1、大坝安全监测培训,我国大坝安全监测的现状1.水库基本情况,1949年，全国仅有大中型水库23座；2007年，全国各类水库86353座，其中大型529座、中型3181座、小型82643座；（09年鉴）湘、粤、赣、川、鄂、滇 6省水库占全国的55%；湖南水库总数全国第一，湖北大型水库最多，占全国大型水库的十分之一；由水库提供灌溉水源的耕地2.4亿亩，总灌溉面积的1/3；北京、天津、深圳和香港等近百座城市全部或部分依靠水库供水，200亿立方米/年；我国已建成水库是世界上水库最多的国家之一坝型坝高：土石坝占总数的93%，坝高15m以上水库2.63万，30m以上的水库9191座,我国大坝安全监测的现状 2、2.大坝安全监测的现状,多数大型水库的安全监测设施虽然较完整，但设施的技术水平落后，且损坏报废的很多，急需改造中型水库中约50%有一些基本的监测设施，但大多也已损坏而不能使用，另50%左右基本没有安全监测设施小型水库中除少数小（1）型水库有几根测压管外，绝大多数无任何监测设施就全国整体而言，水库大坝安全管理与信息化、现代化的差距很大。大型水库已有较完善的大坝安全监测设施，其中相当一部分还实现了监测和资料整编自动化,安全监测目的与意义,安全监测目的（1）监测大坝施工期和运行期的安全（2）将观测结果与设计预测进行对比，检验理论计算结 果（3）掌握施工过程中大坝的实际情况，据此完善设计理论或施工技术3、方案（4）配合工程科学研究及其他 安全监测意义（1）保障水库大坝运行安全（2）推动工程设计与施工技术的进步（3）为病险工程的诊断和合理加固提供依据（4）现代化和法治化工程管理的需要,现行安全监测法规、规范、规程,水库大坝安全管理条例 土石坝安全监测技术规范（SL60-94）混凝土大坝安全监测技术规范（SDJ 336-89）混凝土坝安全监测技术规范（DL/T5178-2003）土石坝安全监测资料整编规程（SL169-96）混凝土坝安全监测资料整编规程（DL/T5209-2005 大坝安全监测自动化技术规范（DL/T5211-2005,历年溃坝：19542009年56年间全国共发生水库溃坝 3504、4座，年均62.6座，其中小型3375座（占96%）过程分布：溃坝高峰在大跃进、文革期间，最多1973年溃556座，改革开放后快速减少，近年低位稳定重大灾害：1975年河南板桥、石漫滩溃坝，1993年青海沟后溃坝等，极大改变了大坝安全管理发展进程近期情况：2000-2009年共47座，年均4.7座，近几年是,07年7座，08年1座，09年没有，10年已有8座,溃坝及危害,全球水库溃坝,1928年美国63m高的St.Francis(圣佛朗西斯)重力坝溃决，死亡421人。1963年意大利Vajont(瓦依昂)拱坝库岸滑坡，死亡2000余人。1963年中国河北东川水库溃坝，死亡900余人。1975年5、中国河南板桥水库溃坝，26座水库相继溃决，24万余人死亡，直接经济损失34.97亿。1976年美国93m高的Teton（提堂）土坝失事1993年青海省沟后水库溃坝，300余人死亡2001年四川大路沟水库溃坝，伤亡近40余人2009年三峡蓄水和降雨等因素影响，库区千将坪发生体积约2400万m3特大滑坡，直接经济损失8000万,板桥水库在河南境内，24.5m 高的粘土心墙砂壳坝，是“75.8”暴雨中溃决的一座大型水库。遭遇历史罕见暴雨洪水，1975年8月8日1时30分溃决，造成巨大灾难。在国内外的大坝安全管理领域有重大影响，并深远影响了我国的水库管理、防洪标准、除险加固等一系列大坝安全工作,沟后水6、库是一座小（1）型水库，位于青海省海南州共和县境内，71m高的混凝土面板砂砾石坝。由于坝顶防渗体系的隐患，库水自坝顶防浪墙与面板接缝进入坝体，造成顶部坝体湿陷及渗透破坏，于1993年8月27日溃决，使下游的海南州州府所在地恰卜恰镇等遭受重创。小水库也会出大问题，此次事故使人们重新审视小型水库的安全与管理问题,新疆兵团八一水库 2004,青海英德尔水库2005,甘肃小海子水库2007,内蒙古岗岗水库2007,板桥水库,水库概念,水库：为防洪和兴利建设的蓄水利用工程，由枢纽、库区和下游等构成的工程体系。大坝一般指枢纽规模：按总库容大小将工程分为 5级：即大（1）型，大（2）型；中型；小（1）型，小7、（2）型山塘：库容低于10万方的水库称为山塘、塘坝，暂不 论坝高和下游影响，未纳入水库管理（有些地区参照）非水库大坝：拦沙坝（水保工程）、灰坝（火电附属 工程）、尾矿坝（冶金附属工程）,大坝安全监测,1.监测范围（1）坝体：坝顶、迎水坡、背水坡及坝址（2）坝基和坝区：坝基、坝端、坝址近区、坝端岸坡、上游铺盖（3）溢洪道：进水段（引渠）、堰顶或闸室、闸墩、边墙、胸墙、溢流面、底板、工作桥（4）输、泄水洞：引水段、竖井、洞身、工作桥、出口（5）闸门及启闭机：闸门及其开度指示器、门槽、止水、启闭机及备用电源（6）观测及通讯设备：观测设备、通讯设施、照明及交通设施2.监测手段（1）巡视检查（2）用仪器8、设备观测,大坝安全监测,3.监测内容 巡视检查 环境量监测 变形监测 渗流监测 水力学观测 结构内部应力、应变、压力、温度观测,监测阶段和测次表1.4.1 土石坝安全监测项目测次表,巡 视 检 查,巡视检查的分类 日常巡视检查 年度巡视检查 特殊巡视检查巡视检查方法 常规方法：用眼看、耳听、手摸、鼻嗅、脚踩等直观方法，或采用简单的辅助工具对工程表面和异常现象进行检查。特殊方法：采用开挖、钻井、钻孔取样、投放化学试剂、水下电视、水下摄影等对工程内部、水下部位或坝基进行检查。巡视检查记录和处理 检察人员要具备一定的工程知识和经验，相对固定人员，做好检查记录和现场填表，必要时可以附有图片、素描。现场9、记录及填表要及时整理，分析有无异常迹象，发现问题要及时的汇报，或采取必要的分析研究工作，查明原因及时处理。,巡视检查记录和整理表,环境量监测,环境量监测目的 环境量监测目的是为了了解环境量的变化规律及对水工建筑物的变形、渗流和应力应变等的影响。环境量测监内容 主要包括：气温、水温、波浪、大坝上下游水位、坝前淤积、下游冲刷、地震及冰压力等环境量监测相关规范 水位观测标准 GBJ138-90 降水量观测规范 SL21-90 水文普通测量规范 SL58-93 河流冰情观测规范 SL59-93,环境量监测水位观测,监测断面及测点布置 上游水位监测应设置在受泄流和风浪影响小、便于仪器安装埋设和监测的位置10、。下游水位监测应设置在受泄流影响小、水流平稳，便于仪器安装埋设和监测的位置。水位监测断面应和测流断面统一布置。水位监测的方法 水尺法（直立式、倾斜式、矮桩式和悬垂式）水位计法（浮子式、压力式、超声波）瞬时水位一般采用波浪仪器或电测水位计 注：水位监测的水准基面与水工建筑物的水准基 面应一致,环境量监测降雨量监测,降雨量监测点布置 坝址区附近至少有一个观测点 观测点布置在空旷平坦，不受地形、树木、烟尘 的影响，同时应避开强风区。山区中的观测除布置在平坦空旷地段之外，还应使仪器口与山顶之间的仰角小于30降雨量观测的仪器 雨量器、虹吸式和翻斗式雨量计、杆式雨量计、遥测雨量计、自动测报雨量计 注：雨量11、器、虹吸式和翻斗式雨量计,虹吸式雨量计,翻斗式雨量计,环境量监测气温和水温监测,气温和水温监测布置 坝址区附近至少有一个观测点。靠近上游坝面的库水中，布置测温垂线。土石坝的温度监测断面可设置在坝前或泄水建筑物进口前，断面上至少有3条测温垂线.观测方法 温度观测一般采用铂电阻温度计、铜电阻温度计和半导体温度计等。气温观测仪器应设在专用的百叶箱内。百叶箱的设置应符合有关气象观测规范和标准。百叶箱内应设直读式温度计，以便比测。库水温观测应将温度计牢固固定在设计测点，电缆应缚设套管保护,环境量监测其他监测,波浪监测 库面波浪监测 护坡波浪监测淤积监测 水下部分一般用交会法，用测杆、测深锤、回声测深仪；12、水上部分用普通测量方法冰冻监测 土壤冻结深度监测 冰盖位移监测 冰压力监测地震反应监测 地震强震观测、动孔隙水压力观测,变形监测,变形监测目的 目的是掌握水工建筑物与地基变形的空间分析特征和随时间变化的规律，监控有害变形及裂缝等的发展趋势。,变形监测,依据的主要技术标准：土石坝安全监测技术规范（SL60-94）土石坝安全监测资料整编规程（SL169-96）混凝土大坝安全监测技术规范(试行)(SDJ336-89)混凝土坝安全监测技术规范(DL/T5178-2003),变形监测,变形监测正负号的一般规定：水平位移 向下游或向左岸为正，反之为负。竖向位移 向下为正，向上为负。裂缝和接缝 开合度以张为13、正，闭合为负。倾斜监测 向下游、向左岸为正，反之为负。船闸闸墙的水平位移 向闸室中心为正，反之负 高边坡和滑坡体位移 向下、向左为正，反之负,变形监测表面变形,土石坝监测断面布置 横断面：一般不少于3个，且尽量布置在最大坝高处，地质条件复杂，地形突变处，坝内埋管或运行最可能发生异常的部位。纵断面：一般不少于4个，通常在坝顶的上下游侧布设12个断面，下游坝坡半坝高以上布设1 3个断面，半坝高以下布设1 2个断面，对于软基的坝体，还要在下游坝址外侧增设1 2个断面。在每个观测横断面和纵断面交点处布设表面变形观测点。基点布设：起测基点可在每一纵排测点两端的岸坡上各布设一个，其高程宜与测点高程相近。水14、准基点一般在土石坝下游1 3km处布设2 3个。校核基点应在两岸同排工作基点连线的延长线上各布设1 2个，必要时可采用倒垂线或边角网定位。,变形监测表面变形,混凝土坝监测断面布置 横断面一般布设在每个坝端或闸墩上，拱坝应布设在拱冠梁、拱端和14拱处 纵断面一般布设在平行于坝轴线的坝顶及坝基廊道中 在每个观测横断面和纵断面交点处布设表面变形观测点。基点布设：工作基点和校核基点可在每一纵排测点两端的岸坡稳定岩体上各布设1个，高程宜与测点高程接近，或布设在两岸山体的灌浆廊道内。也可以采用倒垂线作为基点。,变形监测表面变形,表面变形的监测方法 水平位移观测：主要有视准线法、引张线法、垂线法、激光准直法15、精密导线法、边角网法、交会法。竖向位移观测：精密水准法、静力水准法、三角高程法。沉降用水准测量（工作三等，校验二等）综合测量也有用全站仪，也有尝试GPS系统的。,变形监测内部变形,土石坝内部变形监测 包括分层竖向位移、分层水平位移、界面位移及深层应变监测。测点布设 分层竖向位移：布置在最大断面及特征断面上。可设13个断面。每个观测断面上可布设13条观测垂线，且有一条布设在坝轴线附近。水管式沉降仪的测点应分别布设在13、1 2、2 3坝高处。分层水平位移：和分层竖向位移相同。,变形监测内部变形,混凝土坝内部变形监测 混凝土坝内部变形监测主要包括坝体挠度和倾斜。坝体挠度 观测点一般布设在靠近坝顶16、坝基及垂线与廊道相交处。倾斜 坝体倾斜观测面应尽量设置在廊道内、坝基及垂线与廊道相交处，可以设置在坝体下游面。,变形监测内部变形,内部变形监测方法 竖向位移监测方法：水管式沉降仪、振弦式沉降仪法、连杆式分层沉降仪法。水平位移监测方法：测斜仪法、钢丝水平位移计法。挠度观测：垂线法、测斜仪法。倾斜观测：静力水准法、倾斜仪法。,渗流监测,渗流概念 定义：水在孔隙介质中的运动 介质：渗透系数K 渗流：水压力P、速度V、坡降J、渗流量Q 基本规律：达西定律V=KJ=k*（P/L）运动规律：运动方程、连续性方程 渗流场：空间区域的渗流运动的状态,渗流监测,大坝渗流危害 1）土石坝：破坏防渗与排水设施，造17、成坝基坝体和结构渗流破坏，降低坝坡稳定性。2）混凝土坝：扬压力降低坝体稳定性，两岸地下水影响坝座和岩体稳定，对坝基和结构造成水化学侵害。3）此外：过大的渗漏损失减低工程效益。渗流分析 渗流分析是认识渗流场的方法，在介质与边界确定以后，渗流分析是渗流安全评价的重点。渗流场表达方式：渗流压力分布；函数与图表；流网、等势线与流线（浸润线）。渗流分析方法：原型监测、模型试验、数值计算等。,渗流监测,渗流性质 渗流性质主要反映为渗透系数K，K具有空间不均匀性和各向异性的特点，分析时简化处理。（cm/s）K的确定方法：现场试验（环坑注水、钻孔注水与压水等），室内试验，经验分析。渗流破坏 渗流破坏：渗流作用18、下的孔隙介质结构的改变，又称渗透变形 破坏形式：管涌、流土、冲刷 土的分类：管涌、流土、过渡型，Cu判断 破坏指标：渗透坡降J，J破坏、J允许 破坏判断：直观判断、分析比对,渗流监测,渗流安全评判 在渗流场认识清楚以后，渗流的安全判断成为比较容易的问题。评判方法：破坏指标、设计条件、工程类比等。渗流控制“上堵下排”原则，上堵措施有防渗体和防渗结构，下排措施有排水体和反滤保护措施，通过这些措施将大坝渗流控制安全范围。,渗流监测,坝体渗流压力观测 1）横断面布置：最大坝高处、地形或地质条件复杂坝段，一般不少于三个，尽量与变形等断面结合。2）观测孔布置：根据坝型结构及渗流场特征设34个，不少于上游、19、中游、下游三个。3）观测点布置：根据坝高、地层和渗流场特征，在不同高程上布置13个。观测设备 1）设备有测压管、渗压计两类。2）高坝、渗透系数小和压力变幅小的土层不宜测压管，测压管管径不宜大，渗流急变区的花管段不宜长、测点不宜少。3）观测设备的考证资料要准确，孔口要防雨水，数据采集设备要定期校验。4）造孔要干钻，反滤和分段止水要可靠。,渗流监测,坝基渗流压力观测 观测目的及内容 1）监控观测断面坝基的渗流安全变化。2）了解防渗排水措施的工作效能。3）掌握透水地基的渗压力大小及其分布。4）监控穿坝建筑物渗流安全。5）坝基范围包括天然岩土层，深入坝基的防渗排水设施等。观测布置 1）横断面布置：取决20、于地层结构、地质构造，断面数一般不少于 3 个，应顺流线方向布置，或与坝体渗流压力观测断面相重合。2）观测孔布置：根据建基面轮廓、坝基地质条件、防渗和排水型式，一般不少于3个。3）观测点布置：一般在不同高程布置 12个。如下示意。观测方法 与坝体观测一样，设备有测压管、渗压计两类，设备选用原则也同。一般坝基观测对测压管的限制放宽。,渗流监测,渗流量 渗流量是渗流场的另一大基本要素，是反应工程渗流安全问题最为敏感的效应量。它是反应渗流场介质变化最直观、最具综合的定量指标，尤其当渗透破坏征兆在渗流压力观测中反应不够充分的时，更具有特别重要作用。不论对何等工程都为必测项目。大坝的渗流量由三部分组成：21、坝体的渗流量、坝基的渗流量、通过两岸山体绕渗或两岸地下水补给的渗流量。渗流量观测过程中要综合考虑上下游水位、气温、水温、降雨量。对渗透水要定期取样分析。渗流量的观测布置1）根据坝型和坝基地质条件、渗漏水出流和汇集条件，及所采用的测量方法等确定。2）对坝体、坝基、绕渗及导渗（含减压井和减压沟）的渗流量，应分区、分段进行测量。3）对明流和潜流尽可能完全测量，有条件的工程宜建截水墙或观测廊道。透水层深厚不能观测是应在下游顺水流方向做地下水位观测。4）所有集水和量水设施应避免客水干扰。,渗流监测,渗流量观测方法根据渗流量大小和汇集条件选用方法设备：1）容积法：流量小于1 L/s 时宜采用容积法。2）量22、水堰法：流量在 1300 L/s 之间时宜采用量水堰法。3）测流速法：当流量大于300 L/s 或受落差限制不能设量水堰时，可用测流速或典型断面水位的方法。,渗流监测,量水堰法 量水堰类型 三角堰：当渗流量在170 L/s之间时采用（三角堰堰口为等腰三角形，底角为直角）梯形堰：当渗流量在10300 L/s之间时采用（一般采用1：2.5的边坡，底边宽度应 小于3倍的堰上水头，一般在0.25与1.5m之间）矩形堰：当渗流量大于50 L/s时采用（堰口宽度应为2到5倍堰上水头，一般应在0.25与2m之间）,渗流监测,量水堰的设置注意问题 1）量水堰应设在矩形断面排水沟的直线段，槽底和侧墙不漏水；2）23、堰板与侧墙和水流方向垂直，堰板平正，堰口水平；3）堰上水流为自由出流形式，不受其它（杂物）干扰；4）量水堰考证资料准确，存档备查。,三角堰板结构示意图,渗流监测,直角三角形量水堰 Q=1.4H52 式中：Q渗流量，m3/s；H堰上水头，m。梯形量水堰 Q=1.86bH3/2 式中：Q渗流量，m3/s；H堰上水头，m；b堰口底宽，m。,应力（压力）、应变,应力（压力）监测项目 土石坝的压力（应力）监测主要包括孔隙水压力、土压力（应力）、接触土压力以及混凝土面板应力等。混凝土坝的应力、应变及温度监测主要包括坝体（坝基）应力、应变、锚杆（锚索）应力、钢筋应力、钢板应力及温度等。,应力（压力）、应变,24、孔隙水压力观测目的及内容了解土石坝坝身或坝基产生的孔隙水压力及其分布与消散情况 了解孔隙水压力对施工阶段的施工质量、进度的影响 掌握大坝运用期间的渗流状态与坝身稳定，以确保大坝安全 提高设计和科研水平 一般适用于饱和土及饱和度大于95%的非饱和粘性土 观测内容包括均质土坝、水中填土坝、尾矿坝、松软坝基，土石坝的土质防渗体、砂壳等影响安全的关键部位均需进行孔隙水压力观测,应力（压力）、应变,孔隙水压力观测设计 观测断面 根据工程重要程度、坝体尺寸、结构形式，地形地质条件及施工方法等确定 一般与沉降观测及土压力观测配合布置。观测点 每个横断面上测点数量决定于坝型和具体尺寸 以能给出所需的孔隙水压力25、等压线为原则,应力（压力）、应变,观测仪器及其安装 仪器设备主要型式：水管式、测压管式、钢弦式、差动电阻式、电阻应变片式等。优先选用钢弦式孔隙水压力计 钢弦式孔隙水压力计的埋设，分填土中埋设和钻孔埋设两种,孔隙水压力计填筑过程中埋设,孔隙水压力计钻孔,应力（压力）、应变,土压力土压力监测目的及内容 坝体内土压力观测 土体或堆石体 接触土压力观测 土和堆石与混凝土、岩面或圬工建筑物接触面上 目的 了解坝体受力情况、接触面的作用压力大小；为验证设计，判断工程安全 内容 土和堆石体的总应力（即总土压力）、垂直土压力、水平土压力 土和堆石与混凝土、岩面或圬工建筑物接触面上的土压力 土压力计测值为总土压26、力，土体有效应力土压力计测值孔隙水压力计,应力（压力）、应变,坝体内土压力观测设计观测断面 根据坝体结构、地质情况等因素确定，一般可选12个横断面作为观测断面观测点 在每个横断面不同高程上布置2-3排测点。对心墙坝，每排的各测点可分别布置在心墙中心线、心墙与坝壳接触面上，以及下游坝壳内为计算大小主应力、剪应力，土压力计应成组埋设。对平面应力状态，在坝轴线上，每组应埋设2个土压力计，坝轴线的上游每组应埋设4个土压力计，坝轴线的下游每组应埋设3个土压力计；三向应力状态，每组应埋设6-7个压力计测点附近应埋设孔隙水压力计，以便求得该测点的有效应力。,应力（压力）、应变,坝体内土压力观测方法土压力计土27、压力计埋设 土压力计有非坑式和坑式两种埋设方法。一般土压力计的埋设宜按非坑式埋设方法进行，在堆石坝内埋设时最宜采用。,安全监测自动化,自动化监测系统充分利用现代先进的通信技术、计算机软硬件技术和自动化技术，集成数据采集、数据管理、数据整编。数据综合分析和反馈决策等功能与一体，对重要建筑物和构造物的安全状况实时监控和评判。大坝安全监测自动化系统能够快速、准确地进行大坝安全参数测量、数据采集和传输，并能进行自动资料整编和分析，监测资料的同步性好，能大大减少人为因素的不确定性。,安全监测自动化,安全监测自动化基本要求可靠性 为了大坝安全监测自动化系统能长期、稳定运行，其可靠性是第一位的。只有自动监测28、系统具有低故障率和高可靠性，才能起到其监视大坝安全的作用。准确性 自动监测系统的准确性主要是指监测数据的准确性，这包括两个方面，即监测数据的正确性和精度经济实用性 自动化监测系统在满足的可靠性和准确性的基础上，还应考虑系统的经济实用性，主要是从系统的结构和系统的监测仪器和设备方面两个方面进行系统的优化,资料整编分析,监测资料分析利用原型观测资料，分析各效应量及环境量之间的关系，及时掌握建筑物的运行动态，对安全性态做出合理评价，从而保证大坝安全运行。资料分析划分 按监测项目分类 按建筑物类型分类 按工程建设阶段分类监测资料分析的主要内容 监测效应量的变化特征分析 环境量对监测效应量的影响分析 典型监测效应量的分布特征分析,资料整编分析,混凝土坝的分析项目 坝体变形稳定 坝体强度安全 坝基及坝肩稳定安全 土石坝的分析项目 坝与地基变形稳定性分析 坝与地基渗流稳定性分析 水闸的分析项目 闸室稳定性分析 闸室结构安全性分析,资料整编分析,资料收集 监测仪器埋设及考证资料 监测数据资料（变形、渗流、环境量等）巡视检查资料 相关的设计及施工资料资料分析 常规分析（特征值、变化率、相关分析、比较分析、分布特征分析）数学模型分析（正分析、反分析）作图分析 安全评价（最终目的）,谢 谢,