[科普中国]-水工建筑物安全监测设计

简介

水工建筑物安全监测设计是指为达到水工建筑物安全监测的目的而确定监测部位、监测项目、监测方法、仪器类型和仪器布置并规定监测设施埋设安装、数据采集、资料分析的技术方法和技术要求的工作。水工建筑物安全监测的主要目的是掌握施工期和运行期水工建筑物的实际工作性态，以便及时采取应急或加固措施，保障安全运用。同时，监测也可为检验工程设计、指导施工、检验施工质量以及提高运行水平提供依据。监测设计要为实现上述监测目的作出策划、论证和安排。监测设计的成果一般为监测设计报告、监测设计图，有的工程还有专题报告1。

我国对监测设计内容的规定中国对各阶段监测设计内容的规定有:

①可行性研究阶段，应提出安全监测系统的总体设计方案，说明监测项目及其所需仪器设备的数量和投资估算。

②初步设计阶段，应优化安全监测系统的总体设计方案、测点布置、监测设备及仪器的数量，提出投资概算和各监测设备应投入观测的时间。

③招标设计阶段，应提出监测仪器设备的清单、各主要监测项目及测次、各监测设施和仪器安装的技术要求及投资预算。

④施工详图阶段，应提出监测设施施工图，制定初期蓄水期间监测工作的计划和主要的监控技术指标。对于己经投入运行的水工建筑物，当工程进行除险加固、扩建、改建或出现安全监测仪器故障、失效、不完备而需要补充、更新时，需作出监测系统的更新设计。

水工建筑物安全监测设计的注意事项水工建筑物监测设计需考虑建筑物的级别、规模、结构型式、地形、地质条件和地理环境等因素和施工、运用条件。监测项目和测点的布设应能较全面地反映建筑物的工作状况;同时，应以安全上的关键部位和薄弱环节(如结构复杂或地基软弱的部位)为主要监测对象，突出重点，有明确的针对性，测点少而精，相关项目应统筹安排，配合布置。观测方法宜简捷、直观，满足精度要求，并便于校核。各监测仪器、设施的选择，要在精确可靠、稳定耐久、经济实用的前提下，力求先进和便于实现自动化观测。采用自动化观测系统时，应进行技术经济论证，所选用系统应能采集到连续、准确、完整的数据，并具有人工观测的条件。监测设计应注意在出现大洪水、严寒冰冻等恶劣条件下仍然能进行必要项目的观测。监测设备要有必需的保护装置，观测场所具备必需的交通和操作条件，并有照明、防潮、防寒等设施，必要时可设置专门的观测站房和观测廊道。施工期的正常观测条件，特别是初期蓄水时基准值的观测要得到保证2。

我国对水工建筑物安全监测项目的原则规定许多国家的监测规范和水工建筑物设计规范中对观测项目都有原则规定。中国规定，一级、二级混凝土坝宜布置的一般性观测项目为:巡视检查，上、下游水位，气温、库水温、混凝土温度及坝基温度，渗漏量、扬压力、绕坝渗流及水质分析，位移、挠度、倾斜、接缝及裂缝，应力、应变，下游冲淤、坝前淤积等。三级、四级混凝土坝宜布置的一般性观测项目为:巡视检查，水位，气温，位移，渗漏量，扬压力等。各级混凝土坝还可根据工程的具体情况，选设近坝区岸坡稳定、局部结构应力应变、坝体地震反应、水力学观测等项目。一级、二级土石坝必设或选设的观测项目除与混凝土坝相似的巡视检查，上、下游水位，气温，水温，表面变形，接缝及裂缝变形，渗漏量，绕坝渗流，坝前泥沙，岸坡位移，地震动态，泄水建筑物水力学观测等以外，还有坝体内部变形、混凝土面板变形、坝体和坝基渗流特性、孔隙水压力、土压力、接触土压力、混凝土面板应力、降水量、波浪、冰冻、动孔隙水压力等。

国际社会对水工建筑物安全监测方面的研究世界各国对大坝监测及其设计都十分重视。国际大坝委员会(ICOLD)在其60号公报《大坝监测基本要求》中指出:为保证获得建筑物施工期和运行期所需的信息，应仔细进行监测系统的设计;需要监测的不仅是大坝，还有坝基和坝肩。ICOLD在其68号公报《大坝及其地基监测技术发展水平》中指出:坝的安全不仅取决于合理的设计和正确的施工，而且取决于对大坝实际性态的监测;合理的监测能获得大量资料，增加人们对大坝实际性态的了解，为改进分析方法、提高实验技能、更好更安全地设计大坝提供便利条件。又指出:坝的安全水平主要是在设计阶段规定的，因此在坝的设计阶段就应根据设计准则来设计其观测系统，考虑的监测量应包括自变量(环境变量)和因变量(结构物对环境变量的反应)。自变量中最重要的是水位和温度，因变量中最重要的是位移、渗流量、应变、扬压力、孔隙水压力。各国大坝委员会在提出的监测技术发展报告中，总结其经验时提到:监测系统是一个综合体，它应包括表征大坝及其地基安全的要素，能说明大坝性态的各种参量，能测定这些参量的仪器，对仪器数量、布局和观测频率的设计等(意大利、日本)。就大坝的安全而言，最主要的监测物理量是渗流量、扬压力和位移(瑞士)。高度在50m以上的重力坝和30m以上的拱坝，必须设置漏水量、变形、扬压力等观测项目;斜墙和心墙土石坝必须设置的观测项目为漏水量和变形，均质土坝还要加测浸润线(日本)。使用直观检查能够察觉自动仪器所不能测出的异常情况，直观检查是仪器观测的一种有用和必要的补充，是不可缺少的(澳大利亚、法国、南非、奥地利、加拿大、美国、葡萄牙、意大利、日本)。宁愿认真地、频繁地、及时地观测较少量审慎地布置在结构内的直观检查仪器，也比在大量的数据中去寻找信息更为合理(法国)。

水工建筑物监测设计的历史水工建筑物的仪器监测于20世纪之初即己出现，当时仅限于用大地测量法观测混凝土坝的位移。后来，随着建筑物高度的增加、厚度的减小以及工程事故的不断出现，监测逐渐发展成为水利水电工程的一项必需的工作和掌握工程安全性态的重要手段。水工建筑物系统的监测设计开始于20世纪20年代。1926年美国拱坝研究委员会对史蒂文森溪(Stevenson Creek)薄拱坝进行了周密的观测设计，在坝内布置了成百支应变计、温度计、倾斜计，在坝外布设了三角网。30年代以后，欧美各国修建的坝普遍进行了监测设计。50年代以后，中国设计的水利水电工程也都含有监测设计内容。中国在70年代以后陆续颁布的全国性行业标准，如DI,5020-93《水利水电工程可行性研究报告编制规程》、DL5021-93《水利水电工程初步设计报告编制规程》等都规定有监测设计条款;SDJ21-78 ((混凝土重力坝设计规范(试行)》、SDJ 145-85《混凝土拱坝设计规范》、SL274-2001《碾压式土石坝设计规范》、SI,228-89《混凝土面板堆石坝设计规范》、SLJO1-88《土石坝沥青混凝土面板和心墙设计准则》、DI州T5005-92《碾压混凝土坝设计导则》、SL25-91《浆砌石坝设计规范》、SI,253-2000《溢洪道设计规范》、SD134-84《水工隧洞设计规范》、SI,265-2001《水闸设计规范》、SD303-88《水电站进水口设计规范(试行)》、SI,266-2001《水电站厂房设计规范》等都列有观测设计的专章;SDJ336-89《混凝土大坝安全监测技术规范(试行)》、SI,60-94《土石坝安全监测技术规范》还对各类监测项目的设计作出了具体的规定。中国对己建的新安江、刘家峡、丹江口、葛洲坝、龙羊峡、二滩、小浪底等坝都作了全面的监测设计，各由成千支仪器组成监测系统。三峡等水利枢纽的监测系统更为庞大、复杂和先进，它们的监测设计己成为枢纽设计中一个十分重要的部分。建筑物安全监测设计被列为三峡工程技术设计阶段的8个专项设计之一。在小浪底水利枢纽的安全监测设计中，信息系统设计被列为一项专门设计，进行了大量深入的研究、论证工作3。