水利工程土石坝坝体施工填筑质量变形监测方法研究

弓少君

（山西省水利建筑工程局有限公司山西太原030006）

0 引言

我国是世界上修建大坝数量最多、大坝高度最高的国家之一，平均坝高大于100 m[1]，但由于大坝运行的环境复杂，一般在丰水时期会形成很多险坝，存在人员伤亡和财产损失的隐患。因此无论从已经建成的大坝安全角度出发，还是从未来大坝技术的发展来看，建立一个健全的大坝监测体系都有着十分重要的意义[2]。

土石坝作为所有大坝中修建速度最快，修建方法最便捷的坝型，受到了更广泛的关注。关于大坝的施工填筑质量变形监测技术，已经经历了几十年的发展历程。国外很多发达国家在70年代末期已经研制了自动化变形观测系统，实现了计算机在线观测，而我国也逐步通过高精度仪器使坝体变形监测达到了新的水平。常规方法中最具代表性的是文献[3]的方法，该方法提出基于多源观测技术的海堤变形监测方法，从空间、地面以及水下三个方面介绍了变形监测技术手段的特点及其在海堤监测中的应用，在综合比较海堤监测技术手段的基础上，提出了海堤变形监测系统的建立、地面和水下一体化的建议。由于该方法监测周期过长，导致水平和垂直位移的监测值和实际结果不符，影响监测质量，因此本文研究新的土石坝体施工填筑质量变形的监测方法，在文献[3]方法的基础上，所研究方法的创新点是在土石坝上设置变形监测点，确定监测频率，合理设计监测周期，监测土石坝的垂直位移和水平位移，完成点、线、面立体结合的空间监测方法，使监测值和实际结果可以保持一致，降低土石坝事故发生的可能性。

1 土石坝坝体施工填筑质量变形监测

1.1 设置土石坝变形监测点、确定监测间隔时间

对土石坝进行变形监测首先要了解整个大坝的全貌，以便设置变形监测点和确定监测频率。一般来说为了整个施工过程和变形监测更加方便，土石坝坝体填筑不会设置观测廊道，所以需要将变形监测点全部设置在大坝表面，例如大坝最高处、泄水孔底部、大坝基底地质不良地段或者地势变化比较大的位置。在设置监测点时，基本是将大坝坝顶处设起点，并且横截面的监测数量不能少，避免造成后期变形分析困难。监测点设置涵盖两部分，分别是基准点设置和工作基点设置，其中基准点使用远设方法，即在远离变形体的地方设置基准点，将工作基点增加数个以便连接监测点和基准点；而工作基点有承上启下的作用，一般会设置在坝体两端的不同高度，在地质条件较好的地点，以独立图形作为预设点加以设定，在监测点设置完成后，需要反复观察变形监测频率，即确定监测间隔时间。

通常监测的间隔时间是根据监测点所在位置、变形值的大小等多个因素来确定。在监测大坝变形的过程中，以不漏失变形时刻为原则，当大坝的变形速度变快时，其监测间隔的时间需要变短。同一个大坝，如果在不同的时间段，其监测的间隔时间也不一样，比如在监测初期，因为对整个大坝的变形规律没有一定的了解，此时的监测间隔时间要短，需针对每个监测点进行反复监测，寻找变形规律；当对变形规律有了解之后，在监测后期可适当地延长监测间隔时间，再确定最终监测的间隔时间，便可以计算监测周期。

1.2 设计监测周期

坝体变形是一个动态的过程，因为变化速度不均匀，时间不能恒定，设计一个合理的监测周期是非常重要的，它能够得到一个正确的变形结果以保证坝体自身安全。由于我们监测变形的次数是可控的，在设计监测周期前，需要考虑监测的必要精度，监测目的是变形值不能超过规定数值，从而保护建筑安全，在监测时的误差应小于允许变形值的1/20～1/10。因此在设计检测周期时一味地追求零误差和不计误差的变形监测都是不行的，其监测精度误差一般在-10±5 mm 范围内[4]。然后设计监测周期，将位移变化量中的误差、变形速度和位移变化量这三组变量，使其满足测定的误差比的允许值，公式为：

公式（1）中：位移变化量中的误差用Nεy表示，其位移变化量εy和测定的误差比的允许值用G表示。假设变形速度用S表示，在满足条件下将监测周期设为K，则公式为：

根据上述两个条件确定监测周期，满足公式为：

公式中：Nεy表示位移变化量中的误差。在已知的检测时间间隔的数值时，还能根据公式（2）和（3）求得位移变化量中的误差，可以表示为：

位移量变化值的误差是一个数量级，上述公式表明在监测精度、大坝变形速率和监测周期之间存在相互作用的关系，如果精度偏低会给后期变形分析增加难度，使得预估的变形量误差变大，甚至可能得到不正确的结果，因此设计合理的变形监测周期需要达到最高的精度。其监测误差小于允许的数值即可，通过设定合理的监测周期，来监测土石坝垂直位移和水平位移。

1.3 监测土石坝垂直位移和水平位移

变形监测主要是监测外部变形与内部变形两方面：外部变形是指变形结构外部形态和空间位置的变化情况，比如有倾斜、裂缝、垂直位移和水平位移等。而对于坝体变形监测，以垂直位移和水平位移的监测为重点，首先是垂直位移，也常被称作沉降监测，指的是土石坝和它的基础在垂直方向的变形，以不同时期高程变化不同表示，需要监测垂直位移[5]。根据监测精度和土石坝实际情况，采用中间法完成三角高程监测，就是不用使用监测仪器，直接通过坝体高度和棱镜的高度，在中间设置三角高程来监测，如图1所示。

图1 中间设站方法三角高程监测原理图

根据图1所示，将全站仪器安置在P、Q两点的中间H位置，仪器高度为j，观察P、Q的标志点的斜向距离Zp、Zq，竖向直角δp、δq，标志点为固定长度d，则P、Q两点的高度LP、LQ分别为：

公式（5）中：前视垂直距离用lp表示，lp=Zpsinδp；后视垂直距离用lq表示，lq=Zqsinδq；将其带入公式得出P、Q两点的高差lpq为：

将基准点方程引入到各个垂直位移的监测点上，能够快速地得到监测各个基准点之间的高差变化，得出监测结果，但对监测点的位置选择有很高的要求，所以在设置监测点时需要高度重视。在监测垂直位移值后，对水平位移进行监测，目的是监测土石坝在水平面内的形态变化，为了监测结果具有专业性，采用视准线方式监测，原理如图2所示。

图2 视准线法监测水平位移原理图

将视准线上的两个端点U、R分别设为工作基点，把监测点O1、O2、O3…分别设置在UR的连接线，而且视准线的偏差必须在2 cm 内。监测点位于视准线UR的偏离值ea的变化情况，就是土石坝在视准线方向的水平位移值，其中偏离值ea计算公式为：

公式（7）中：基准线UR方向上的测试点和监测点所产生的夹角用为βa表示；测试点和监测点之间的水平距离用Fa表示；根据误差的传播定律能够得出偏离值中的误差为：

公式（8）中：cβ代表监测角精度；cFa代表监测距离精度；在U点设置全站检测仪，瞄准R点后保持可视方向固定，通过放置在Oa的标志牌依次操作，使标志牌中心点能和视准线重合在一起，根据活动的标志牌上的数据，和初始数据相减，可以得出Oa点偏离基准线的偏移值ea，在同一个监测点中，每个不同监测周期偏离值的变化量，就是在该监测点的水平位移值。

2 实验论证分析

为了验证本文方法监测的水平与垂直位移值和实际结果一致，选择最大坝高为115 m 土石坝为例为实验对象，分别使用文献[3]方法和本文方法进行实验，对比两种方法的监测结果。首先进行水平位移监测对比，将设置10 个水平位移监测基准点，组成编号为C01～C10；2 个工作基点，编号为KJ01、KJ02，坝顶视准线约为225 m，视野状态良好，监测位移误差需要控制在±0.2 mm 范围内。分别使用两种方法监测水平位移值，对比结果如表1所示。

表1 各基准点水平位移监测值对比 单位：m

由表1 可知，常规方法所监测的水平视线位移在监测点和基准点之间的距离小于80 m 时，其监测值能够满足实际结果范围，但超过80 m 时，其结果均超过实际结果的范围要求；而本文方法在监测水平位移时所得到的监测值，都没有超出实际结果范围。因此在水平间距小于80 m 时，使用两种方法都可以得到和实际结果相一致的监测值，但水平间距大于80 m时，本文所设计方法的监测结果和实际结果一致。

在对比水平位移监测结果后，将设置好的26 个垂直位移监测点，组成编号为D01～D11，E01～E15；2 个工作基点，编号为HLN06、HLN07。其中大坝的垂直位移监测点D01～D11 位于观测墩旁，观测墩兼顾水平和垂直位移监测，其中垂直位移测点仅为E01～E15，设置路线为HLN06-E01-D01-D10-E15-KJ01-D11-KJ02-E14-E01-HLN07，水准路线长2.3 km。分别使用两种方法进行垂直位移监测，对比结果如表2所示。

表2 各个基准点垂直位移监测值对比 单位：mm

由表2 可知，常规方法下所监测的基准点垂直位移值，在观测墩旁的监测值和实际结果相差较大，而位于水平路线上的垂直位移基准点监测值，只有1个在实际值范围内，并且在精准点垂直监测路线上的水平位移监测值也不满足实际结果范围；但是文中方法的监测值全部在实际结果范围内，包括垂直路线上水平基准点的位移值也在实际结果范围内。说明本文方法监测水平和垂直位移和实际结果都能保持一致，可以更好地满足土石坝监测。

3 结语

通过设置土石坝变形监测点确定监测时间间隔，设计监测周期，测量土石坝垂直位移和水平位移，研究水利工程土石坝坝体施工填筑质量变形监测方法，无论是水平位移监测值还是垂直位移监测值，监测方法和实际结果都可以保持一致，避免了外界因素对土石坝变形监测的影响，提高了工作效率，满足土石坝监测需求。但由于影响土石坝质量变形的监测因素有很多，本文设计的方法中采集的数据也比较单一，无法全面衡量影响坝体安全的因素，因此在后续的研究工作中，需要将其他因素合并考虑，不断探索土石坝工程的质量变形监测方法。