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深圳市水务规划设计院
【摘 要】本文主要结合水利工程，对其变形监测方法及监测设计总体结构进行分析，使变形监测为水利工程建设及安全运行保驾护航，给类似工程具有一定的参考。
【关键词】水利工程；变形监测；方法
1 前言
水利工程大坝为混凝土闸坝，全长 845.0m，坝顶高程51.2m，最大坝高 44.9m。根据相关设计规范要求，并结合水利枢纽工程的地质条件及水工建筑物布置特点，安全监测的重点为大坝基础、两岸坝肩、主要建筑物及边坡。本工程所设监测的项目有：巡视检查、环境量监测、变形监测、渗流监测、应力、应变及温度监测、土压力监测、水力学监测等。变形监测是建筑物安全监控的重要指标之一，通过该指标可直接了解到大坝的工作性状，了解到变形的发展趋势和其变化规律，这对判断大坝是否安全起着重要的作用。
2 变形监测范围及监测项目
本工程永久挡水建筑物、泄水闸、挡水坝、厂房（挡水部）、船闸上闸首等为1级建筑物，大坝两岸开挖边坡为 1 级边坡。工程安全问题尤为重要，应考虑在坝体、坝基、坝址岸坡及危及大坝安全的不稳定库区边坡等部位布设监测仪器。
根据《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178- 2003），坝体和坝基位移、倾斜、接缝和裂缝变化均为必设监测项目；根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386- 2007），边坡表面位移及其岩土内部位移为必设监测项目。因此，本工程变形监测的主要项目包括大坝水平位移及垂直位移、倾斜、接缝和裂缝变化、坝基基岩变形、边坡表面位移及其岩土内部位移等。
3 变形监测方法和仪器设备选择
变形监测是该水利枢纽工程安全监测系统的重点之一，必须建立监控全部建筑物的变形监测网络。应选择稳定可靠的监测方法和仪器设备，以确保满足量测精度要求，所测数据应充分可靠，还应具有先进性和长期稳定性，并能反映出当前大坝安全监测的技术和水平；所选择的监测方法和监测仪器设备应充分考虑操作简便，具有快速、准确获得可靠监测资料的性能；此外也应满足其经济合理性，获得较高的性价比。在遵循上述原则情况下，本工程各项变形监测方法和仪器设备选择分述如下：
（1）大坝水平位移监测。通常采用视准线法、引张线法、真空激光准直法，另外还有交会法和导线法等。视准线法利用光学仪器，进行人工观测，不能实现自动化监测。另外，根据坝顶布置情况，为满足通视要求，视准线需布置在坝顶上游侧，其观测精度会受到库水面水蒸气造成的旁折光影响。真空激光准直法精度高、速度快，能实现自动化数据采集技术先进，但造价较高。引张线法适合于直线形混凝土坝，具有设备费用低、操作简便、测量速度快的特点，而且便于遥测自动化。大坝各建筑物基本布置在一条直线上，便于布置引张线。因此，依据上述情况，本工程大坝水平位移监测采用引张线法。由于大坝两岸地面无稳固实可靠的区域可供设置观测基准点，故引张线两端点均设一倒垂线作为基准。
（2）大坝垂直位移监测。一般有几何水准测量法和静力水准测量法。几何水准测量法利用光学仪器，进行人工观测，不能实现自动化监测。静力水准测量法能实现自动化数据采集。为使观测操作快速简便，尽可能实现数据采集的自动化，因此，本工程大坝垂直位移监测采用静力水准测量法。在静力水准端点设一双金属标作为基准。
（3）大坝倾斜、接缝和基岩变形监测。大坝倾斜可采用几何水准法监测，也可采用连通管（静力水准）和遥测倾斜仪监测。为实现自动化监测，并考虑到静力水准受到坝顶其他设施布置（如启闭门机等）影响，本工程大坝倾斜监测采用遥测倾斜仪进行监测。坝体接缝变化采用遥测测缝计进行监测。坝基基岩变形采用基岩变位计进行自动化监测。
（4）大坝开挖边坡表面水平位移监测。可采用视准线法和三角网法监测。由于受工程布置及地形条件限制，视准线的通视条件及工作基点的布设条件均受到影响，故本工程大坝开挖边坡表面水平位移采用三角网法，利用光学仪器进行监测。工作基点应按三角网的边角要求进行布设，交会边长在 300m 左右，基点与测点间连线的夹角在60°～120°之间。为此有部分工作基点需坐落在建筑物上或工程变形影响范围内，这时必须在工作基点处设置倒垂线作为基准点。
本工程可利用坝顶引张线的基准点（倒垂线）作为边坡表面水平位移监测基准点，所利用的倒垂线有布设与左岸挡水坝段的IP1和IP2、右岸挡水坝段的 IP5。
（5）大坝开挖边坡表面垂直位移监测。采用一等精密水准法进行监测。由水准基准点来引测、校测工作基点（起测基点）的垂直位移，本工程可利用布设于坝顶的双金属标作为水准基准点。
（6）边坡岩体深层位移监测。左岸开挖边坡为岩质边坡，采用多点位移计进行监测，多点位移计为三点式。右岸开挖边坡为土质边坡，采用钻孔测斜仪进行监测。钻孔应深入至下部岩层，根据边坡地质情况，孔深距地表均为 20m。
（7）船闸闸室水平位移监测。采用引张线法监测闸室右边墙垂直流向水平位移，引张线两端点设一倒垂线作为基准。
4 监测设计总体结构
水利枢纽安全监测系统的运行可分为三个环节：数据采集、数据管理、资料分析及建筑物安全度评价。数据采集包括测量控制单元MCU 自动采集、半自动采集、人工采集和巡视检查。该系统分为三个层次监控：第一层监控是将分布于各建筑物上的各类传感器就近引入相应的 MCU（测量控制单元），由测量控制单元进行第一级监控；第二层监控是将分布于各部位的MCU（测量控制单元）接入坝上监控站，由坝上监控站进行第二级监控；第三层监控是将坝上监控站接入水利枢纽工程办公大楼内的安全监控中心，由安全监控中心进行第三级监控。
5 变形监测布置
（1）大坝水平位移监测布置。由于受坝顶布置的限制，只能在上游侧布设监测通道（包括引张线和静力水准）。大坝全长845.0m，由于引张线长度不宜大于 300m，故需分段设置，共分3段，即在左岸挡水坝段、泄水闸坝段、厂房坝段至右岸挡水坝段各设一条引张线，每段端点均设一倒垂线作为基准，孔深以二分之一坝高进行控制。在每个大坝段布设一个测点，共布置 32 个测点，5 根倒垂线。
【摘 要】本文主要结合水利工程，对其变形监测方法及监测设计总体结构进行分析，使变形监测为水利工程建设及安全运行保驾护航，给类似工程具有一定的参考。
【关键词】水利工程；变形监测；方法
1 前言
水利工程大坝为混凝土闸坝，全长 845.0m，坝顶高程51.2m，最大坝高 44.9m。根据相关设计规范要求，并结合水利枢纽工程的地质条件及水工建筑物布置特点，安全监测的重点为大坝基础、两岸坝肩、主要建筑物及边坡。本工程所设监测的项目有：巡视检查、环境量监测、变形监测、渗流监测、应力、应变及温度监测、土压力监测、水力学监测等。变形监测是建筑物安全监控的重要指标之一，通过该指标可直接了解到大坝的工作性状，了解到变形的发展趋势和其变化规律，这对判断大坝是否安全起着重要的作用。
2 变形监测范围及监测项目
本工程永久挡水建筑物、泄水闸、挡水坝、厂房（挡水部）、船闸上闸首等为1级建筑物，大坝两岸开挖边坡为 1 级边坡。工程安全问题尤为重要，应考虑在坝体、坝基、坝址岸坡及危及大坝安全的不稳定库区边坡等部位布设监测仪器。
根据《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/T5178- 2003），坝体和坝基位移、倾斜、接缝和裂缝变化均为必设监测项目；根据《水利水电工程边坡设计规范》（SL386- 2007），边坡表面位移及其岩土内部位移为必设监测项目。因此，本工程变形监测的主要项目包括大坝水平位移及垂直位移、倾斜、接缝和裂缝变化、坝基基岩变形、边坡表面位移及其岩土内部位移等。
3 变形监测方法和仪器设备选择
变形监测是该水利枢纽工程安全监测系统的重点之一，必须建立监控全部建筑物的变形监测网络。应选择稳定可靠的监测方法和仪器设备，以确保满足量测精度要求，所测数据应充分可靠，还应具有先进性和长期稳定性，并能反映出当前大坝安全监测的技术和水平；所选择的监测方法和监测仪器设备应充分考虑操作简便，具有快速、准确获得可靠监测资料的性能；此外也应满足其经济合理性，获得较高的性价比。在遵循上述原则情况下，本工程各项变形监测方法和仪器设备选择分述如下：
（1）大坝水平位移监测。通常采用视准线法、引张线法、真空激光准直法，另外还有交会法和导线法等。视准线法利用光学仪器，进行人工观测，不能实现自动化监测。另外，根据坝顶布置情况，为满足通视要求，视准线需布置在坝顶上游侧，其观测精度会受到库水面水蒸气造成的旁折光影响。真空激光准直法精度高、速度快，能实现自动化数据采集技术先进，但造价较高。引张线法适合于直线形混凝土坝，具有设备费用低、操作简便、测量速度快的特点，而且便于遥测自动化。大坝各建筑物基本布置在一条直线上，便于布置引张线。因此，依据上述情况，本工程大坝水平位移监测采用引张线法。由于大坝两岸地面无稳固实可靠的区域可供设置观测基准点，故引张线两端点均设一倒垂线作为基准。
（2）大坝垂直位移监测。一般有几何水准测量法和静力水准测量法。几何水准测量法利用光学仪器，进行人工观测，不能实现自动化监测。静力水准测量法能实现自动化数据采集。为使观测操作快速简便，尽可能实现数据采集的自动化，因此，本工程大坝垂直位移监测采用静力水准测量法。在静力水准端点设一双金属标作为基准。
（3）大坝倾斜、接缝和基岩变形监测。大坝倾斜可采用几何水准法监测，也可采用连通管（静力水准）和遥测倾斜仪监测。为实现自动化监测，并考虑到静力水准受到坝顶其他设施布置（如启闭门机等）影响，本工程大坝倾斜监测采用遥测倾斜仪进行监测。坝体接缝变化采用遥测测缝计进行监测。坝基基岩变形采用基岩变位计进行自动化监测。
（4）大坝开挖边坡表面水平位移监测。可采用视准线法和三角网法监测。由于受工程布置及地形条件限制，视准线的通视条件及工作基点的布设条件均受到影响，故本工程大坝开挖边坡表面水平位移采用三角网法，利用光学仪器进行监测。工作基点应按三角网的边角要求进行布设，交会边长在 300m 左右，基点与测点间连线的夹角在60°～120°之间。为此有部分工作基点需坐落在建筑物上或工程变形影响范围内，这时必须在工作基点处设置倒垂线作为基准点。
本工程可利用坝顶引张线的基准点（倒垂线）作为边坡表面水平位移监测基准点，所利用的倒垂线有布设与左岸挡水坝段的IP1和IP2、右岸挡水坝段的 IP5。
（5）大坝开挖边坡表面垂直位移监测。采用一等精密水准法进行监测。由水准基准点来引测、校测工作基点（起测基点）的垂直位移，本工程可利用布设于坝顶的双金属标作为水准基准点。
（6）边坡岩体深层位移监测。左岸开挖边坡为岩质边坡，采用多点位移计进行监测，多点位移计为三点式。右岸开挖边坡为土质边坡，采用钻孔测斜仪进行监测。钻孔应深入至下部岩层，根据边坡地质情况，孔深距地表均为 20m。
（7）船闸闸室水平位移监测。采用引张线法监测闸室右边墙垂直流向水平位移，引张线两端点设一倒垂线作为基准。
4 监测设计总体结构
水利枢纽安全监测系统的运行可分为三个环节：数据采集、数据管理、资料分析及建筑物安全度评价。数据采集包括测量控制单元MCU 自动采集、半自动采集、人工采集和巡视检查。该系统分为三个层次监控：第一层监控是将分布于各建筑物上的各类传感器就近引入相应的 MCU（测量控制单元），由测量控制单元进行第一级监控；第二层监控是将分布于各部位的MCU（测量控制单元）接入坝上监控站，由坝上监控站进行第二级监控；第三层监控是将坝上监控站接入水利枢纽工程办公大楼内的安全监控中心，由安全监控中心进行第三级监控。
5 变形监测布置
（1）大坝水平位移监测布置。由于受坝顶布置的限制，只能在上游侧布设监测通道（包括引张线和静力水准）。大坝全长845.0m，由于引张线长度不宜大于 300m，故需分段设置，共分3段，即在左岸挡水坝段、泄水闸坝段、厂房坝段至右岸挡水坝段各设一条引张线，每段端点均设一倒垂线作为基准，孔深以二分之一坝高进行控制。在每个大坝段布设一个测点，共布置 32 个测点，5 根倒垂线。