摘 要 由于水壓引起的水壩變形，對(duì)水庫(kù)的安全構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此必須對(duì)水壩變形進(jìn)行連續(xù)而精密的觀測(cè)。本文作者結(jié)合自身多年的水利工作經(jīng)驗(yàn)，探討了水利工程安全措施，介紹了世界先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以供同行交流。

關(guān)鍵詞 水利工程；工程安全；變形監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào) TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1673-9671-（2012）112-0112-02

水利工程變形監(jiān)測(cè)是水工建設(shè)中不可缺少的一個(gè)組成部分，無(wú)論是在水利樞紐工程的勘測(cè)設(shè)計(jì)階段，還是在施工建造階段，以及其后的運(yùn)營(yíng)管理階段中，都要進(jìn)行相應(yīng)內(nèi)容的測(cè)量工作。在水利樞紐中，大壩是最重要的建筑物，因此要定期或不定期地對(duì)其進(jìn)行變形觀測(cè)，以監(jiān)視安全并且為科研之需。我們常把用工程測(cè)量的方法觀測(cè)水工建筑物幾何形狀的空間變化稱為外部變形觀測(cè)。包括水平位移觀測(cè)、垂直位移觀測(cè)、撓度觀測(cè)和傾斜觀測(cè)等。其觀測(cè)范圍不僅包括建筑物的基礎(chǔ)、建筑物本身，還包括建筑物附近受水壓力影響的部分地區(qū)。在這一時(shí)期，測(cè)量工作的特點(diǎn)是精度要求高、重復(fù)性大、儀器設(shè)備多。

1 水工建筑物的安全監(jiān)測(cè)

對(duì)水工建筑物而言，對(duì)其采取安全變形監(jiān)測(cè)工作尤顯重要，因?yàn)闈螢?zāi)害一般在10 min～20 min內(nèi)造成，洪水巨浪所到之處，摧毀力極強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外無(wú)數(shù)實(shí)例令人觸目心驚。另外，由于設(shè)置了監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)長(zhǎng)期觀測(cè)和資料分析，及時(shí)對(duì)工程進(jìn)行加固，把事故消滅在萌芽之中，這種化險(xiǎn)為夷的事例也很多。

安全監(jiān)測(cè)不僅確保水工建筑物安全施工和正常運(yùn)營(yíng)，也是對(duì)施工質(zhì)量的評(píng)定。例如，葛洲壩電廠是建在產(chǎn)狀平緩、多軟弱夾層的地基上，因此擔(dān)心開(kāi)挖后會(huì)破壞基巖穩(wěn)定，于是安裝了大量基巖應(yīng)變計(jì)。在施工期間及1981年大江截流和百年一遇的洪水期間的觀測(cè)表明， 基巖處理后，變形量在允許范圍內(nèi)，大壩是安全穩(wěn)定的。此外，安全監(jiān)測(cè)結(jié)果也是對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，為改進(jìn)設(shè)計(jì)和科學(xué)研究提供資料。

1.1 水工建筑物安全監(jiān)測(cè)的內(nèi)容與精度要求

不同結(jié)構(gòu)的水工建筑物，其觀測(cè)內(nèi)容也不相同。以大壩為例，一般包括現(xiàn)場(chǎng)檢查，外部觀測(cè)和內(nèi)部觀測(cè)?，F(xiàn)場(chǎng)檢查是指對(duì)壩的上、下游面、廊道、空腔、壩肩等外露部分是否存在裂縫、滲水、沖蝕、磨損、松軟老化等進(jìn)行檢查。還應(yīng)檢查排水、止水設(shè)備是否暢通或止水。外部觀測(cè)包括壩的水平位移、沉降、傾斜、撓度觀測(cè)以及縱、橫縫和裂縫觀測(cè)，還要進(jìn)行基巖變形和岸坡穩(wěn)定（滑坡）觀測(cè)。內(nèi)部觀測(cè)包括壩內(nèi)的應(yīng)力、應(yīng)變觀測(cè)、滲流觀測(cè)、水力觀測(cè)、水文和泥沙觀測(cè)等。

盡管觀測(cè)項(xiàng)目因?qū)ο蠖悾餐冶匦璧捻?xiàng)目為水平位移、沉降和水位觀測(cè)。對(duì)于混凝土壩還應(yīng)觀測(cè)伸縮縫和混凝土溫度。安全監(jiān)測(cè)的精度要求取決于觀測(cè)的目的和建筑物本身允許變形值的大小。

1.2 大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布設(shè)

就混凝土大壩而言，首先應(yīng)在壩軸線上、下游靠岸的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)布設(shè)變形監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，目前仍以大地測(cè)量方法為主，且多采用邊角網(wǎng)。邊角網(wǎng)應(yīng)在壩軸線的兩端附近設(shè)點(diǎn)，以監(jiān)測(cè)大壩與岸坡連接部分的變形。對(duì)庫(kù)區(qū)滑坡，也應(yīng)建立邊角網(wǎng)。由于現(xiàn)代測(cè)繪儀器的測(cè)角、測(cè)距精度較高，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外已開(kāi)始用GPS控制網(wǎng)來(lái)代替邊角網(wǎng)，如我國(guó)清江隔河巖水電站，共安裝7臺(tái)雙頻GPS接收機(jī)，可連續(xù)地、全天候地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)大壩的變形，其精度達(dá)亞毫米級(jí)，這在國(guó)際上也是先進(jìn)的。下面結(jié)合某重力拱壩的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置作進(jìn)一步說(shuō)明。

該重力拱壩的壩高245m，壩頂長(zhǎng)1066m，壩頂寬25m，底寬102m，共分60個(gè)壩段，其縱剖面圖如圖1所示。設(shè)計(jì)書(shū)提出的精度要求為：大壩和基礎(chǔ)水平位移的中誤差1 mm，壩頂拱冠處水平位移中誤差3 mm，大壩和基礎(chǔ)的垂直位移中誤差1 mm。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括：邊角監(jiān)測(cè)網(wǎng)。用于檢核導(dǎo)線端點(diǎn)和垂線的穩(wěn)定性。2）用精密直伸導(dǎo)線（弦矢導(dǎo)線）測(cè)定壩體水平位移。該導(dǎo)線布置在高程為40 m、109 m和163 m的廊道和平洞中，平洞深度為70 m～100 m，平洞末端的導(dǎo)線端點(diǎn)為位置相對(duì)穩(wěn)定的起始點(diǎn)。在190 m高程廊道的7個(gè)斷面上，懸掛正錘線，正錘線的讀數(shù)站位于高程為40 m、109 m、163 m的導(dǎo)線附近，以便互相校核位移值。在18、33、45壩段各埋設(shè)一個(gè)倒錘組，用以確定基礎(chǔ)的位移并與正錘線銜接。所謂倒錘就是用錨塊固定在基礎(chǔ)穩(wěn)定的基巖上的錘線裝置，錘線由安裝在壩頂浮箱的重錘拉緊，每個(gè)倒錘組有4個(gè)不同深度的錨塊，壩體讀數(shù)站相對(duì)于倒錘線的移動(dòng)，表明壩體的位移。

垂直位移觀測(cè)系統(tǒng)由水準(zhǔn)基點(diǎn)和工作基點(diǎn)組成的精密水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。大壩垂直位移分別在40 m～109 m、163 m高程廊道和平洞中進(jìn)行觀測(cè)。為了確定大壩和基礎(chǔ)的傾斜變形，又分別在18、25、33、39和45壩段且高程為5 m的灌漿廊道和40 m的橫向廊道中進(jìn)行觀測(cè)。用靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)觀測(cè)廊道和平洞的垂直位移，該系統(tǒng)包括直徑為150 mm的管子和連接軟管，在每一壩段的兩接縫處各設(shè)置一個(gè)垂直位移觀測(cè)點(diǎn)。對(duì)于直線重力壩，一般是用基準(zhǔn)線（視準(zhǔn)線、引張線、激光準(zhǔn)直）加正、倒錘組成基準(zhǔn)線和垂線系統(tǒng)，用基準(zhǔn)線觀測(cè)壩體水平位移，以垂線檢查基準(zhǔn)線端點(diǎn)的位移。

2 大壩岸坡自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

為了有效地提高水工建筑物變形監(jiān)測(cè)精度，應(yīng)當(dāng)充分應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的監(jiān)測(cè)設(shè)備。其中瑞士Leica儀器公司研制的由計(jì)算機(jī)控制、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的電子經(jīng)緯儀TM300，可自動(dòng)跟蹤目標(biāo)。該儀器裝上CCD攝像機(jī)就構(gòu)成TM300 V，利用圖像處理軟件和程序指令，儀器自動(dòng)掃描待測(cè)對(duì)象上的所有目標(biāo)，測(cè)出目標(biāo)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。在TM300 V中若安裝測(cè)距儀，則為T(mén)M300V/D，這類儀器又稱測(cè)量機(jī)器人。若與軟件相結(jié)合，則組成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)APSV/D。該系統(tǒng)在意大利北部某河段一座雙曲拱重力壩的應(yīng)用情況。該壩建成于20世紀(jì)50年代。大壩高132m，壩頂弧長(zhǎng)為408 m，設(shè)計(jì)容量7200萬(wàn)m3。1964年水庫(kù)首次蓄滿水，左岸多處滲漏，從而引起地表沉降。經(jīng)地質(zhì)調(diào)查研究表明：河右岸的巖基是穩(wěn)定的，而左岸受太陽(yáng)曝曬影響，使地面雨水和庫(kù)水滲漏。當(dāng)時(shí)監(jiān)測(cè)近壩區(qū)的地表形變主要采用常規(guī)的地面控制測(cè)量方法，包括布設(shè)邊角網(wǎng)、水準(zhǔn)網(wǎng)以及5個(gè)倒錘裝置。為對(duì)大壩左岸變形進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，在近壩區(qū)右岸，安裝了一套APSV/D系統(tǒng)，在壩左岸不穩(wěn)定區(qū)域埋設(shè)了16個(gè)反射棱鏡，測(cè)站到目標(biāo)的距離為170～1500m。每個(gè)反射器固定在混凝土墩上，其中兩個(gè)埋設(shè)在壩左、壩右較為平坦的河谷上作為參考點(diǎn)。測(cè)站上包括一臺(tái)帶CCD攝像機(jī)的測(cè)量機(jī)器人，一臺(tái)微處理機(jī)及相應(yīng)的APS軟件，還包括供電設(shè)備、穩(wěn)壓設(shè)備和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器。儀器安置在觀測(cè)墩上，觀測(cè)墩設(shè)置在裝有特殊透光玻璃窗的觀測(cè)房?jī)?nèi)。整個(gè)測(cè)量過(guò)程由APS軟件控制。TM300V/D由伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，能按設(shè)置的測(cè)量程序?qū)γ總€(gè)目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)照準(zhǔn)，自動(dòng)獲取水平方向、天頂距和距離值。在良好的大氣條件下，測(cè)角精度可達(dá)0.6″，測(cè)距精度為1mm+1ppm× D km。系統(tǒng)可通過(guò)設(shè)置在護(hù)罩外的傳感器自動(dòng)讀取溫度、氣壓并進(jìn)行氣象改正。

APSV/D系統(tǒng)測(cè)量一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)，從尋標(biāo)、照準(zhǔn)到讀數(shù)約需20s，可做重復(fù)測(cè)量。通過(guò)取平均值提高精度和減小大氣因素的影響，也可按設(shè)定的時(shí)間間隔進(jìn)行周期觀測(cè)，如每天觀測(cè)數(shù)個(gè)周期。測(cè)量工程師僅需每?jī)芍苋ガF(xiàn)場(chǎng)一次，對(duì)測(cè)量成果進(jìn)行簡(jiǎn)單的檢查分析，然后將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)離電站的公司總部。在那里結(jié)合其他觀測(cè)資料如庫(kù)水位、含水量等對(duì)測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理和分析評(píng)價(jià)。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，新的監(jiān)測(cè)技術(shù)也不斷引入到水利水電工程的變形監(jiān)測(cè)中，新技術(shù)的應(yīng)用必然帶來(lái)監(jiān)測(cè)技術(shù)、數(shù)據(jù)處理等一系列的技術(shù)問(wèn)題需要解決。利用GPS（全球定位系統(tǒng)）信號(hào)對(duì)大壩變形等進(jìn)行監(jiān)測(cè)可以獲得非常精確的結(jié)果。各項(xiàng)目單位應(yīng)認(rèn)真落實(shí)掌握先進(jìn)的監(jiān)測(cè)技術(shù)，以確保水利工程的安全性，進(jìn)而保障國(guó)民的性命財(cái)產(chǎn)安全。

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