Transcript 水工建筑物安全监控理论
安全工程概论 －安全监测技术与方法 郑 东 健 [email protected] 一 水工建筑物安全监控的发展和教训 （一）发展 • 1830～1838年，法国，格罗斯博斯坝根据观测指导 施工 • 1891年，德国埃施巴赫混凝土重力坝开始变形观测 • 1903年，美国对布恩顿重力坝进行温度观测 • 1908～1909，澳大利亚在拱坝进行变形观测 • 1919～1920，瑞士布置了世界上第一座永久观测仪 器的拱坝 • 20世纪50年代，中国开始研制大应变计（差阻式－ 卡尔逊仪器），70年代，垂线、引张线，激光照准 • 现在：GPS、光纤、激光三维、声发射 （二）工程教训 1、法国马尔帕赛双曲拱 薄拱坝坝高60m，底宽6.26m，顶宽1.5m， 修建在片麻岩上。1959年12月2日，当水库接 近满库时45分钟内坝体突然崩溃。500名士兵 丧生，下游10km一城镇变成废墟。 2、四川永川县陈食水库坝基渗漏 在坝基附近岸坡坡脚处，风化泥岩中发育一组与岸坡走向 平行的陡倾斜卸荷裂隙，有的开口达20cm之大，渗漏造成 的。 3、梅山连拱坝坝肩破裂 1962年右岸大量漏水，大坝三天内向左岸倾斜 57.2mm，向下游位移9.4mm，右岸各坝垛出现大 量裂缝。 4、意大利瓦依昂水库滑坡 坝高267m，是当时世 界上最高的双曲拱坝 。库区蓄水后，山体 突然以高达25－30m/s 的速度下滑，近2亿方 土石迅速淤满水库， 掀起高过坝顶100余米 的涌浪，冲毁下游 3km处的村镇，造成 3000人死亡，水库变 为石库。 5、鲍尔德温山水库的溃决 库区距一知名的大断裂带仅 300m，有几条小断层从库底下穿过 。水沿断层渗透使地基中的粉砂岩 、细砂岩受到潜蚀，潜蚀洞穴塌陷 造成坝体突然溃决。 6、滑坡 1972年夏天，香港半山区一座27层 大楼因变坡滑动倒塌，并切断一座 大楼和一片房屋。 1989 年 1 月 10 日在中国云南漫湾水 电站大坝坝肩开挖过程中发生的滑 坡，耗资近亿元治理， 150 万 kW 的水电站推迟发电近一年，损失巨 大。 1981 年雨季宝成铁路共发生滑坡 289 处，中断行车 2 个多月 抢建费 用达 2.56 亿元。 抚顺西露天矿自 1914 年投产以来为 保持边坡稳定共剥离岩石 1 亿方。 天生 桥二 级电 站闸 首滑 坡 宝成 铁路 K190 段滑 坡 长江 大堤 江西 马湖 滑坡 1972 年 发生于 香港岛 半山区 的滑坡 7、板桥水库和石漫滩水库等五 十八座中小型水库溃坝 • 1975年河南板桥水库垮坝，打 捞到的尸体10万多具，后续因 缺粮、感染、传染引起的死亡 14万，共24万多人死亡。（ 据 说在discovery中为“10 top technological catastrophe in the world”），官方为2.6万。 8、青海沟后水库 • 截止1980 年全世界（ 不包括中 国）已建成15 m 以上大坝16 000 余座，年均溃坝1 ～ 2 座， 死亡133 人. 由此得出年均每座 坝的死亡人数为0. 0083 人（这 一统计包括了较早年代的资料） . 目前，我国已建坝约85 000 余 座，若也按该标准要求，则年均 溃坝死亡人数应不超过85 人. 实 际上，我国大坝安全似未达到这 一水准. 在1954～ 1990 年间，湖 南省共建大坝12 820 座，垮坝 292 座，死亡681 人。 监测应用实例 1981年8月，龙羊峡与150年特大洪水，依靠围堰混凝土心 墙48支观测仪器，决定加高围堰4m抗洪。 1985年6月，长江三峡新滩，监测预警，大滑坡2000万方， 安全撤离，无一伤亡。 洪门、南水、大洪河3座水电厂，经监测分析和补强加固， 提高汛前水位，每年增加电能5700万kw.h。 1998年凤滩、五强溪、柘溪三座水库在防 洪关键时刻，经监测分析预测，多拦蓄洪峰 洪量27亿方，相当于洞庭湖高水位时1m库 容。 柘林水库，经实时监测下，超过历史最高 水位1.32m运行，为保证京九高速公路和京 九铁路安全，起到关键作用 二 安全监测系统组成 1.工程安全信息采集系统 信息管理 系统 变形监测 渗流监测 应力监测 水文及水力学监测 地震监测 分析评 价系统 2.工程安全信息分析评价系统 专家系统 决策支持系统 （一）信息采集系统 1.确定性（量化）信息 （1） 变形监测 原因量（荷载、环境） 变形 渗流 应力 扬压力 水文及水力学 渗流压力 地震 孔隙压力 水平位移 垂直位移 挠 度 （2）渗流监测 倾 斜 接缝及裂缝 2.不确定性（模糊）信息 绕坝渗流 地下水位 渗流量 水质监测 常规监测 岩体松动范围 • 爆破松动 • 塑性变形 锚杆灌浆饱合度（砂浆粘结锚杆） 岩土体及材料物理力学特性 岩体声发射、电阻率、声速 有害气体和放射性 专项监测 水文及水力学监测 • • • • • • • 流速 动水压力 空化 掺气 雾化 冲刷 调压井水位 专项监测 地震监测 • • • • • • • 位移 速度 加速度 动空隙水压力 动应变、应力 动水压力 地壳变形 传感器 差动电阻式 钢弦式 (1)差动电阻式（卡尔逊仪器） 电感式 电阻应变片式 利用仪器内部的弹性钢丝作为传感元件。 电容式 钢丝受到拉力作用将产生弹性变形，其变 压阻式－固体受力后，电阻 形与电阻变化之间有如下关系： （率）发生变化。 R / R L / L司服加速度计式等 (2)钢弦式 敏感元件为一跟金属丝（称钢弦或弦） ，利用钢弦的自振频率与钢弦张紧力的 关系测得物理量。 F K ( f x2 f02 ) A (3)电感式 一种变磁阻式传感器，利用线圈的 电感的变化进行测量。 通过衔铁和铁芯之间的空气隙变化 ，引起磁路中磁阻变化，从而引起线圈 电感变化。 (4)电阻应变片式 将机械构件上应变的变化转换为电 阻变化的传感元件。 金属导体的电阻随所受到的机械变 形大小而变化。 （1）变形监测 位移－水平、垂直、转动、洞身收敛等 沉陷－地表、地中、分层、地基等 其他－隆起、挠度、缝位移、自生体积 、温度、膨胀、岩爆等 方法： （1）经纬仪、水准仪、电子测距仪 激光准直仪。 （2）埋设仪器 水 平 位 移 观 测 方 法 视准线法 前方交会法 引张线法 垂线法 引张线测点 正垂线 正垂线 倒垂线 白山拱坝 垂 直 位 移 观 测 方 法 固定连通管式 （2）渗流监测 压力或水位：测压管、渗压计、 压力表、测深锤 渗流量：量水堰、量杯 水质：混浊度、化学成分 （3）应（压）力监测 采用应力应变计（组）、压应力计、 基岩变形计、位移计、收敛仪、 无应力计、钢筋计、钢板计、 土压力计、围岩压力、锚杆（索）等观测。 2.不确定性（模糊）信息 (1) 现场巡查（巡视检查） 日常检查 年度检查 特别检查 时间、路线和 检查程序 汛期检查 特大洪水、地震 安全事故检查 方法：锤、钎、钢尺、放大镜、望远镜、 量杯、石蕊纸、回弹仪、照相机、录像机 、闭路电路、潜水员等。 （2）现场检测 采用无损探测方法，包括探地雷达 、电磁剖面仪、电阻率探伤仪、红 外温度探测仪、超声检测仪、水声 探测仪、水下电视探测仪、潜水器 、潜水船等 （二）工程安全信息分析评价系统 卫星 系 统 总 体 架 构 调 度 管 理 中 心 控 制 层 光纤 卫星 服务器 卫星 卫星 现 地 集 中 控 制 层 LOADON ONBATT BYPASS FAULT ESC 光纤 防火墙 终端 UPS 工作站 扫描仪 光纤 光纤 数据采集单元 MCU 打印机 数据采集单元 MCU 人工观测输入 GPS接收机 渗 土 引 压 压 张 计 力 线 计 ...... 测 温 缝 度 计 计 挡 潮 闸 就 地 控 制 层 数据采集单元 MCU 渗 渗 压 ...... 压 计 计 渗 水 压 ...... 位 计 计 堵 坝 翼墙等 精密几何水准 挡 潮 闸 沉 降 堵 坝 沉 降 翼 墙 沉 降 堵 坝 测 斜 仪 堵 导 流 ...... 坝 水 堤 平 测 位 斜 移 仪 GPS+视准线 翼 工作基点 墙 校核基点 水 校测 平 位 移 （二）工程安全信息分析评价系统 （1）工程安全信息分析管理系统 信 息 管 理 系 统 误差分析 测点管理 资料整编 维护管理 信 息 分 析 系 统 空间分布 模型分 析 数 据 库 （2）专家系统