科技与生活杂志：水利工程变形监测技术探析 |
| 2012-11-25 19:05 作者：彭金华 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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【硅谷网11月25日文】据《科技与生活》杂志2012年第17期刊文，对于大型水工建筑物，例如混凝土坝，由于水的侧压力、外界温度变化、坝体自重等因素的影响，坝体将会因此而产生沉降、水平位移、倾斜、挠曲等变化，因而需要进行相应内容的变形观测。本文通过结合工程实践，详细地总结出水利工程各种变形监测技术措施，为同行提供参考借鉴。
不同用途的水利工程建（构）筑物，变形观测的要求有所不同。对于大型水工建筑物，例如混凝土坝，由于水的侧压力、外界温度变化、坝体自重等因素的影响，坝体将会因此而产生沉降、水平位移、倾斜、挠曲等变化，因而需要进行相应内容的变形观测。从测量实践表明，变形监测的测量点一般分为基准点、工作点和变形观测点三类。1）基准点。基准点为变形观测系统的基本控制点，其是测定工作点和变形点的依据。基准点通常埋设在稳固的基岩上或变形区域以外,尽可能长期保存,稳定不动。每个工程一般应建立3个基准点，当确认基准点稳定可靠时，也可少于3个。沉降观测的基准点通常成组设置，用以检核工作基准点的稳定性，其检核方法一般采用精密水准测量的方法。位移观测的工作基准点的稳定性检核，通常采用三角测量法进行。变形观测中设置的基准点应进行定期观测，将观测结果进行统计分析，以判断基准点本身的稳定情况。2）工作点。工作点又称工作基点，它是基准点与变形观测点之间起联系作用的点。工作点埋设在被监测对象附近，要求在观测期间保持点位稳定，其点位由基准点定期检测。对通视条件较好或观测项目较少的工程，可不设立工作点，在基准点上直接测定变形观测点。3）变形观测点。变形观测点是直接埋设在变形体上的能反映建（构）筑物变形特征的测量点,又称观测点,一般埋设在建（构）筑物内部,通过测定它们的变化来判断建筑物的沉降与水平位移。
1水利工程变形监测精度和周期
1）变形监测精度。在制定变形观测方案时，首先要确定精度要求。对于重要的工程，如大坝等，则要求“以当时能达到的最高精度为标准进行变形观测”。由于大坝安全监测的极其重要性和目前测量手段的进步，加上测量费用所占工程费用的比例较小。所以，变形观测的精度要求一般较严。
2）变形监测周期。变形观测的时间间隔称为观测周期,即在一定的时间内完成一个周期的测量工作。观测周期与工程的大小、测点所在位置的重要性、观测目的以及观测一次所需时间的长短有关。一般可按荷载的变化或变形的速度来确定。根据观测工作量和参加人数，一个周期可从几小时到几天。观测速度要尽可能地快，以免在观测期间某些标志产生一定的位移。
2水利工程变形监测技术
2.1垂直位移观测
对建（构）筑物及其基础的代表性点位进行的垂直方向位移的测量。不均匀的垂直位移可能导致建（构）筑物裂缝,垂直位移异常有可能是建（构）筑物滑动、建（构）筑物基础失稳、局部破坏等险情的先兆和反映。因此，垂直位移观测也是建（构）筑物安全监测的重要项目。进行垂直位移观测时，首先检验工作基点的稳定性，然后再由工作基点测定各观测点的高程。将首次测得的观测点高程与本次测得的高程相比较，其差值即为两次观测时间间隔内观测点的垂直位移量。按规定垂直位移向下为正，向上为负表示。现设某建（构）筑物观测点在起始观测周期的高程为H0，本次观测周期的高程为Hi，则该点的沉降量δ为：δ=H0–Hi。如果建（构）筑物上有n个沉降观测点,则整个建筑物的平均沉降量为：δ均=∑δ/n，某一时间段内变形值的变化用平均变形速度来表示。例如，在第n和第m观测周期相隔时间t内，观测点的平均沉降速度等于：v均=（δn–δm）/t。若t时间段以月份或年份数表示时,则v均为月平均变化速度或年平均变化速度。
从工程实践情况来看，目前水利工程垂直位移常用的观测方法主要如下：1）几何水准测量法，利用水准仪和水准尺从水准基点开始测量各观测点高程的方法,通过各观测点高程变化求得其垂直位移。2）三角高程测量法。利用三角高程测量原理测定观测点的高程,从而判定该点的变形情况,该法适用于高差较大的工程施工。3）液体静力水准法。利用连通管原理测量各观测点容器内液面高差以测定各点垂直位移的观测方法，适用于混凝土大坝基础廊道和土石坝表面垂直位移观测。
2.2水平位移监测
水利工程建（构）筑物的水平位移是指建（构）筑物的整体平面移动，其原因主要是基础受到水平应力的影响（如地基处于滑坡地带或受地震的影响）。目的是测定平面位置随时间变化的移动量，以监视建（构）筑物的安全或采取加固措施。设建（构）筑物某个点在第n次和第m次观测周期所得相应坐标为xn、yn与xm、ym，则该点的水平位移Δ为：Δx=xn-xm，Δy=yn-ym。同样也可以计算各观测点的平均位移量和平均位移速率。对于水工建筑物,水平位移常用的观测方法主要有：
1）大地测量方法。是水平位移监测的传统方法,主要包括三角网测量法、精密导线测量法、交会法等。另外，利用测量机器人自动观测的特点，可实现变形监测的自动化。
2）基准线法。该方法是水利工程变形监测的常用方法，包括视准线法、引张线法、激光准直法、垂线法等。
3）专用测量方法。该方法即采用专门的仪器和方法测量两点之间的水平位移，主要利用传感器设备，如多点位移计、光纤等。
4）GPS测量。该方法通过利用GPS自动化、全天候观测的特点，在工程的外部布设监测点，可实现高精度、全自动的水平位移监测，该技术已经在我国的部分水利工程中得到应用。
2.3挠度监测
对水利工程挠度的变形检测主要是测定建（构）筑物受力后挠曲程度的工作，主要测定建（构）筑物在铅垂面内各不同高程点相对于底部的水平位移值。对内部有竖直通道的建筑物,挠度观测多采用垂线观测，即从建筑物顶部附近悬挂一根不锈钢丝，下挂重锤，直到建筑物底部。在建筑物不同高程上设置观测点，以坐标仪定期测出各点相对于垂线最低点的位移。比较不同周期的观测成果，即可求得建筑物的挠度值。如果采用电子传感设备，可将观测点相对于垂线的微小位移变换成电感输出，经放大后由电桥测定并显示各点的挠度值，见图1、图2所示。
图1正垂线测量挠度图2倒垂线测量挠度
2.4转动角观测
观测建（构）筑物或机械设备倾斜度的变化，计算其转动角的工作。对水利工程中的建筑物，如水坝，其转动角的大小反映了它不均匀沉降的情况。同沉降观测一样，可用精密水准测量或液体静力水准测量方法测定。对一些精密机械设备，则需采用专门的转动角观测仪。这类仪器主要由一个高灵敏度的气泡水准和一套精密的测微仪器组成。当气泡居中时利用测微仪器进行读数，即得该处的倾斜度。比较不同周期的倾斜度，可以求得观测周期间机械设备的转动角。
2.5裂缝观测
对建（构）筑物产生的裂缝进行位置、长度、宽度、深度和错距等的定期观测。对于土工建筑物表面裂缝，可对全部裂缝或若干主要裂缝区的裂缝进行观测。在观测范围内，以土石坝、土堤等建筑物的轴线为基准线，可按堤坝桩号和距轴线的距离，画出坐标方格，然后采取逐格量测缝的分布位置和沿走向的长度，裂缝宽度可在两侧设带钉头的小木桩作标点进行量测。裂缝错距可作刻度尺直接量测。裂缝深度可选定若干适当位置，进行坑探、槽探或井探，探测前，最好从缝口灌入石灰水，以便观察缝迹。
对于水利工程中的混凝土建筑物表面裂缝，裂缝分布位置和长度可仿照土工建筑物的量测办法进行量测。裂缝深度除可用细铁丝等简易办法探测外，常采用超声波探伤仪进行探测，也可采取逐步钻孔进行压气或压水试验办法探测。裂缝宽度除可用读数放大镜直接观测外，常在缝两侧设金属标点，用游标卡尺量测或将差动式电阻测缝计的两端分别固定在缝的两侧，用电阻比电桥或其他检测仪器观测或自动遥测。贯穿性裂缝的错距可在缝的两侧设三向测缝标点进行三个方向的量测。对于大体积混凝土内部或表面预计可能发生裂缝的部位，可在施工时埋设裂缝计定期进行观测。
3结束语
通过结合实践经验，总结了在水利工程变形监测中各种类型的变形监测方法及其技术的应用情况，表明所介绍方法在水利工程变形监测中应用的可行性。
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