑線斷面及其兩側(cè)特征斷面。 （3）必要時(shí)可大致按網(wǎng)格法布置。,監(jiān)測斷面布置(滑坡體),水平位移觀測點(diǎn)布置(位移標(biāo)點(diǎn)),（1）土石壩。在每個(gè)橫斷面和縱斷面交點(diǎn)等處布設(shè)位移標(biāo)點(diǎn)，一般每個(gè)橫斷面不少于3個(gè)。位移標(biāo)點(diǎn)的縱向間距，當(dāng)壩長小于300m時(shí)取30~50m，壩長大于300m時(shí)，一般取50~ 100m。 （2）混凝土壩。在觀測縱斷面上的每個(gè)壩段、每個(gè)垛墻或每個(gè)閘墩布設(shè)一個(gè)標(biāo)點(diǎn)，對于重要

11、工:程也可在伸縮縫兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)標(biāo)點(diǎn)。 （3）近壩區(qū)巖體及滑坡體。在近壩區(qū)巖體每個(gè)斷面上至少布設(shè)3個(gè)標(biāo)點(diǎn)，重點(diǎn)布設(shè)在靠壩肩下游面。在滑坡體每個(gè)觀測斷面上的位移標(biāo)點(diǎn)一般不少于3個(gè)，重點(diǎn)布設(shè)在滑坡體后緣起至正常蓄水位之間。,（1）土石壩。在兩岸每一縱排標(biāo)點(diǎn)的延長線上各布設(shè)一個(gè)工作基點(diǎn)。當(dāng)壩軸線為折線或壩長超過500m時(shí)，可在壩身每一縱排標(biāo)點(diǎn)中部增設(shè)工作基點(diǎn)兼作標(biāo)點(diǎn)，工作基點(diǎn)的間距取決于采用的測量儀器。 （2）混凝土壩?？蓪⒐?/p>

12、作基點(diǎn)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(biāo)點(diǎn)較近的穩(wěn)定巖體建立工作基點(diǎn)。,水平位移觀測點(diǎn)布置(工作基點(diǎn)),（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(diǎn)連線的延長線.上各設(shè)1~2個(gè)校核基點(diǎn)，必要時(shí)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(diǎn)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(diǎn)，此時(shí)校核基點(diǎn)與倒垂線的觀測墩宜合二為一。 （

13、3）近壩區(qū)巖體及滑坡體?？蓪⒐ぷ骰c(diǎn)和校核基點(diǎn)組成邊角網(wǎng)或交會(huì)法進(jìn)行觀測。有條件時(shí)也可設(shè)置倒垂線。,水平位移觀測點(diǎn)布置(校核基點(diǎn)),垂直位移測點(diǎn)布置,在通常情況下，垂直位移采用精密水準(zhǔn)測量方法觀測。水準(zhǔn)測量的基準(zhǔn)點(diǎn)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(diǎn)能長期穩(wěn)定，且變形值小于觀測誤差。水準(zhǔn)基點(diǎn)的形式可采用土基標(biāo)、地表巖石標(biāo)、深埋鋼管標(biāo)、雙金屬管標(biāo)等，具體形式可根據(jù)實(shí)際情況確定

14、。一般分別在壩頂及壩基處各布設(shè)一排沉降監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)，在高混凝土壩中間高程廊道內(nèi)和高土石壩的下游馬道上，也應(yīng)適當(dāng)布置觀測標(biāo)點(diǎn)。沉降標(biāo)點(diǎn)可根據(jù)實(shí)際需要采用綜合標(biāo)、混凝土標(biāo)、鋼管標(biāo)、墻上標(biāo)等形式。,表13.4 水平位移監(jiān)測方法,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(jì),工程概況,小浪底水利樞紐是我國目前在建的最大水利樞紐工程之一，工程位于河南省洛陽市以北約40km的黃河干流上，是一座以防

15、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(jī)6臺(tái)，總?cè)萘?800MW，地下廠房長250. 15m，寬26.20m。,圖13-1 小浪底水利樞紐工程,基本觀

16、測斷面,大壩觀測儀器主要布置在三個(gè)橫斷面和兩個(gè)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(diǎn)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(shí)斷面下游壩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(gè)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。,圖1

17、3-2 小浪底大壩外部監(jiān)測系統(tǒng)布置,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(biāo)點(diǎn)既可作為水平變形測量的標(biāo)點(diǎn)又可當(dāng)作豎直變形測量的標(biāo)點(diǎn)。大壩外部變形共布設(shè)測線8條，156個(gè)測點(diǎn)，順河流方向的水平位移采用視準(zhǔn)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(jìn)行觀測；壩體的沉陷采用二等精密水準(zhǔn)進(jìn)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(cuò)動(dòng)觀測，主要采用四種方法進(jìn)行觀測，分別是：

18、測斜儀、堤應(yīng)變計(jì)、界面應(yīng)變計(jì)及鋼弦式沉降計(jì)。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(gè)方向的變形。,滲流監(jiān)測,壩基滲流是該工程的重點(diǎn)監(jiān)測項(xiàng)目，監(jiān)測的重點(diǎn)部位是沿整個(gè)大壩防滲線及斜心墻基礎(chǔ)面的滲壓力。監(jiān)測項(xiàng)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(gè)橫向觀測斷面內(nèi)，另外，在 B—B觀測斷

19、面上游堆石體內(nèi)布置了6支滲壓計(jì)。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。,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(jì)。由于大壩河谷較寬，故考慮按平面問題布設(shè)測點(diǎn)。結(jié)合壩體的計(jì)算情況，沿壩高設(shè)兩排共11組土壓力計(jì)組。,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

20、兩個(gè)橫向、一個(gè)縱向觀測斷面和一個(gè)基礎(chǔ)效應(yīng)臺(tái)，共設(shè)10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，儀器采用數(shù)字式三分量強(qiáng)震儀。,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(jì)和邊界土壓力計(jì)、墻內(nèi)設(shè)應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、無應(yīng)力計(jì)等應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測；另設(shè)傾角計(jì)和堤應(yīng)變計(jì)進(jìn)行墻體變形監(jiān)測。,13.5 大壩安全評判專家系統(tǒng)設(shè)計(jì),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(jìn)的處理方法（4） 美觀的用戶界面（5） 可靠的評判

21、結(jié)果,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)。,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(yùn)行。,數(shù)據(jù)庫及其管理子系統(tǒng),是面向數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、查詢的計(jì)算機(jī)軟件系統(tǒng)，是整個(gè)專家系統(tǒng)運(yùn)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：

22、數(shù)據(jù)資料的采集、錄入、存儲(chǔ)、整編、查詢、傳輸、報(bào)表和圖示等。,方法庫及其管理子系統(tǒng),是用于方法信息的存儲(chǔ)和調(diào)用管理的計(jì)算機(jī)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(yàn)、觀測數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析、監(jiān)控?cái)?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。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。,模型庫及其管理子系統(tǒng),主要提供各類建模程序和儲(chǔ)存建筑物不同部位及測點(diǎn)的各類模型數(shù)據(jù)，并對模

23、型數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)管理。模型庫的主要模型包括：統(tǒng)計(jì)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。,知識庫及其管理子系統(tǒng),是用于知識信息的存儲(chǔ)和使用管理的計(jì)算機(jī)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(biāo)、日常巡視檢查評判標(biāo)準(zhǔn)、觀測中誤差限值、力學(xué)規(guī)律指標(biāo)、領(lǐng)域?qū)＜业闹R和經(jīng)驗(yàn)、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(jìn)行輸入、查詢、修改、刪除等。,綜合分析

24、推理子系統(tǒng),對工程觀測信息進(jìn)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(biāo)進(jìn)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)和資料為異常時(shí)，進(jìn)行成因分析和物理成因分析。并根據(jù)分析成果，發(fā)出報(bào)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(jìn)行頻繁的信息交互。,系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)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(gè)明確而詳

25、細(xì)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(biāo)準(zhǔn)的一致性 由于專家系統(tǒng)涉及多個(gè)學(xué)科，因此，為保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，一般由多個(gè)單位合作開發(fā)，這樣就會(huì)遇到各單位之間技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)應(yīng)與反分析所采用的方法和標(biāo)準(zhǔn)一致，否則，正、反分析所得成果可能會(huì)有較大得差異，從而導(dǎo)致綜合推理的失敗。（3）系統(tǒng)的安全與保密 為保證系統(tǒng)能安全運(yùn)行，資料不遭人為破壞，或保密資料不被非法竊取，系統(tǒng)的