任务4 土石坝的变形监测
一、概述
变形是大坝结构性态和安全状况的最直观、最有效的反映，是大坝安全监测最主要的项目之一。变形监测的主要目的是掌握水工建筑物与地基变形的空间分布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。
变形监测一般分为表面变形监测和内部变形监测，其中表面变形监测包括垂直位移和水平位移监测；内部变形监测主要有分层垂直位移、分层水平位移、界面位移、挠度和倾斜监测等。水平位移还可以划分为平行于坝轴线的水平位移和垂直于坝轴线的水平位移。其中平行于坝轴线的水平位移在重力坝中称为左右岸方向水平位移，在拱坝中称为切向水平位移，在土石坝中称为纵向水平位移；垂直于坝轴线的水平位移在重力坝中称为上下游水平位移，在拱坝中称为径向水平位移，在土石坝中称为横向水平位移。大坝与地基、高边坡、地下洞室等变形发展到一定限度后就会出现裂缝，裂缝的深度、分布范围、稳定性等对结构与地基安全影响重大。同时，为了适应温度及不均匀变形等要求，水工建筑物自身设计有各种接缝，接缝处的变形过大将造成止水的撕裂而出现集中渗漏等问题，因此，裂缝监测亦不容忽视。
对于土石坝而言，必设的变形监测项目是表面水平位移和表面垂直位移监测。
变形观测的符号规定如下。
（1）水平位移：向下游为正，向左岸为正；反之为负。
（2）垂直位移：向下为正，向上为负。
（3）界面、接（裂）缝及脱空变形：张开（脱开）为正，闭合为负。相对于稳定界面（如混凝土墙、趾板、基岩岸坡等）下沉为正，反之为负；向左岸或下游为正，反之为负。
（4）滑移：向坡下为正，向河谷为正，向下游左岸为正，反之为负。
（5）倾斜：向下游、左岸转动为正，反之为负。
（6）面板挠度：沉陷为正，隆起为负。
（7）地下洞室围岩变形：向洞内为正（拉伸），反之为负（压缩）。
二、横向水平位移观测
横向水平位移常用的观测方法有视准线法、引张线法、激光准直法、边角网法、交会法、导线法及GPS技术等。对于土石坝，横向水平位移监测可采用视准线法、前方交会法、极坐标法和GPS法，下面介绍视准线法。
（一）视准线法观测原理
视准线法观测方便、计算简单、成果可靠，是观测水工建筑物水平位移的一种常用方法，其观测原理见图1-1。在坝端两岸山坡上设工作基点A和B，将经纬仪安置在A点上，后视B点，构成视准线。由于A、B点在两岸山坡上，不受土坝变形影响，因此AB构成的视准线是固定不变的，以此作为观测坝体变形的基准线。然后沿视准线在坝体上每隔适当距离埋设水平位移标点，如a、b、c、d、e。测出标点中心离视线的距离la0、lb0、lc0、ld0、le0，作为初测成果，记录了各位移标点与视准线的相对位置。当坝体发生水平位移后，各位移标点与视准线相对位置发生变化。再用经纬仪安置在工作基点A上，后视B点，可测出各位移标点离视准线的距离la1、lb1、lc1、ld1、le1，与初测成果的差值即为该位移标点在垂直视准线方向的水平位移量。以c点为例，初测成果为lc0，变位后离视准线距离为lc1，lc1与lc0的差值即为位移标点c的水平位移量δc1。
图1-1 视准线法观测水平位移示意图
1—工作基点；2—位移标点；3—视准线；4—校核基点
（二）测点的布设
为了全面掌握土坝的水平位移规律，同时又不使观测工作过于繁重，就要在土坝坝体上选择有代表性的部位布设适当数量的测点进行观测。水平位移的测点分为三级：位移标点、工作基点和校核基点。一般布置原则是：
（1）位移标点布置在坝体上。观测横断面选择在最大坝高处、原河床处、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处、坝内埋管及运行有异常反应处，一般不少于3个。
（2）观测纵断面一般不少于4个，通常在坝顶的上游、下游两侧布设1～2个；上游坝坡正常蓄水位以上1个，正常蓄水位以下视需要设临时测点；下游坝坡半坝高以上1～3个，半坝高以下1～2个（含坡脚处1个）。对软基上的土石坝，还应在下游坝址外侧增设1～2个。
（3）坝长小于300m时，每排位移标点的间距宜取20～50m；坝长大于300m时，宜取 50～100m。
（4）每排位移标点延长线两端山坡上各设一个工作基点。若坝轴线非直线或轴线长度超过500m，可在坝体每一纵排标点中增设工作基点，并兼做标点。
（5）为了校测工作基点有无变动，在两个工作基点延长线上各埋设一个校核基点，如图1-1所示。校核基点也可不设在视准线延长线上，而在每个工作基点附近，设置两个校核基点，使两校核基点与工作基点的连线大致垂直，用钢尺丈量以校测工作基点是否发生变位。
（6）工作基点与校核基点都应布置在坚硬的岩石或坚固的土基上，应为不动点，且能避免自然因素和人为因素的影响。
（三）观测仪器和设备
1.观测仪器
视准线法观测水平位移，一般用经纬仪进行。
一般大型水库的土坝水平位移，可使用 J6级或 J2级经纬仪进行观测。土坝长度超过 500m以及比较重要的水库，最好使用 J1级经纬仪进行观测。
对于视准线长度超过 500m （或曲线形坝）的变形观测可以采用徕卡或拓普康的全站仪观测。
2.观测设备
（1）工作基点。工作基点是供安置经纬仪和觇标构成视准线的标点，有固定工作基点和非固定工作基点两种。埋设在两岸山坡上的工作基点，称为固定工作基点。当大坝较长或折线形坝需要在两个固定工作基点之间增设工作基点，这种工作基点埋设在坝体上，其本身随坝体变形而发生位移，故称为非固定工作基点。
工作基点应采用混凝土观测墩，其高度不宜小于1.2m，顶部应设强制对中装置，对中误差不超过±0.1mm，盘面倾斜度不应大于4′。建在基岩上的，可直接凿坑浇筑混凝土埋设；建在土基上的，应对基础进行加固处理。工作基点结构见图1-2。
图1-2 工作基点结构示意图（单位：cm）
1—保护盖；2—强制对中基座
（2）校核基点。校核基点的结构基本与工作基点相同。校核基点和工作基点的位置应具有良好视线（对空）条件，视线高出（旁离）地面或障碍物距离应在1.5m以上，并远离高压线、变电站、发射台站等，避免强电磁场的干扰。要求监测点旁离障碍物距离1.0m以上。工作基点和校核基点是测定坝体位移的依据，必须保证其不发生变位，一般需浇筑在基岩或原状土层上。
（3）位移标点。位移标点应与被监测部位牢固结合，能切实反映该位置变形，其埋设结构可依位移标点布设独立设计。
（4）观测觇标。位移观测所用的觇标，可分为固定觇标和活动觇标两种。
1）固定觇标。固定觇标设于后视工作基点上，供经纬仪瞄准构成视准线。
2）活动觇标。活动觇标是置于位移标点上供经纬仪瞄准对点的。
图1-3为简易活动觇标，觇标底缘刻有毫米分划，其零分划与觇标图案中线一致，注记分划向左右增加，供观测时读数用。应用简易活动觇标，位移标点顶部只需埋设刻有十字线的铁板，十字线中心即为位移标点中心。
（四）观测方法
图1-3 简易活动觇标
用视线法观测水平位移，视线长度受光学仪器的限制，一般前视位移标点的视线长度在 250～300m之内，可保证要求的精度。坝长超过 500m或折线形坝，则需增设非固定工作基点，以提高精度。观测方法有活动觇牌法和小角法，下面介绍活动觇牌法。
1.坝长小于 500m
对于坝长小于 500m的坝，坝体位移标点可分别由两端工作基点观测，使前视距离不超过 250m。观测时，在工作基点 A上安置经纬仪，后视另一端的工作基点 B的固定觇标，固定经纬仪上下盘。然后前视离基点 A二分之一坝长范围内的位移标点。观测每个位移标点时，用旗语或报话机指挥位于标点的持标者，移动位移标点上的活动觇标，使觇标中心线与望远镜竖丝重合，由持标者读出活动觇标分划尺上位移标点中心所对的读数，读数两次取均值。再倒镜观测一次，取正倒镜两次读数的平均值作为第一测回的成果，正镜或倒镜两次读数差应不大于2mm。同法再测第二测回，两测回观测值之差应不大于1.5mm。如此，依次观测工作基点 A至坝长中点之间的位移标点。再在工作基点 B上安置经纬仪，后视工作基点 A，依次观测坝长中点至工作基点 B之间的位移标点。
视准线法观测水平位移的记录表，可参考表1-5格式。
表1-5 水平位移观测记录表
注 1.埋设偏距为位移标点初测成果，即首次观测的平均读数。
2.位移方向向下游者读数为“+”，向上游者读数为“-”。
2.坝长大于 500m
当坝长超过 500m，观测位移标点的视距超过 250m，因此，需在坝体中间增设非固定工作基点。如图1-8所示，在视准线中点附近坝体增设非固定工作基点 M。当坝体发生变形后，M点也随坝体发生位移至M′。进行位移观测时，首先由工作基点 A和 B，测定 M′点的位移量。观测应进行 2个测回，各测回成果与平均值的偏差应不大于 2mm，然后将经纬仪安置在M′点后视 A和 B，观测M′前后各 250m范围内位移标点的位移量。其他位移标点由固定工作基点 A和 B后视M′进行观测，如图1-4所示。
由于视准线法观测位移的视线不宜超过 300m，故即使增设非固定工作基点，最大坝长不宜超过 100m。对坝长超过 1200m的坝，则应采用其他方法，如前方交会法等进行观测。
三、垂直位移观测
垂直位移是大坝安全监测的主要项目之一，常用的方法有精密水准测量法、静力水准测量法、三角高程法及GPS技术等。
图1-4 长坝增设非固定工作基点观测位移示意图
土石坝垂直位移观测周期与水平位移观测周期一样，通常两项观测同期进行。土石坝、混凝土坝的垂直位移都可用上述几种方法进行观测。为叙述方便、避免重复，在本节统一介绍。
（一）精密水准测量法
精密水准测量法是目前大坝垂直位移观测的主要方法。用精密水准测量法监测大坝垂直位移时，应尽量组成水准网。一般采用三级点位——水准基点、起测基点和位移标点；两级控制——由起测基点观测垂直位移标点，再由水准基点校测起测基点。如大坝规模较小，也可由水准基点直接观测位移标点，水准基点和起测基点设在大坝两岸不受坝体变形影响的部位，垂直位移标点布设在坝体表面，通过观测位移标点相对水准基点的高程变化计算测点垂直位移值。每次观测进行两个测回，每个测回对测点测读3次。观测的往返闭合差按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）的有关规定执行。垂直位移的计算公式如下：
式中：ΔZi为第i次测得测点的累计垂直位移；Z0、Zi为测点的始测高程和第i次测得的高程。
测点的间隔垂直位移由下式计算：
式中：ΔZji为第i次测得的间隔垂直位移，其余符号意义同式（1-1）。
土石坝垂直位移观测的测点布置要求与水平位移测点布置要求一样。因此，垂直位移测点与水平位移测点常结合在一起，只须在水平位移标点顶部的观测盘上加制一个圆顶的金属标点头。
（二）静力水准测量法
静力水准测量法又称连通管法。该法采用水力学连通管原理，用充水连通管连接起测基点和各位移标点，以连通管中水面线与起测基点高差确定水面线高程，通过测量各位移标点同水面线的高差获得各位移标点高程，各位移标点高程与其始测高程的差值即为该位移标点的累计垂直位移。静力水准垂直位移监测系统示意图见图1-5。
图1-5 静力水准垂直位移监测系统示意图
（三）三角高程法
随着全站仪、光电测距仪的研发应用及对大气折射等领域研究的快速发展，三角高程测量已接近或达到了一等水准测量的精度。三角高程测量具有外业简单、观测快速，可以测量水准测量难以达到的高程等优点。
四、裂缝观测
根据《土石坝安全监测技术规范》（SL 551—2012）的规定，对已建坝的表面裂缝（非干缩、冰冻缝），凡缝宽大于5mm，缝长大于5m，缝深大于2m的纵、横向裂缝，以及危及大坝安全的裂缝，均应横跨裂缝布置表面测点进行裂缝开合度监测。裂缝的观测内容包括裂缝的位置、走向、长度、宽度和深度等，详见表1-6。
表1-6__________________年度裂缝分布统计表
观测裂缝位置时，可在裂缝地段按土坝桩号和距离。用石灰或小木桩画出大小适宜的方格网进行测量，并绘制裂缝平面图。裂缝长度可用皮尺沿缝迹测量。对于缝宽，可在整条缝上选择几个有代表性的测点，在测点处裂缝两侧各打一排小木桩，木桩间距以50cm为宜。木桩顶部各打一小铁钉。用钢尺量测两铁钉距离，其距离的变化量即为缝宽变化量。也可在测点处撤石灰水，直接用尺量测缝宽。裂缝深度观测，可在裂缝中灌人石灰水，然后挖坑或钻孔探测，深度以挖至裂缝尽头为准，可量测缝深和走向。对表面裂缝的长度和可见深度的测量，应精确到1cm，宽度应精确到0.2mm；对于深层裂缝，除按表面裂缝的要求测量裂缝深度和宽度外，还应测定裂缝走向，精确到0.5°。
土坝裂缝巡测的测次，应视裂缝发展情况而定。在裂缝发生的初期，应每天巡测1次。待裂缝发展缓慢后，可适当延长间隔时间。但在裂缝有明显发展和库水位骤变时，应加密测次。雨后还应加测。特别是对于可能出现滑坡的裂缝，在变化阶段，应每隔1～2h巡测1次。