CN110806192B - 一种高堆石坝内部变形的监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高堆石坝内部变形的监测方法，具体指一种通过水平布设监测大坝表面沉降和通过竖直布设监测大坝深层位移的监测方法，这种阵列位移计的布设可以起到监测大坝水平方向上顺河向、横河向、竖直向的位移以及在竖直方向上的深层位移的效果，监测得到的数据资料比较完善。相比于以前大坝监测仪器布设方法，这种布设方法操作简单，获得数据详实，可长期免维护，适用范围广，可以用于200m级以上高坝。该测量装置布设方法的发明有利于该领域大坝位移监测的开展，有利于促进大坝位移监测基础理论方面的研究。

Description

一种高堆石坝内部变形的监测方法

技术领域

本发明涉及大坝位移监测技术领域，具体涉及一种高堆石坝内部变形的监测方法。

背景技术

大坝安全监测的目的和意义众所周知，大坝安全监测有校核设计、改进施工和评价大坝安全状况的作用，且重在评价大坝安全。其浅层意义是为了人们准确掌握大坝性态；深层意义则是为了更好地发挥工程效益、节约工程投资。大坝安全监测不仅是为了被监测坝的安全评估，还要有利于其他大坝，也包括待建坝的安全评估。

大坝变形监测技术可以分为内部监测和外部监测技术两大类。内部监测技术主要是通过埋设在坝体内部特定部位的仪器，对大坝的应力应变、渗流渗压等进行持续自动化监测的技术。而外部监测技术主要是通过各种变形监测仪器，对大坝体主要部位布设的变形监测点在某一时刻的空间位移或者某一特定方向的位移进行测定的技术。

本申请发明人在实施本发明的过程中，发现现有技术的方法，至少存在如下技术问题：

第一种，采用水管式沉降仪测量的方法

利用连通器的原理制成，一般由埋设在被测点的沉降测头、位于观测房的观测柜和连接测点以及观测柜测量管的尼龙管(含连通管、排水管、通气管)、保护管、连通液体等组成。目前最常用的是三管式水管式沉降仪，原理、构造简单,测量直观明了,长期测值真实可靠,被国内外的土石坝广泛采用。但也不存在不足，坝体发生不均匀沉降后,管路沟槽可能形成倒坡,这将大大延缓回水的速度。当回水速度远小于进水速度时,水位在测头腔内上升,水易进入通气管,这样常常会造成通气管堵塞、整个测量失灵。

第二种，采用测斜仪测量的方法

测斜仪的测斜原理是通过测头传感器加速度计测量重力矢量在测头轴线垂直而上的分量大小，确定测头轴线相对水平的倾斜角，据此计算出测头相对水平面的垂直位移。

第三种，采用静力水准仪测量的方法

系统主要由静力水准器、连通管、磁位移传感器、数据采集仪、web显示屏和远程数据终端等部分组成。系统的工作原理为：在拟监测标高的平台的4个桩腿上安置静力水准器，在井口平台的桩腿上设置基准点，在基准点上也安置另一个静力水准器，各水准器之间采用连通管相连，这样，因地球重力作用使得水准器的液面高度永远保持相同，当监测点的标高变化时，监测点处的水准器的液面高度会产生变化(液面上升或下降)，同时基准点处的水准器的液面也会随之变化(液面下降或上升)，在水准器的上部各安装一个磁位移传感器，从而液面高度的变化值可由磁位移传感器精确地探测到，然后由与磁位移传感器相连的数据采集仪采集，由采集仪自带的软件根据两液面高度变化值自动推算出监测点处的标高变化量，此外，温度不均匀时会导致出测量结果产生偏差。

除了上面列出的几种位移监测仪器，还有很多其他监测仪器和监测方法，比如引张线法、垂线法、视准线法、全站仪监测技术等。不同的监测仪器和监测方法有各自的优缺点，对于不同的监测条件可以选择不同的监测方法。对于测量装置的测量部分，精确度和灵敏性等方面的不同会对结果准确性产生影响。

随着筑坝高度的不断增加，已有多座200m级高堆石坝的水平垂直位移计长度超过400m后，出现位移计失效问题而不能满足监测要求；水库蓄水后，存在上游水下面板表面位移点不能监测等问题。

由此可知，现有技术中的方法存在测量数据不全面的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高堆石坝内部变形的监测方法，用以解决或者至少部分解决现有技术中的方法存在的测量数据不全面的技术问题。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高堆石坝内部变形的监测方法，包括：

步骤S1：在待监测的高堆石坝上选取水平布设面，水平布设阵列位移计，其中，阵列位移计的前端平行于横河方向，后端平行于顺河方向，前端与后端通过圆弧过渡，平行于横河方向的分阵列用以测量顺河向第一变形数据和竖直向第一变形数据，平行于顺河方向的分阵列用以测量横河向第一变形数据和竖直向第二变形数据；

步骤S2：在待监测的高堆石坝上选取典型布设点，竖直布设阵列位移计，测量顺河向第二变形数据和横河向第二变形数据；

步骤S3：根据顺河向第一变形数据、顺河向第二变形数据、竖直向第一变形数据、竖直向第二变形数据、横河向第一变形数据、横河向第二变形数据，计算出待监测的高堆石坝在顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

在一种实施方式中，在步骤S1之前，所述方法还包括：

根据阵列位移计的尺寸制作混凝土外包壳，对阵列位移计进行外包裹处理。

在一种实施方式中，步骤S1具体包括：

根据高堆石坝顺河方向的宽度，确定水平布设的位置；

根据水平布设的位置，对布设阵列位移计进行水平布设。

在一种实施方式中，阵列位移计中端圆弧的半径为高堆石坝内部形变监测机器人的长度的1/15～1/8，圆弧的弧度为90度。

在一种实施方式中，步骤S3具体包括

步骤S3.1：通过重力场测量并计算出内部形变监测机器人每节相对于X轴和Y轴的角度变化量；

步骤S3.2：根据与中间节相邻的两节相对于X轴和Y轴的角度变化量，计算中间节的角度相对变化量；

步骤S3.3：根据每节的长度L与角度相对变化量的关系得到每节的变形量；

步骤S3.4：对每节的变形量进行矢量叠加，获得顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

在一种实施方式中，在步骤S3之后，所述方法还包括：

输出各阵列位移计监测得到的各个测点的变形量以及超过位移限值的测点。

本申请实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下一种或多种技术效果：

本发明提供了一种高堆石坝内部变形的监测方法，首先在待监测的高堆石坝上选取水平布设面，水平布设阵列位移计，通过平行于横河方向的分阵列用以测量顺河向第一变形数据和竖直向第一变形数据，通过平行于顺河方向的分阵列用以测量横河向第一变形数据和竖直向第二变形数据；然后，在待监测的高堆石坝上选取典型布设点，竖直布设阵列位移计，测量顺河向第二变形数据和横河向第二变形数据；再根据顺河向第一变形数据、顺河向第二变形数据、竖直向第一变形数据、竖直向第二变形数据、横河向第一变形数据、横河向第二变形数据，计算出待监测的高堆石坝在顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

本发明提出的监测方法，在水平布设面，阵列位移计平行于横河方向的分阵列可以监测大坝顺河方向和竖直方向的变形数据，(即顺河向第一变形数据和竖直向第一变形数据)，平行于顺河向方向的分阵列可以监测大坝横河方向和竖直方向的变形(即横河向第一变形数据和竖直向第二变形数据)；在竖直布设方向上，可以监测大坝的深层位移(顺河向第二变形数据和横河向第二变形数据)。由此该布设方法可以完整的监测大坝在三个方向的变形，可以为大坝位移监测的研究提供比较完整地监测资料和数据，也提高了测量的准确性，从而解决了现有技术中的方法存在的测量数据不全面的技术问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种高堆石坝内部变形的监测方法的整体流程图；

图2为本发明实施例提供的混凝土外包壳结构示意图；

图3为本发明实施例中重力场推算角度的原理示意图；

图4为本发明实施例中根据推算出的角度推算形变量的原理示意图；

图5为本发明实施例中水平布设阵列位移计的平面俯视图；

图6为本发明实施例中大坝横剖面示意图；

图7是本发明实施例中布设效果的三维示意图。

具体实施方式

本申请发明人通过大量的研究与实践发现，现有技术中的监测方法存在的缺陷和不足主要体现在以下两个方面：

第一，施工工艺方面：坝体内部变形监测仪器埋设部位高程沿线的土建施工工作量大，投入机械多，施工期较长，且坝体填筑施工干扰大。仪器安装埋设工艺要求较高，需对测头和管路进行有效保护，管路连接需牢固可靠。仪器安装埋设受坝体分区影响较大，不易获取全过程变形数据。为使监测资料连续，需设置临时观测房，引张线水平位移计的钢丝安装技术要求则更高。

第二，监测仪器自身缺陷：比如引张线式位移计，大坝高程越高，坝体变形越大，安装在底部的引张线位移计长度也相应增加，这将导致沿程阻力大幅增加，钢丝被拉断的几率也大大增加；而对于水管式沉降仪，随着大坝高程的增加，管路中容易产生气泡，长管线造成回水困难，导致观测无法正常进行。

本次提出的布设方法和用到的监测仪器和其他仪器及相关布设方法相比具有以下优点：

仪器自身方面：精度高，全自动，性能佳，可手机短信、邮件等预警，可以适用于多种条件下的变形监测，寿命长，寿命优于15年，可根据工程需要反复拆装使用。

施工工艺方面：安装简单，使用方便，可以长期免维护，可以多角度安装。可以将多个堆石坝内部形变监测机器人的监测数据由电缆传输到控制系统，可以获得连续的监测资料，获得全过程的监测数据，不需要单独设置观测房。

有鉴于此，本发明提供了一种高堆石坝内部变形的监测方法，通过水平布设位移阵列和竖直布设位移阵列，从而达到获取全面和准确的变形数据的目的。

为了达到上述目的，本发明的主要构思如下：

通过水平布设监测大坝表面沉降和通过竖直布设监测大坝深层位移的方法，起到监测大坝水平方向上顺河向、横河向、竖直向的位移以及在竖直方向上的深层位移的效果，监测得到的数据资料比较完善。

相比于以前大坝监测仪器布设方法，这种布设方法操作简单，获得数据详实，可长期免维护，适用范围广，可以用于200m级以上高坝。该测量装置布设方法的发明有利于该领域大坝位移监测的开展，有利于促进大坝位移监测基础理论方面的研究。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供了一种高堆石坝内部变形的监测方法，请参见图1，该方法主包括：

步骤S1：在待监测的高堆石坝上选取水平布设面，水平布设阵列位移计，其中，阵列位移计的前端平行于横河方向，后端平行于顺河方向，前端和后端通过圆弧过渡，平行于横河方向的分阵列用以测量顺河向第一变形数据和竖直向第一变形数据，平行于顺河方向的分阵列用以测量横河向第一变形数据和竖直向第二变形数据。

具体来说，阵列位移计的前端和后端通过圆弧过渡，圆弧的弧度可以根据测量精度设置，例如70度、90度等等。阵列位移计为高堆石坝内部形变监测机器人的组成部分，一个内部形变监测机器人包括多个阵列位移计，顺河向是指顺着河道的方向，横河向是垂直河道的方向。通过水平布设的阵列位移计可以测量顺河方向、横河方向以及竖直方向的变形数据。

在一种实施方式中，为了提高测量的准确性，所述方法还包括：

根据阵列位移计的尺寸制作混凝土外包壳，对阵列位移计进行外包裹处理。

具体来说，本实施方式是进行仪器布设前处理，为了使堆石坝内部形变监测机器人更好的工作，减少大坝内部水、温度和不均匀颗粒对堆石坝内部形变监测机器人的影响，在布设之前，根据堆石坝内部形变监测机器人的尺寸制作混凝土外包壳，对每节进行外包处理，具体尺寸可根据堆石坝内部形变监测机器人的单节尺寸来确定，混凝土外包壳结构可参考附图2。

在一种实施方式中，步骤S1具体包括：

根据高堆石坝顺河方向的宽度，确定水平布设的位置；

根据水平布设的位置，对布设阵列位移计进行水平布设。

在一种实施方式中，阵列位移计中端圆弧的半径为高堆石坝内部形变监测机器人的长度的1/15～1/8，圆弧的弧度为90度。

具体实施过程中，以心墙坝为例，在水平布设面，以心墙为分界线，对于大坝上下游相对布设，在靠近心墙(大坝水平布设面顺河向宽度为W，可取1/16W～1/12W，可根据测量精度适当调节)处沿着心墙平行的方向布设阵列位移计，以平行于顺河向的方向伸出大坝表面，由于堆石坝内部形变监测机器人前端平行于心墙方向，后端平行于顺河向，因此中间需要以一个圆弧过渡(90度)，由于监测仪器的自身尺寸限制，单个监测仪器不能完成整个监测面的位移监测任务，本实施方式对多个堆石坝内部形变监测机器人分点布设，堆石坝内部形变监测机器人的数据输出端分布在大坝表面，由电缆传输到控制系统。

通过这种水平布设，平行于心墙方向(即横河方向)的部分可以得到大坝在竖直方向和顺河向的变形数据，平行于顺河向的部分可以得到大坝在轴向和竖直向的变形数据。这些数据传输到搭建的数据处理平台进行处理可以得到大坝变形。具体布设方式参考附图5。

步骤S2：在待监测的高堆石坝上选取典型布设点，竖直布设阵列位移计，测量顺河向第二变形数据和横河向第二变形数据。

具体来说，通过竖直布设阵列位移计可以监测深层位移，在大坝选取需要监测的典型布设点，将阵列位移计竖直布设在监测点，数据输出端置于大坝上表面，由电缆传输到控制系统。通过这种竖直布设，可以得到大坝在横河向和顺河向的变形数据，具体布设方式参考附图6。

对于非心墙坝，以坝轴线为分界线，两侧对称铺设，具体铺设方式和心墙坝类似，参考附图5和附图6。整体布设效果参考附图7。

步骤S3：根据顺河向第一变形数据、顺河向第二变形数据、竖直向第一变形数据、竖直向第二变形数据、横河向第一变形数据、横河向第二变形数据，计算出待监测的高堆石坝在顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

在具体实施过程中，为了使监测流程更加完整，节省使用工作量，可以搭建了与之配合使用的数据处理平台来实现变形数据的计算。

本发明提出的布设方法可以达到以下监测效果：在水平布设面，堆石坝内部形变监测机器人平行于心墙部分(横河方向)的分阵列可以监测大坝顺河向和竖直向的变形，平行于顺河向方向的分阵列可以监测大坝横河向和竖直向的变形；在竖直布设方向上，可以监测大坝的深层位移。结合水平布设和竖直布设方式得到的数据，最终经过搭建数据处理平台处理之后可以完整的监测大坝在三个方向的变形，可以为大坝位移监测的研究提供比较完整地监测资料和数据。

在一种实施方式中，步骤S3具体包括：

步骤S3.1：通过重力场测量并计算出内部形变监测机器人每节相对于X轴和Y轴的角度变化量；

步骤S3.2：根据与中间节相邻的两节相对于X轴和Y轴的角度变化量，计算中间节的角度相对变化量；

步骤S3.3：根据每节的长度L与角度相对变化量的关系得到每节的变形量；

步骤S3.4：对每节的变形量进行矢量叠加，获得顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

具体来说，通过电缆传输到数据处理平台的数据有三种：顺河向形变、横河向形变、竖直向形变。数据处理平台通过重力场计算角度，通过角度计算变形量，具体原理可参考附图3和附图4。

相对空间坐标系定义：以监测机器人铺设方向为z轴，垂直于铺设方向的两个轴为x,y轴。通过重力场测量并计算每节相对于x,y轴的角度变化：θ_x1、θ_y1，θ_x2、θ_y2，θ_x3、θ_y3，其中，θ_x1、θ_y1为第一节相对于x轴和y轴的角度变化，θ_x2、θ_y2为第二节相对于x轴和y轴的角度变化，θ_x3、θ_y3为第三节相对于x轴和y轴的角度变化，然后通过相邻两节的角度变化计算得到中间节的角度相对变化量θ_x、θ_y，图3中，中间节为第二节，则根据第一节和第三节计算第二节的角度相对变化量。需要说明的是，对于相邻节只有1节的可以忽略不计，那么步骤S3.2可以计算得出阵列位移计包含的所有中间节的角度相对变化量。

接下来执行步骤S3.3：根据每节的长度L与角度相对变化量的关系得到每节的变形量，这里的每节是指每个中间节，附图4中的每段的段与节的概念相同，如无特殊说明，段与节表示相同的含义。

在求出每节的相对角度变化量后利用每节的长度L与角度变化的关系可得到每节的变形量:

Δx_j＝L×sinθ_x

Δy_j＝L×sinθ_y

再执行步骤S3.4，对阵列位移计每节的变形量进行矢量叠加，则获得顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。

其中，步骤S3.4的实现分为两个部分，第一部分是：获得相对空间坐标系下各个方向上的变形，对于顺河方向、竖直方向以及横河方向，都将对应方向上的变形量Δx_j、Δy_j进行矢量叠加得到一个Δx和Δy，计算方式如下：

其中，m为阵列式位移计总节数，相对空间坐标系有三种，分别以顺河向、横河向、竖直向作为z轴的相对空间坐标系。

第二部分：通过坐标转换，得到整体空间坐标系下顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形。具体如下：

首先是整体空间坐标系定义：以竖直向为y轴，顺河向和横河向分别为x,z轴。

那么相对空间坐标系与整体空间坐标系的坐标系转换如下：整体空间坐标系绕y轴顺时针旋转90度得到顺河向相对空间坐标系；横河向相对空间坐标系与整体空间坐标系相同；整体空间坐标系绕x轴逆时针旋转90度得到竖直向相对空间坐标系。

前述步骤中，得到了顺河向、横河向和竖直向上的Δx和Δy，那么对于每一个监测点i，都可以计算出对应的d’x_i，d’y_i，d’z_i。例如：顺河向铺设得到的Δx，经过坐标转换得到整体坐标系下的变形：dz_i，顺河向铺设得到的Δy，通过坐标变换得到整体坐标系下的变形：dy_i，同理可得：竖直向的Δx和Δy转换成整体坐标系的dxi和dzi，横河向的Δx和Δy转换成整体坐标系下的dxi和dyi，最后通过两个dxi求均值，两个dy_i求均值，两个dzi求均值，得到最终的变形d’x_i、d’y_i和d’z_i：

顺河向位移：x_i＝d’x_i

竖直向位移：y_i＝d’y_i

横河向位移：z_i＝d’z_i

合位移：N_i＝(d’x_i ²+d’y_i ²+d’z_i ²)^1/2

其中，位移即为最终计算出的各个方向的变形。

举例来说，在某个测点铺设了两个监测机器人，其中一个机器人包含十节，假设每节得到的x方向变形数据，通过每节的变形数据经过矢量叠加得到这个监测机器人的x方向的变形。另一个监测机器人通过同样的计算方式也得到一个变形数据，实际应用过程中，再根据两个变形数据与预设理论值的比较，得到一个合适的变形结果。

在一种实施方式中，在步骤S3之后，所述方法还包括：

输出各阵列位移计监测得到的各个测点的变形量以及超过位移限值的测点。

具体来说，本实施方式可以根据大坝安全性要求，在数据处理平台上按照提示输入不同测点在不同方向上位移的限值，本发明搭建的平台根据传入的数据处理结果和用户输入的限值进行对比。经过数据处理和分析，平台会输出各测点的位移以及超过位移限值的测点，给用户提供进一步的分析和参考。

总体来说，与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明提供一种用于测量大坝位移监测仪器的布设方法，补充与完善了该领域的测量装置和方法；

(2)本发明用到的测量仪器结构简单、易于操作，精度高，可长期免维护，布设方法清晰明了，具有较强的层次性；

(3)本发明测量装置所用的形变监测机器人是精度较高的测量传感器，简单易用，准确，体积合适。

(4)本发明搭建了与此变形监测系统配合使用的数据处理平台，操作简单方便，可以减少用户的工作量，在数据处理和分析方面具有明显优势。

(5)该测量仪器布设方法的发明有利于大坝位移监测工作的开展，有利于促进大坝位移监测基础理论方面的研究。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种高堆石坝内部变形的监测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：在待监测的高堆石坝上选取水平布设面，水平布设阵列位移计，其中，阵列位移计的前端平行于横河方向，后端平行于顺河方向，前端与后端通过圆弧过渡，平行于横河方向的分阵列用以测量顺河向第一变形数据和竖直向第一变形数据，平行于顺河方向的分阵列用以测量横河向第一变形数据和竖直向第二变形数据；

步骤S2：在待监测的高堆石坝上选取典型布设点，竖直布设阵列位移计，测量顺河向第二变形数据和横河向第二变形数据；

步骤S3：根据顺河向第一变形数据、顺河向第二变形数据、竖直向第一变形数据、竖直向第二变形数据、横河向第一变形数据、横河向第二变形数据，计算出待监测的高堆石坝在顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形；

其中，步骤S3具体包括：

步骤S3.1：通过重力场测量并计算出内部形变监测机器人每节相对于X轴和Y轴的角度变化量；

步骤S3.2：根据与中间节相邻的两节相对于X轴和Y轴的角度变化量，计算中间节的角度相对变化量，其中，步骤S3.1和S.2中以监测机器人铺设方向为Z轴，垂直于铺设方向的两个轴为X轴和Y轴；

步骤S3.3：根据每节的长度L与角度相对变化量的关系得到每节的变形量；

步骤S3.4：对每节的变形量进行矢量叠加，获得顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形，具体包括两部分：第一部分：获得相对空间坐标系下各个方向上的变形，相对空间坐标系有三种，分别以顺河向、横河向、竖直向作为Z轴的相对空间坐标系，第二部分：通过坐标转换，得到整体空间坐标系下顺河方向、竖直方向以及横河方向上的变形，整体空间坐标系以竖直向为Y轴，顺河向和横河向分别为X轴、Z轴。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤S1之前，所述方法还包括：

根据阵列位移计的尺寸制作混凝土外包壳，对阵列位移计进行外包裹处理。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1具体包括：

根据高堆石坝顺河方向的宽度，确定水平布设的位置；

根据水平布设的位置，对布设阵列位移计进行水平布设。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，阵列位移计中端圆弧的半径为高堆石坝内部形变监测机器人的长度的1/15～1/8，圆弧的弧度为90度。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，在步骤S3之后，所述方法还包括：

输出各阵列位移计监测得到的各个测点的变形量以及超过位移限值的测点。

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