高土石坝上游堆石区沉降监测方法与流程

1.本发明涉及土石坝安全监测的领域，具体涉及高土石坝上游堆石区沉降监测方法。


背景技术：

2.近年来国内水电筑坝技术发展迅速，土石坝典型工程中，将砾石土心墙堆石坝坝高逐步由100m级提升至300m级。蓄水后，上游堆石区受水作用影响，会产生湿化变形，变形过大可能会影响坝体坝坡稳定，因此国内高土石坝上游堆石区蓄水后沉降越来越受到关注。当前上游堆石区沉降监测一般采用水管式沉降仪、弦式沉降仪、横梁式沉降仪、电磁沉降环，但这些监测手段仅施工期能监测沉降，蓄水后上游堆石区布置的弦式沉降仪、横梁式沉降仪等电测类监测仪器基本失效，传统的电磁沉降环需要人工将测读仪器放入孔内从而无法实施观测，水管式沉降仪受蓄水被淹影响也无法观测。因此蓄水后上游堆石区沉降监测，尤其是湿化变形监测一直是监测的空白区域。国内某知名仪器厂家研发出智能式沉降仪来监测蓄水后堆石沉降，但在工程实际应用中效果不好。也有专家学者提出在上游堆石区布置渗压计，通过间接测所在部位水压力来反算堆石沉降，但受制于仪器精度和实际复杂的蓄水情况，应用效果也不理想。因此采用新的监测技术手段来解决蓄水后上游堆石区沉降监测难题是十分必要，也是十分迫切的。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供高土石坝上游堆石区沉降监测方法，解决上述背景技术中的问题。
4.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：所述沉降监测方法包括柔性测斜仪安装埋设方法、光纤压力计安装埋设方法以及超宽带雷达监测系统安装埋设方法；
5.柔性测斜仪呈水平埋设，用于监测上游堆石去沿顺水流方向沉降分布情况；
6.光纤压力计在上游坝坡及堆石区内分层埋设，全方位监测上游堆石不同部位、高程沉降情况；
7.超宽带雷达监测系统基础主要作为柔性测斜仪的检测基准，通过该基础的沉降来修正柔性测斜仪各测点测值。
8.优选方案中，柔性测斜仪包括套管，套管内安装有精度测斜器和粗度测斜器，套管一端设有连接端，连接端一端设有连接杆，连接杆一端设有万向节，连接端通过多个螺栓与套管连接；
9.两个相邻的柔性测斜仪之间连接有粗测装置和精测导线；
10.精度测斜器用于测量小位移，用于大坝心墙轴向沉降量较小；
11.粗度测斜器用于测量大位移，当大坝心墙轴向沉降量过大，精测导线断裂，弹簧式的粗测导线伸长，对大坝沉降进行粗测。
12.优选方案中，柔性测斜仪安装埋设方法的步骤：
13.s1、在大坝监测横断面2/3高处，从上游堆石区至上游过渡层机械开挖水平沟槽；
14.s2、整平沟槽基床，然后从沟底回填细料，机械碾压平整；
15.s3、在上游过渡料部位埋设预制混凝土基座，在基座侧边预埋吊环，将柔性测斜仪与吊环采用活动铰接头进行固定连接，连接处设置保护罩；
16.s4、上游堆石区采用分段分高程填筑施工，柔性测斜仪采用分段安装埋设，各段柔性测斜仪首尾均采用活动铰接头进行连接；
17.s5、安装完成后开展仪器相关性能检验试验，经检验测试合格，进行沟槽回填。
18.优选方案中，在s4中柔性测斜仪安装埋设采用柔性pe管保护，各段柔性测斜仪保护管为整管，在各柔性测斜仪连接头处外套pe管保护。
19.优选方案中，在s5中沟槽回填采用剔除5cm以上粒径的细料按每层20cm分层回填沟槽，各层采用振动夯碾压密室；
20.当填筑面高于仪器埋设高程1m后恢复大坝正常填筑。
21.优选方案中，光纤压力计安装埋设方法的步骤：
22.a1、在上游堆石区分3个典型高程安装光纤压力计，光纤压力计与其他监测仪器共用沟槽埋设，若不具备条件时可以单独挖坑埋设；
23.a2、光纤压力计在现场安装前进行测试检验合格后，采用土工布和细砂石包裹，在坑槽内水平埋设，埋设时需准确记录埋设高程；
24.a3、然后用细料回填至坑顶，仪器光缆外套pe管沿沟槽水平牵引至上游坝坡，再沿上游坝坡牵引至坝顶观测房。
25.优选方案中，超宽带雷达监测系统安装埋设方法的步骤：
26.b1、在混凝土基座处埋设钢板，钢板通过膨胀螺栓进行固定，将镀锌钢管焊接在钢板上，钢管随堆石填筑竖向接长；
27.b2、每次接长时详细记录钢管长度，在钢管口安装超管带雷达监测点来实时获取管口准确高程，通过钢管长度可以计算出基础高程。
28.优选方案中，在b2中若超宽带雷达监测系统不具备运行条件时可用固定棱镜替代，采用全站仪测量管口高程。
29.优选方案中，柔性测斜仪基本原理是通过检测各部分的重力场，可以计算出各段轴之间的弯曲角度θ，利用计算得出的弯曲角度和已知各段轴长度l，每段saa的变形δχ便可以确定，即δχ＝θ
·
l，再对各段算术求和∑δχ，可得到距固定端点任意长度的变形量χ。
30.优选方案中，光纤压力计监测沉降的原理是先准确测量其安装高程h1(m)，蓄水后记录上游堆石稳定水位h2(m)，通过测读光纤压力计的读数h(mpa)，从而得到蓄水后光纤压力计实际高程h3＝h2-h*100，进而得到光纤压力计所在部位沉降量h＝h1-h3。
31.本发明提供了高土石坝上游堆石区沉降监测方法，有益效果：
32.(1)原上游堆石区所有监测技术手段仅能适用于施工期，蓄水后原有监测手段基本都失效，使得蓄水后上游堆石区沉降监测成了盲区；本技术方案不仅能监测施工期沉降(施工期依靠柔性测斜仪和超宽带雷达监测沉降)，也能监测蓄水期及运行期沉降，很好地解决了上游堆石区沉降监测难题；
33.(2)本技术方案不仅实现蓄水后上游堆石区沉降监测，同时还可以自动化监测，便于蓄水期和运行期观测，避免了人工观测的风险；
34.(3)本技术方案摒弃了传统技术手段的不足，开创性提出了采用新型监测仪器柔性测斜仪+光纤压力计+超宽带雷达监测系统的技术手段，利用柔性测斜仪实现上游堆石区水平沉降线性分布监测，利用光纤压力计cm级监测精度实现上游堆石区空间立体沉降监测，同时也与柔性测斜仪互补；更重要的是，采用超宽带雷达很好地解决了柔性测斜仪沉降监测基准的问题，同时便于实施自动化，使得本技术方案带有很强的可实施性；本技术方案解决了蓄水期上游堆石区沉降监测难题，提升了土石坝监测技术水平。
附图说明
35.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
36.图1是本发明高土石坝上游堆石区蓄水期沉降监测结构示图；
37.图2是本发明高土石坝上游堆石区蓄水期沉降监测局部放大视图；
38.图3是本发明两个柔性测斜仪连接示意图；
39.图4是本发明粗测装置的左视图；
40.图5是本发明粗测装置端部一小截的轴侧视图；
41.图6是本发明粗测导线的剖视图；
42.图7是本发明连接头的轴侧视图；
43.图8是本发明连接头的剖视图；
44.图中：套管1；精度测斜器2；粗度测斜器3；连接端4；端体401；第一空腔402；连接头403；连接杆5；粗测装置6；粗测导线601；电芯6011；绝缘层6012；防水层6013；柔性钢丝602；滚球603；万向节7；精测导线8；螺栓9。
具体实施方式
45.如图1～8所示，本技术方案提出了采用柔性测斜仪+f-p光纤压力计+超宽带雷达来成体系监测上游堆石区沉降，适用于土石坝坝高50m～350m的上游堆石区沉降监测。
46.阵列式位移计saa，俗称柔性测斜仪，它由多段连续节(segment)串接而成，內部由微电子机械系统(mems)加速度计组成。每段节(segment)为一个固定的长度，一般为50cm、100cm。
47.优选方案中，柔性测斜仪包括套管503，套管503内安装有精度测斜器2和粗度测斜器3，套管503一端设有连接端4，连接端4一端设有连接杆5，连接杆5一端设有万向节7，连接端4通过多个螺栓9与套管503连接；
48.两个相邻的柔性测斜仪之间连接有粗测装置6和精测导线8；
49.精度测斜器2用于测量小位移，用于大坝心墙轴向沉降量较小；
50.粗度测斜器3用于测量大位移，当大坝心墙轴向沉降量过大，精测导线8断裂，弹簧式的粗测导线601伸长，对大坝沉降进行粗测。由此结构，当大坝心墙轴向沉降量较小，大坝的沉降量不足以使柔性测斜仪之间的连接杆5和精测导线8断裂是时，柔性测斜仪能够精确测量出大坝心墙轴向沉降量。
51.当高土石坝心墙轴向沉降量过大，超出30～50cm时，相邻的两个柔性测斜仪的连接杆5和精测导线8断裂，此时，粗度测斜器3测量高土石坝心墙的较大位移，粗测导线601呈现弹簧状，粗测导线601的长度较长，能够适应大坝心墙轴向沉降量大的位移，当大坝沉降
量过大，两个相邻的柔性测斜仪在拉力的作用下，拉动粗测导线601外部缠绕的柔性钢丝602，以使粗测装置6由弹簧状变成直线状伸长，此时粗测导线601为接近于直线，多个柔性钢丝602缠绕在直线的粗测导线601上，以使整体结构能够测量较大的大坝沉降量。
52.当高土石坝心墙轴向沉降量进一步扩大时，超出50cm以上，两个相邻的柔性测斜仪在拉力的作用下，拉动粗测导线601外部缠绕的柔性钢丝602，以使柔性钢丝602端部的滚球603在圆槽6034中滚动，以使多个柔性钢丝602拉直，以使在套管503中缠绕的粗测导线601在力的作用下，从套管503中拉到多个拉直的柔性钢丝602中，以使两个相邻的柔性测斜仪可拉伸的变形量进一步扩大，以使柔性测斜仪能够检测出更加大的变形量，以使大坝心墙全断面检测更加全面。
53.多个柔性钢丝602除了能够延长相邻两个柔性测斜仪有效的测量距离，多个柔性钢丝602还能够对粗测导线601起到保护作用，能够有效解决大坝沉降过程中可能pe保护管13破裂、大坝泥土沉降压力或者连接杆5折断，从而导致粗测导线601断裂的问题。能够有效避免高土石坝心墙轴向沉降量过大，粗测导线601断裂，柔性测斜仪失效的现象。
54.优选方案中，连接端4包括端体401，端体401上设有第一空腔402，精测导线8贯穿第一空腔402与两个相邻的精度测斜器2连接。由此结构，第一空腔402用于精测导线8通过，大坝的沉降量较小时，精测导线8与精度测斜器2连接，精度测斜器2的精度更高，更能适用于大坝变形量较少的情形。
55.优选方案中，连接端4上设有连接头403，连接头403包括壳体6031，壳体6031一端设有环槽6033，环槽6033一端设有环形的圆槽6034，壳体6031中间设有贯穿的第二空腔6032。由此结构，第二空腔6032用于粗测导线601通过，环槽6033用于柔性钢丝602的端部滑动，圆槽6034用于滚球603在环形的圆槽6034中滚动，以使当大坝沉降量较大时，柔性钢丝602能够在力的作用下转动，以使柔性钢丝602的轴向距离变长。
56.优选方案中，粗测装置6包括结构为弹簧状的粗测导线601，粗测导线601外部设有多个柔性钢丝602，多个柔性钢丝602缠绕包裹住弹簧状的粗测导线601，柔性钢丝602两端设有滚球603，柔性钢丝602两端抵靠在环槽6033上，滚球603抵靠在环形的圆槽6034滑动，粗测导线601的两端分别贯穿相邻的第二空腔6032与相邻的两个粗度测斜器3连接，粗测导线601两端多余的部位缠绕在套管503内部。由此结构，多个柔性钢丝602具有一定的弹性，当粗测导线601贯穿在多个柔性钢丝602中时，柔性钢丝602能够对粗测导线601起支撑作用，以使多个柔性钢丝602保持弹簧状。
57.当高土石坝心墙轴向沉降量进一步扩大时，超出50cm以上，两个相邻的柔性测斜仪在拉力的作用下，拉动粗测导线601外部缠绕的柔性钢丝602，以使柔性钢丝602端部的滚球603在圆槽6034中滚动，以使多个柔性钢丝602拉直，以使在套管503中缠绕的粗测导线601在力的作用下，从套管503中拉到多个拉直的柔性钢丝602中，以使两个相邻的柔性测斜仪可拉伸的变形量进一步扩大，以使柔性测斜仪能够检测出更加大的变形量，以使大坝心墙全断面检测更加全面。
58.优选方案中，粗测导线601包括位于中心的电芯6011，电芯6011外部设有绝缘层6012，绝缘层6012外部设有防水层6013。由此结构，绝缘层6012用于保证两个相邻的柔性测斜仪在使用粗测导线601时信号正常，避免其它因素对粗测导线601信号的干扰。防水层6013用于隔绝大坝中水对粗测导线601的影响。
59.柔性测斜仪是刚性传感阵列，被柔性接头分开。柔性测斜仪是一个绳状阵列式的传感器和微处理器，阵列中所有的微处理器共用同一条数字通讯线路。
60.柔性测斜仪基本原理是通过检测各部分的重力场，可以计算出各段轴之间的弯曲角度θ，利用计算得到的弯曲角度和已知各段轴长度l，每段saa的变形δχ便可以完全确定出来，即δχ＝θ
·
l，再对各段算术求和∑δχ，可得到距固定端点任意长度的变形量χ。
61.柔性测斜仪具有高精度、高稳定性、大变形、不均匀变形、高耐水压力等技术优势，已广泛应用于边坡、隧道、路基、桥梁变形监测。由于柔性测斜仪耐水压达到2mpa，在水下可以正常工作，因此可以用来监测蓄水后堆石沉降。
62.波长型mems光纤f-p压力传感器内部的f-p压力敏感芯片基于mems微加工技术制备。由于波长信号解调方式对f-p敏感腔的腔长变化有更为灵敏的检测能力，兼顾mems压力传感器的测量精度、过量程能力、机械可靠性和动态测量响应能力。压力传感器具有外形尺寸小、精度高、测量线性度高、灵敏度高、动态特性良好、温度漂移微小、环境适应性好、长期稳定、安装便捷、本质安全等特点，不受电磁干扰及雷击损伤，测量精度及分辨率不受光源波动及传输线路弯曲损耗的影响，可直接通过光纤进行信号远程传输。基于波长型mems光纤f-p压力传感器(以下简称光纤压力计)实验室标定满量程精度可达万分之二，即1mpa量程水位观测精度可达到2cm精度。
63.光纤压力计监测沉降的原理是先准确测量其安装高程h1(m)，蓄水后记录上游堆石稳定水位(一般通过水尺测量)h2(m)，通过测读光纤压力计的读数h(mpa)，从而得到蓄水后光纤压力计实际高程h3＝h2-h*100，进而得到光纤压力计所在部位沉降量h＝h1-h3。
64.因此本技术方案提出采用柔性测斜仪+光纤压力计+超宽带雷达来全方位监测大坝上游堆石区沉降。其中柔性测斜仪呈水平埋设，主要用来监测上游堆石去沿顺水流方向沉降分布情况。光纤压力计在上游坝坡及堆石区内分层埋设，全方位监测上游堆石区不同部位、高程沉降情况。超宽带雷达监测系统基础主要是作为柔性测斜仪的监测基准，通过该基础的沉降来修正柔性测斜仪各测点测值。
65.柔性测斜仪安装埋设：在大坝监测横断面2/3坝高处，从上游堆石区至上游过渡层机械开挖水平沟槽，沟槽深1.2m，底宽0.8m。整平沟槽基床，然后在沟底回填20cm厚细料，机械碾压平整。在上游过渡料部位埋设预制混凝土基座，基座尺寸(长
×
宽
×
高)50cm
×
50cm
×
20cm。在基座侧边预埋吊环(作为锚固端)，将柔性测斜仪与吊环采用活动铰接头进行固定连接，连接处设置专用保护装置(钢管罩)。一般上游堆石区采用分段分高程填筑施工，为减小现场土建施工干扰，柔性测斜仪采用分段安装埋设(本技术方案分三段，同类工程也可根据实际情况进行分段)，各段柔性测斜仪首尾均采用定制活动铰接头进行连接。柔性测斜仪采用柔性pe管保护，保护管外径60mm、壁厚4.6mm；材料采用柔性pe100级sdr11管，各段柔性测斜仪保护管整管中间无接头，在各柔性测斜仪连接头处外套75mmpe管保护。安装时pe保护管内、外壁涂黄油等润滑剂，管端加盖密封。安装完成后开展仪器相关性能检验测试，经检验测试合格，进行沟槽回填。沟槽回填采用剔除5cm以上粒径的细料(反滤料1)按每层20cm分层回填沟槽，各层采用手持振动夯碾压密实。当填筑面高于仪器埋设高程1m后恢复大坝正常填筑。
66.超宽带雷达监测系统安装埋设：在混凝土基座处埋设钢板，规格为长
×
宽
×
厚＝20cm
×
20cm
×
0.5cm，钢板通过膨胀螺栓进行固定，之后将镀锌钢管焊接在钢板上，钢管随
堆石填筑竖向接长，每次接长时详细记录钢管长度，在钢管口安装超宽带雷达监测点(设备与钢管采用丝扣连接)来实时获取管口准确高程(若超宽带雷达监测系统不具备运行条件时也可用固定棱镜替换，采用全站仪测量管口高程)，通过钢管长度便可以计算出基础高程。
67.光纤压力计安装埋设：在上游堆石区分3个典型高程安装光纤压力计，光纤压力计建议尽量与其他监测仪器共用沟槽埋设。若不具备条件时可以单独挖坑埋设。光纤压力计安装埋设类似渗压计。光纤压力计在现场安装前进行测试检验合格后，采用土工布和细砂石包裹，在坑槽内水平埋设，埋设时需准确记录埋设高程。之后用细料回填至坑顶，仪器光缆外套pe管(沿沟槽)水平牵引至上游坝坡，再沿上游坝坡牵引至坝顶观测房。
68.至此，依托柔性测斜仪和光纤压力计呈体系监测布置，配合超宽带雷达监测系统实时获取基准点部位高程值，形成了上游堆石区较为完善的沉降监测技术方案。该技术方案可以自动读取所有监测仪器数据，避免蓄水后人工采集数据的弊端，可以实现监测自动化。
69.上述的实施例仅为本发明的优选技术方案，而不应视为对于本发明的限制，本发明的保护范围应以权利要求记载的技术方案，包括权利要求记载的技术方案中技术特征的等同替换方案为保护范围。即在此范围内的等同替换改进，也在本发明的保护范围之内。