CN109029337A - 一种土石坝防渗体变形监测系统和监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土石坝防渗体变形监测系统和监测方法，包括监测基准、柔性位移计、护管、数据采集装置，监测基准设置在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩内，柔性位移计底部固定在监测基准上，监测基准以上的柔性位移计外侧套有护管，护管连续贴合或贴近安置在防渗体下游面，使柔性位移计与防渗体同步变形，柔性位移计顶端连接到设置在坝顶的数据采集装置上。本发明从根本上解决了土石坝防渗体变形常规监测方法的监测数据代表性差、精度低的问题，与常规监测方法比较，安装埋设质量可控、观测工作量小、自动化程度高，并实现了防渗体三维变形监测。

Description

一种土石坝防渗体变形监测系统和监测方法

技术领域

本发明涉及水利水电工程监测领域，尤其涉及一种土石坝防渗体变形监测系统和监测方法。

背景技术

土石坝防渗体起挡水防渗漏作用，防渗体变形过大或变形不协调，会使防渗体产生危害性裂缝或导致防渗体系缺陷，从而产生渗流异常，严重时会造成渗流事故；水利部曾对全国多座大型水库事故整理，发现渗流事故占31.7％，因此防渗体变形是重要的监测项目。防渗体变形主要进行挠度变形监测，当防渗体为土质或沥青混凝土等柔性材料心墙时，还会进行压缩变形监测。

对于防渗体挠度变形监测，通常在防渗体附近埋设测斜管，采用活动式测斜仪人工观测或内置固定式测斜仪自动观测，这种监测方法有如下缺陷：①测线远离防渗体代表性差。由于防渗体表面一般并不是平面，且防渗体原则上不能被占用和穿透，而测斜管通常也不能被弯折，其测线近似为一条直线，因此测斜管难以贴合防渗体，测线代表性差。②测斜管导槽朝向要求严格，埋设质量难以保证。为获取面板挠度变形，需使测斜管导槽连线与挠度变形方向一致，否则会带来测量误差，这一点在土石坝碾压施工过程中不容易做到，且测斜管越长导槽扭转可能性越大，观测时受扭转的影响也越大，测量误差修正麻烦。③人工观测过程繁琐、工作量大。人工观测可以设置相对较多测点，使挠度曲线拟合误差减小，但测点数量与工作量成正比，常以小时计，且观测过程繁琐、效率不高。④管内固定测斜仪自动观测时，测点数量受限，观测成果误差较大，且安装过程繁琐、风险较大。管内每只固定测斜仪需要引出一根电缆，管内空间狭窄限制了测点数量，一般测点间距为5～10m，挠度曲线上数据不连续，测斜仪之间通过柔性杆件连接，两点之间的挠度曲线通过拟合生成，误差较大；测斜仪安装过程中需要组装的机械连接件数量较多，安装过程中一旦掉入孔中，则难以打捞而成为废孔。⑤不能实现三维自动监测。测斜管只能进行垂直其轴线方向的变形监测，若要监测轴向变形，则需要外套探测标点如沉降磁环，只能采用活动式测斜仪和活动式沉降仪分别人工量测，若测线与水平夹角较小，则人工测量方式也难以实施。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种土石坝防渗体变形监测系统和监测方法，整体简洁，不占用、不削弱防渗体主体，贴合或贴近防渗体安置，出线简单，测线上测点连续分布，能够代表防渗体变形；所述监测装置实施埋设时质量容易控制，监测方法的数据采集和处理过程无需人工干预、自动化程度高，能够获取代表防渗体变形的、高精度的连续变形曲线，实现防渗体三维变形监测。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种土石坝防渗体变形监测系统，包括监测基准、柔性位移计、护管、数据采集装置，监测基准设置在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩内，柔性位移计底部固定在监测基准上，监测基准以上的柔性位移计外侧套有护管，护管连续贴合或贴近安置在防渗体下游面，使柔性位移计与防渗体同步变形，柔性位移计顶端连接到设置在坝顶的数据采集装置上。

所述监测基准上钻孔或预留孔，钻孔或预留孔的有效孔径大于柔性位移计外径，孔径70～90mm，有效孔深为1～2m，钻孔或预留孔中注入水泥砂浆固定柔性位移计。

所述柔性位移计采用阵列式位移计或多维度变形测量传感器。

所述柔性位移计测量端自带一根电缆，电缆连接到数据采集装置上。

所述护管与柔性位移计配套，护管内径大于柔性位移计外径2～4mm，护管为具有柔性、内壁光滑的PE、PVC或PPR管。

一种土石坝防渗体变形监测方法，包括以下步骤：

(1)在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩内钻孔或预留孔，将柔性位移计底部直埋固结在孔内形成监测基准；

(2)监测基准以上的柔性位移计，外套护管连续贴合或贴近安置在防渗体下游面，使之与防渗体同步变形；

(3)将柔性位移计测量端电缆与数据采集装置连通，通过数据采集装置及配套软件，以现地有线自动采集、或现地无线自动采集、或远程自动采集的方式，自动获取防渗体三维变形数据并处理。

所述贴合或贴近安置在防渗体下游面，要求不占用防渗体主体且尽可能靠近防渗体下游面安置：对于钢筋混凝土面板堆石坝，贴合面板安置在面板基础垫层料表面；对于沥青混凝土面板堆石坝，贴近面板安置在面板基础垫层料表层的浅槽内，保持一定的安全距离避免高温损坏柔性位移计；对于心墙坝，贴合心墙安置在心墙与下游过渡料结合处。

所述监测基准上钻孔或预留孔的有效孔径大于柔性位移计外径70～90mm，有效孔深为1～2m，钻孔或预留孔中注入水泥砂浆固定柔性位移计。

所述柔性位移计采用阵列式位移计或多维度变形测量传感器，柔性位移计测量端自带一根电缆，电缆连接到数据采集装置上。

所述护管与柔性位移计配套，护管内径大于柔性位移计外径2～4mm，护管为具有柔性、内壁光滑的PE、PVC或PPR管。

本发明的有益效果是：测线能够贴合或贴近防渗体安置，与防渗体同步变形，从根本上解决了常规监测手段代表性差的问题；柔性位移计连续分布在测线上，能够获取连续点位的监测数据，基本消除了点位之间的拟合误差，进一步提高了防渗体变形曲线的代表性和精度；监测系统实施埋设时，朝向易于掌控，出线简单，埋设质量容易控制；所述监测方法自动化程度高，数据采集和处理过程无需人工干预，提高了观测效率，避免了人为误差；实现防渗体三维变形监测；不占用、不削弱防渗体主体，不会在防渗体内部形成渗流通道，给防渗主体带来安全隐患。

附图说明

图1是本发明土石坝防渗体变形监测系统的面板坝型横剖面图。

图2是本发明土石坝防渗体变形监测系统的心墙坝型横剖面图。

图中，1——防渗体(沥青混凝土心墙/面板)；2——防渗体基座/基岩；3——柔性位移计；4——护管；5——监测基准；6——电缆；7——数据采集装置；8——过渡层一区；9——过渡层二区；10——上游堆石；11——下游堆石；12——碎石垫层；13——过渡层；14——主堆石。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，现对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2所示，本发明的土石坝防渗体变形监测系统，包括监测基准5、柔性位移计3、护管4、数据采集装置7，监测基准5设置在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩2内，柔性位移计3底部固定在监测基准5上，监测基准以上的柔性位移计3外侧套有护管4，护管4连续贴合或贴近安置在防渗体1下游面，使柔性位移计3与防渗体1同步变形，柔性位移计3顶端连接到设置在坝顶的数据采集装置7上。

所述监测基准5上钻孔或预留孔，钻孔或预留孔的有效孔径大于柔性位移计3外径70～90mm，有效孔深为1～2m，钻孔或预留孔中注入水泥砂浆固定柔性位移计2。

所述柔性位移计2采用阵列式位移计或多维度变形测量传感器。

所述柔性位移计2测量端自带一根电缆6，电缆6连接到数据采集装置7上。

所述护管4与柔性位移计3配套，护管4内径大于柔性位移计3外径2～4mm，护管4为具有柔性、内壁光滑的PE、PVC或PPR管。

图中，12——碎石垫层；13——过渡层；14——主堆石。

一种土石坝防渗体变形监测方法，包括以下步骤：

(1)在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩内钻孔或预留孔，将柔性位移计底部直埋固结在孔内形成监测基准；

(2)监测基准以上的柔性位移计，外套护管连续贴合或贴近安置在防渗体下游面，使之与防渗体同步变形；

(3)将柔性位移计测量端电缆与数据采集装置连通，通过数据采集装置及配套软件，以现地有线自动采集、或现地无线自动采集、或远程自动采集的方式，自动获取防渗体三维变形数据并处理。

所述贴合或贴近安置在防渗体下游面，要求不占用防渗体主体且尽可能靠近防渗体下游面安置：对于钢筋混凝土面板堆石坝，贴合面板安置在面板基础垫层料表面；对于沥青混凝土面板堆石坝，贴近面板安置在面板基础垫层料表层的浅槽内，保持一定的安全距离避免高温损坏柔性位移计；对于心墙坝，贴合心墙安置在心墙与下游过渡料结合处。

具体地说，贴合或贴近安置在防渗体下游面，要求不占用防渗体主体且尽可能靠近防渗体下游面安置：①对于钢筋混凝土面板堆石坝，在坝坡碎石垫层碾压完成后，面板浇筑前，择机在趾板或趾板下游基岩内设置监测基准，在基础垫层料表面沿监测断面敷设外套护管的柔性位移计，随面板浇筑贴合安置在面板底面；②对于沥青混凝土面板堆石坝，需将柔性位移计与面板保持一定的安全距离，避免高温损坏传感器，具体在坝坡碎石垫层碾压完成后，面板浇筑前，择机在面板底部基岩内设置监测基准，在面板基础垫层料表层沿监测断面开挖浅槽，槽深根据现场试验而定，然后将外套护管的柔性位移计安置在浅槽底部，回填最大粒径≤50mm的级配碎石料并人工压实到填坝标准，随面板浇筑贴近面板底面安置；③对于心墙坝，贴合心墙安置在心墙与下游过渡料结合处。具体可在当前层心墙与坝体料碾压填筑前，将柔性位移计在沟槽内做好保护并回填，保护措施及槽深以确保能够避免碾压施工及沥青心墙高温损坏传感器；待当前层碾压填筑完成后，小心挖出柔性位移计，贴合心墙安置柔性位移计，并将剩余柔性位移计再次在沟槽内做好保护并回填，下一层重复上一层操作，直至坝顶。

具体结合实例详细说明：

如图2所示，某大(2)型水电站工程，挡水建筑物为沥青混凝土心墙堆石坝，坝顶长219.85m，坝顶宽15.0m，河床部位最大坝高164.2m，沥青混凝土心墙最大高度132.0m，需对沥青混凝土心墙变形进行监测。本工程堆石坝心墙底部为放大结构，常规测斜管监测方式需要在放大结构以外垂直埋设，使得测线距离心墙表面0.5～0.9m，另外测斜管常规埋设方式需要避开心墙施工机械影响，在距心墙1.5～2m处埋设，由于距离心墙远，测斜管量测的只是过渡层一区的变形，无法代表心墙的变形；另外测线长达132m，导槽安装极易发生扭转和变形，测斜管埋设质量难以保证，采用人工观测时效率低下，若安装固定式测斜仪进行自动监测，按间隔5m设置1个测点计，需要引出27根电缆，根据经验管内引出16根电缆已十分困难；从测线代表性和预期实施效果看，常规测斜管监测方法不适用该工程心墙变形监测。为了实现该工程心墙变形监测，采用了本发明所述的土石坝防渗体变形监测装置和方法。具体实现过程如下：

监测装置的柔性位移计3选用阵列式位移计，其长度根据监测部位沥青混凝土心墙1下游表面测线长度定制，自带一根电缆6可就近引至坝顶监测站；护管4采用内径Φ27mm的柔性PVC管，护管不约束阵列式位移计在管内滑动。

监测基准5设置在沥青混凝土心墙底部的防渗体基座2上，具体在沥青混凝土心墙底部放大结构的下游侧，定位后在防渗体基座上钻垂直孔，孔径为Φ76mm，有效孔深不小于1.0m，钻孔完成后采用钢盖板封闭孔口。当沥青混凝土心墙和下游过渡层一区8填筑高程超过防渗体基座约0.75m时，挖出孔口钢盖板并打开，在孔内注满微膨胀水泥砂浆，将不带护管的1m阵列式位移计下入孔内并固定，水泥砂浆固结后，孔内段位移计作为沥青混凝土心墙变形的监测基准。

钻孔以上贴合沥青混凝土心墙下游表面安置50cm长的带护管的阵列式位移计，并在沥青混凝土心墙下游侧沿上下游方向开挖沟槽，经现场温度试验采用深25cm沟槽，长度超出摊铺机下游侧下料斗摊铺施工范围1m以上，将剩余阵列式位移计带护管平铺于槽内，并采用槽钢保护，使阵列式位移计不被压坏且不会被沥青混凝土心墙高温损坏。

做好保护措施后，继续进行沥青混凝土心墙和过渡层一区的施工。当上升高度达到50cm或100cm(约为阵列式位移计单节长度的整数倍)后，小心挖出阵列式位移计，继续贴合沥青混凝土心墙下游表面安置50cm或100cm长的带护管的阵列式位移计，回填沟槽至当前填筑高程以下25cm并压实达到填坝标准，将剩余阵列式位移计带护管平铺于槽内，并采用槽钢保护，然后回填至当前填筑高程。重复本步骤直至沥青混凝土心墙顶高程。图中，9——过渡层二区；10——上游堆石；11——下游堆石。

大坝填筑到顶，坝顶结构形成时，将阵列式位移计就近引至监测站。数据采集采用现地有线自动采集方式，具体通过SAAUSB转换器将阵列式位移计直接连接至安装SAAsuite软件的笔记本电脑，自动采集心墙三维变形数据并处理。另外还配置了SAA232转换器，以方便接入工程监测自动化系统。

本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益效果：解决了该工程高沥青混凝土心墙坝心墙的变形监测问题，获取了连续点位的高精度监测数据，监测成果代表性好；与常规监测方法比较，降低了安装埋设的技术难度，安装埋设质量得到了保证；实现了心墙三维变形监测，并实现了监测数据的自动采集和处理，大幅减少了观测工作量，提高了观测效率，避免了人为观测误差。

以上所述的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。

Claims (10)

1.一种土石坝防渗体变形监测系统，其特征在于，包括监测基准(5)、柔性位移计(3)、护管(4)、数据采集装置(7)，监测基准(5)设置在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩(2)内，柔性位移计(3)底部固定在监测基准(5)上，监测基准以上的柔性位移计(3)外侧套有护管(4)，护管(4)连续贴合或贴近安置在防渗体(1)下游面，使柔性位移计(3)与防渗体(1)同步变形，柔性位移计(3)顶端连接到设置在坝顶的数据采集装置(7)上。

2.根据权利要求1所述土石坝防渗体变形监测系统，其特征在于，所述监测基准(5)上钻孔或预留孔，钻孔或预留孔的有效孔径大于柔性位移计(3)外径，孔径70～90mm，有效孔深为1～2m，钻孔或预留孔中注入水泥砂浆固定柔性位移计(2)。

3.根据权利要求1所述土石坝防渗体变形监测系统，其特征在于，所述柔性位移计(2)采用阵列式位移计或多维度变形测量传感器。

4.根据权利要求1所述土石坝防渗体变形监测系统，其特征在于，所述柔性位移计(3)测量端自带一根电缆(6)，电缆(6)连接到数据采集装置(7)上。

5.根据权利要求1所述土石坝防渗体变形监测系统，其特征在于，所述护管(4)与柔性位移计(3)配套，护管(4)内径大于柔性位移计(3)外径2～4mm，护管(4)为具有柔性、内壁光滑的PE、PVC或PPR管。

6.一种土石坝防渗体变形监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)在土石坝防渗体底端相对稳定的防渗体基座/基岩内钻孔或预留孔，将柔性位移计底部直埋固结在孔内形成监测基准；

(2)监测基准以上的柔性位移计，外套护管连续贴合或贴近安置在防渗体下游面，使之与防渗体同步变形；

(3)将柔性位移计测量端电缆与数据采集装置连通，通过数据采集装置及配套软件，以现地有线自动采集、或现地无线自动采集、或远程自动采集的方式，自动获取防渗体三维变形数据并处理。

7.根据权利要求6所述土石坝防渗体变形监测方法，其特征在于，所述贴合或贴近安置在防渗体下游面，要求不占用防渗体主体且尽可能靠近防渗体下游面安置：对于钢筋混凝土面板堆石坝，贴合面板安置在面板基础垫层料表面；对于沥青混凝土面板堆石坝，贴近面板安置在面板基础垫层料表层的浅槽内，保持一定的安全距离避免高温损坏柔性位移计；对于心墙坝，贴合心墙安置在心墙与下游过渡料结合处。

8.根据权利要求6所述土石坝防渗体变形监测方法，其特征在于，所述监测基准上钻孔或预留孔的有效孔径大于柔性位移计外径70～90mm，有效孔深为1～2m，钻孔或预留孔中注入水泥砂浆固定柔性位移计。

9.根据权利要求6所述土石坝防渗体变形监测方法，其特征在于，所述柔性位移计采用阵列式位移计或多维度变形测量传感器，柔性位移计测量端自带一根电缆，电缆连接到数据采集装置上。

10.根据权利要求6所述土石坝防渗体变形监测方法，其特征在于，所述护管与柔性位移计配套，护管内径大于柔性位移计外径2～4mm，护管为具有柔性、内壁光滑的PE、PVC或PPR管。