混凝土壩變形監(jiān)測情況調(diào)查

沈 靜，王玉潔

（國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心，浙江 杭州 310014）

0 概 述

2009年度完成定檢的有19座大壩，按主壩壩型分，有重力壩12座、拱壩3座、面板壩3座、面板支墩壩1座，除3座面板壩外，將其余16座統(tǒng)稱為混凝土壩。16座混凝土壩按工程等別分，有一等工程5座、二等工程2座、三等工程9座，16座大壩均被評為正常壩。

為深入了解水電站大壩的安全監(jiān)測工作情況，掌握了解監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，針對2009年度開展定期檢查的16座混凝土壩，結(jié)合其監(jiān)測系統(tǒng)評價，對其變形監(jiān)測所使用的監(jiān)測方法進(jìn)行統(tǒng)計，對觀測精度等進(jìn)行分析。

1 變形監(jiān)測方法

2009年度定檢混凝土壩變形監(jiān)測方法統(tǒng)計見表1。從表1來看，混凝土壩水平位移觀測主要采用視準(zhǔn)線、引張線、正倒垂線，其余還有交會法、大氣或真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。垂直位移觀測絕大部分采用幾何水準(zhǔn)，其余還有靜力水準(zhǔn)、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)。壩體撓度觀測主要為垂線觀測。大壩水平位移校測方式除平面控制網(wǎng)外，主要還有垂線法；垂直位移校測方式主要采用高程控制網(wǎng)。2座大壩的壩頂垂直位移未進(jìn)行觀測。

2 使用情況及精度分析

2.1 壩頂水平位移

16座混凝土壩中，壩頂順河向水平位移采用視準(zhǔn)線觀測的大壩有8座，占50.0%；采用引張線觀測的有8座，占50.0%；采用垂線觀測的有4座，占25.0%；采用交會法、大氣激光分別有1座，各占6.3%；采用真空激光觀測的有2座，占12.5%。6座大壩采用2種方法觀測，2座大壩采用3種方法觀測。兼測壩軸向位移的有5座，其中1座為采用交會法觀測，4座采用垂線觀測。

視準(zhǔn)線、交會法均為人工觀測，除2座大壩的引張線采用人工觀測外，其余觀測方式均為自動化觀測。

采用視準(zhǔn)線觀測的8座大壩中，4座大壩的觀測精度較高，過程線規(guī)律性強(qiáng)；另外4座大壩的觀

測精度不高，測值反映的是相對于工作基點(diǎn)的變形情況，工作基點(diǎn)位于兩端穩(wěn)定基巖上，雖然觀測方法、觀測限差均滿足要求，但由于壩低，受誤差影響較大，觀測精度不高。

表1 2009年度定檢混凝土壩變形監(jiān)測方法統(tǒng)計表Table 1:Statistics of deformation monitoring methods for concrete dams during the regular inspection in 2009

采用引張線觀測的8座大壩中，6座觀測精度較高，過程線規(guī)律性強(qiáng)；1座大壩的引張線測線僅42.3m長，測值變化無規(guī)律，且自動化儀器不能正常工作。

采用垂線觀測的4座大壩中，有1座觀測精度較高，過程線規(guī)律性較好；1座觀測精度尚可；1座觀測精度一般，部分正垂線實(shí)際掛重不足，部分倒垂線實(shí)際浮力小于規(guī)范要求，部分垂線坐標(biāo)儀損壞，傳感器現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)與自動化測讀數(shù)據(jù)相差較大，各自動化儀器之間信號相互干擾；另外1座壩觀測較差，自動化系統(tǒng)運(yùn)行可靠性較差，異常跳躍現(xiàn)象突出，同時大部分測點(diǎn)人工與自動化測值相差一個常數(shù)。

采用交會法觀測的大壩僅有1座，其觀測方法、觀測精度滿足規(guī)范要求，觀測成果過程線平順，年周期規(guī)律明顯，能較好地反映壩頂水平位移的實(shí)際情況。表明只要觀測方法準(zhǔn)確，嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行觀測，控制觀測誤差，壩頂水平位移采用交會法觀測也是可行的。

采用大氣、真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測的大壩有3座，其中1座的大氣激光準(zhǔn)直系統(tǒng)原采用人工觀測，實(shí)測精度相對偏低，2003年5月之后實(shí)現(xiàn)了自動化觀測，實(shí)測精度有所提高。另外2座大壩的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測精度較高，其中1座的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對大壩的水平位移和垂直位移兩向監(jiān)測，水平位移測值規(guī)律較好，垂直位移規(guī)律性差。

2.2 壩頂垂直位移

壩頂垂直位移除2座大壩未進(jìn)行觀測、1座僅采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測外，其余的13座大壩均采用幾何水準(zhǔn)觀測，2座的觀測精度不高，過程線規(guī)律差；其余大壩的觀測精度均較高，測值規(guī)律性較好。

其中1座大壩2003年以前大壩垂直位移采用靜力水準(zhǔn)進(jìn)行觀測，后廢棄，2007年開始采用幾何水準(zhǔn)測量。由于壩頂測點(diǎn)位于公路橋上，來往車輛多，橋面震動大，對觀測干擾較大，且目前采用三等水準(zhǔn)測量，不滿足規(guī)范要求，工作基點(diǎn)距離大壩太近，穩(wěn)定性不好，導(dǎo)致精度不高。

另外1座大壩壩頂垂直位移觀測按二等水準(zhǔn)測量進(jìn)行，觀測頻次為1次/季，未設(shè)置控制網(wǎng)進(jìn)行校測，不滿足規(guī)范要求。測值數(shù)據(jù)略有年周期性變化，但1993年和2003年垂直位移均有一臺階狀跳躍。

采用靜力水準(zhǔn)觀測的大壩有2座，其中1座靜力水準(zhǔn)未設(shè)標(biāo)定墩，也無人工讀數(shù)尺，同時測值過程線無規(guī)律，無法反映大壩變形性態(tài)；另外1座觀測精度、過程線規(guī)律性尚可。

采用真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)觀測的大壩總共有2座，1座大壩的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)垂直位移觀測精度較高；另外1座的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)垂直位移過程線的測值不連續(xù)、沒有規(guī)律，有較大波動的地方較多，對比幾何水準(zhǔn)觀測的成果，吻合情況不是很好。

2.3 壩基水平、垂直位移

壩基水平位移觀測主要采用引張線和垂線，分別有2座和6座大壩，垂線為順河向、壩軸向雙向監(jiān)測；觀測壩基垂直位移的有3座大壩，均采用幾何水準(zhǔn)觀測。1座大壩同時采用靜力水準(zhǔn)觀測，它的幾何水準(zhǔn)測值較凌亂，規(guī)律性不明顯，精度偏低；靜力水準(zhǔn)受管路漏液及傳感器“零漂”的影響，精度也不高。另外1座的正垂線左右岸方向測值穩(wěn)定性較差，該垂線的重錘重量偏低，可能線體松弛影響了測值的準(zhǔn)確性。其余電站壩基水平、垂直位移觀測精度較好。

2.4 壩體撓度

壩體撓度觀測主要采用垂線和交會法，分別有6座和1座大壩，垂線為順河向、壩軸向雙向監(jiān)測。采用交會法觀測的大壩，實(shí)測精度尚可，測值基本能反映壩體各部位的水平位移，但對存在較大位移的工作基點(diǎn)的校測成果未修正至測點(diǎn)測值中，勢必影響測點(diǎn)測值的準(zhǔn)確性。

2.5 水平、垂直位移工作基點(diǎn)的校測方式

水平位移工作基點(diǎn)的校測方式主要采用平面控制網(wǎng)和垂線，分別有6座和9座，占37.5%和56.3%。2座大壩2種方法兼有；3座大壩沒有對工作基點(diǎn)進(jìn)行校測；1座大壩的引張線采用垂線進(jìn)行校測，但視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)沒有校測方式。

垂直位移工作基點(diǎn)的校測方式主要采用高程控制網(wǎng)和雙金屬管標(biāo)，分別有7座和3座，未設(shè)垂直位移校測的共有8座大壩，其中1座的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)采用雙金屬管標(biāo)進(jìn)行校測，但對幾何水準(zhǔn)工作基點(diǎn)沒有進(jìn)行校測。另有1座的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)的垂直位移采用靜力水準(zhǔn)校測，但靜力水準(zhǔn)精度不高。

采用平面控制網(wǎng)校測的大壩僅1座，網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性較好，其余均存在個別網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性不好的問題；采用垂線校測的大壩觀測精度總體較高，對于工作基點(diǎn)沒有放在兩岸穩(wěn)定基巖上的，垂線的校測結(jié)果應(yīng)及時反映到大壩的位移觀測成果中。

采用高程控制網(wǎng)校測垂直位移工作基點(diǎn)的大壩，測量精度基本滿足規(guī)范要求，僅1座大壩的2個水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性較差，其余大壩水準(zhǔn)網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性均較好；靜力水準(zhǔn)一般采用雙金屬管標(biāo)校測，有4座大壩的雙金屬管標(biāo)測頭位置金屬連接件較細(xì)長，剛度較小，且端頭未安裝固定護(hù)套，可能會由于氣溫或外界的干擾影響測值穩(wěn)定。

2.6 其它監(jiān)測項目

存在邊坡問題的大壩較少，僅有2座，分別采用交會法、三角高程法和幾何水準(zhǔn)觀測，觀測精度總體尚可。接、裂縫監(jiān)測一般采用測縫計，測縫計總體精度較高，采用游標(biāo)卡尺觀測的2座大壩精度也尚可。1座大壩有壩基傾斜監(jiān)測，采用靜力水準(zhǔn)觀測，部分測點(diǎn)缽體或管路存在輕微的漏液或蒸發(fā)現(xiàn)象。其余觀測項目觀測精度均較好。

3 自動化情況

對采用自動化觀測變形的大壩和自動化儀器類型進(jìn)行統(tǒng)計，見表2。有13座大壩變形監(jiān)測采用垂線，由表2可見，10座大壩的垂線觀測采用自動化觀測，其中6座大壩采用電容式儀器，占60.0%；3座采用另一廠家的步進(jìn)電機(jī)式，占30.0%；另1座采用CCD型光電式，占10.0%。有4座大壩沒有人工比測，占40.0%。3座大壩的垂線自動化系統(tǒng)可靠性差或較差，1座大壩的實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律性差。

有8座大壩變形監(jiān)測采用引張線，由表2可見，6座大壩的引張線觀測采用自動化觀測，采用電容式為2座，占33.3%；采用步進(jìn)式為3座，占50.0%；采用CCD型光電式為1座，占16.7%。有4座大壩沒有人工比測，占50.0%。1座大壩的引張線自動化系統(tǒng)準(zhǔn)確性、可靠性均較差，但實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律性較好，1座大壩的實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律性差。

有5座大壩變形監(jiān)測采用靜力水準(zhǔn)，由表2可見，5座大壩的靜力水準(zhǔn)觀測均采用自動化觀測，均無人工比測。有2座大壩的實(shí)測數(shù)據(jù)規(guī)律性差。

表2 2009年度定檢混凝土壩變形自動化觀測儀器統(tǒng)計表Table 2:Statistics of deformation monitoring instruments for concrete dams in the 2009 annual inspection

表3 2009年度定檢混凝土壩變形監(jiān)測系統(tǒng)存在問題統(tǒng)計表Table 3:Problems in the deformation monitoring systems for concrete dams in the 2009 annual inspection

總體而言，16座混凝土壩中，采用自動化監(jiān)測程度較高，總體自動化觀測的準(zhǔn)確性、短期穩(wěn)定性、可靠性、實(shí)測數(shù)據(jù)均較好，僅個別電站較差。

4 存在問題

將變形監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題分為7類：監(jiān)測項目完備性（5座，其中2座存在多個問題）、測點(diǎn)布置合理性（2座）、觀測測值可靠性（9座，其中4座存在多個問題）、觀測方法合適性（9座）、計算方法正確性（2座）、觀測儀器合格性（11座，其中4座存在多個問題）、觀測頻次達(dá)標(biāo)性（2座），具體見表3。存在問題比較突出的是監(jiān)測項目完備性、測值可靠性、觀測方法合適性和儀器合格性，如有4座大壩的表面位移觀測工作基點(diǎn)無校測方式，屬于監(jiān)測項目不完備，需要增設(shè)；7座大壩都存在倒垂線浮子實(shí)際浮力不足的問題，屬于觀測儀器不合格，解決的方法是增加油量或者更換體積更大的浮子；有6座大壩的位移測值精度偏低，可靠性較差。

5 結(jié)語

（1）16座混凝土壩的水平位移觀測，引張線、垂線觀測精度高于視準(zhǔn)線，視準(zhǔn)線法觀測需嚴(yán)格控制觀測方法和觀測限差，提高觀測精度。

（2）2座大壩垂直位移未進(jìn)行觀測，其余大壩均有采用幾何水準(zhǔn)觀測，且絕大部分觀測較好。

（3）大壩的平面控制網(wǎng)絕大部分存在個別網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性不好的問題，高程控制網(wǎng)網(wǎng)點(diǎn)穩(wěn)定性相對較好，垂線校測大壩水平位移的精度尚可。

（4）16座混凝土壩中，比較突出的問題是監(jiān)測項目完備性、測值可靠性、觀測方法合適性和儀器合格性，某些大壩存在問題相對較多，有待改善。

（5）自動化監(jiān)測是遠(yuǎn)程監(jiān)控的基礎(chǔ)，因此需要通過定檢、注冊等工作，促進(jìn)自動化系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)一步提高自動化數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。