本文是建筑与土木工程专业在职硕士论文，主要研究南水北调中线工程方城Ⅱ段安全监测技术。

第一章 绪论

工程安全监测是一门近代新兴边缘技术学科[1]，也是一门交叉学科，涉及到的专业包括工程地质、水工结构、大地测量、微电子、通信与计算机技术、精密仪器、自动化系统等。20 世纪 70 年代以前称为原型观测，即是在水工建筑物中设置观测仪器进行现场测量，以获得相关水工建筑物结构性态变化的数据。20 世纪 20 年代最早开始原型观测时是采用大地测量的方法观测水工建筑物的变形，20 世纪 30 年代初美国采用差动电阻式仪器开展水工建筑物的内部变形观测。随后欧洲、前苏联和日本等相对发达国家也相继开展了原型观测工作。当时的原型观测主要目的是研究水工建筑物的实时变形、温度和内部应力的变化情况，重点在于验证设计，改进水工建筑物的理论。

1.1 工程安全监测的重要性

水工建筑物建造在地质结构非常复杂的基础上，在各种力的作用和自然因素的影响下，其工作性态和安全状况随时都在变化。如果出现异常情况不进行相关科学的处理，任其发展，其后果是不堪设想的。20 世纪 30~70 年代，世界各国进入了筑坝高峰期，水工建筑物失事的事件也相继发生[2-3]，其中法国马尔巴塞双曲拱坝（Malpasset，66.5m），1959 年 12 月 2 日因左岸基础滑动而溃坝,造成 450 人遇难（包括 42 名小学生）；意大利瓦伊昂双曲高拱坝（Vajont，261.5m）于 1963 年 10 月 9 日因库岸滑坡造成涌浪漫顶，水库废弃，死亡超过 2000 人；美国提堂土坝（Teton，91.5m）于 1976 年 6 月 5 日因坝基管涌而溃坝，11 人死亡，25000人无家可归等；青海省沟后水库 1993 年 8 月 27 日发生溃坝，逾 300 人死亡；俄罗斯撒扬舒申斯克水电站 2009 年 8 月 17 日由于水力机组有设计缺陷、设备使用和维护不当及调度管理不善等多方面因素，发生了世界水电史上罕见的重大事故，造成 75 人死亡，13 人受伤，电站 10 台机组全部损坏或损毁，部分厂房结构被摧毁等重大损失[4]。上述这些灾难的后果之严重，不但带来了重大经济损失，而且也带来了巨大的环境破坏和人员伤亡，在社会上造成极大的反响。但是，如能在事前运用必要的有效观测手段对这些水工建筑物进行监测，及时发现问题，采取有效的措施，上述灾难是可避免。1962 年 11 月 6 日，安徽梅山连拱坝右岸基岩发现大量漏水现象，右岸 13 号坝垛垂线坐标仪在三天内向右岸移动了 57.2mm，向下游移动了 9.4mm，且右岸各坝垛陆续出现大裂缝，经分析是右岸基岩发生错动[5]。对此，管理单位及时在垂线坐标仪监测下放空水库进行加固处理，从而避免了一场溃坝事故。1981 年 8 月，黄河上游龙羊峡水电站遇到 150 年一遇的特大洪水，安装埋设于围堰混凝土心墙的 48 支观测仪器提供的监测数据表明围堰工作性态正常，建设项目指挥部领导决定加高围堰 4m 的抗洪决策，确保了工程安全施工和渡汛。1985 年 6 月 12 日在长江三峡的新滩，发生大滑坡，2000 万m3，堆积体连带新滩古镇一起滑入长江[6]。险区的居民全部提前安全撤出，无一伤亡，这全靠安全监测所作出的准确预报。

上述正反两方面实例充分地说明对工程进行安全监测，对建筑物和人民的安危是何等的重要。水利工程安全监测，是通过安装埋设在被监测物体内的监测仪器传输的数据和人工巡视检查，是保证工程安全运行的重要前提，其主要目的为实时掌握工程运行的性态，为判断工程安全提供准确的数据。工程安全监测的目的可归纳为以下四个方面[7]。

（1）实时掌握水工建筑物运行性态，为管理单位提供准确的运行数据。水工建筑物的施工和运行过程中，其运行性态随时在发生变化，也隐藏着相应的风险。在施工过程中，如临时建筑物（施工围堰）的稳定是保证基坑内主体建筑物施工重要前提。在首次蓄水运行阶段，永久建筑物随着水位的升高，其运行性态发生较大的变化，工程安全监测为管理单位提供建筑物运行性态数据，保证工程安全运行。

（2）验证水工设计理论，提高设计水平。随着水利工程的不断发展，这就要求水工设计人员在设计理论和设计方法进行不断的改进和创新。但这些新的理论和方法是否满足工程运行的需要，都需要用水工建筑物运行中的实测数据进行验证。

（3）优化工程施工工艺、指导施工。由于水工建筑物施工的复杂性和不可复制性，为了验证新的施工工艺是否满足水工建筑物要求，进行动态施工（在施工的过程中进行实时监测和反馈），如引水隧洞和地下厂房的开挖中的监测反馈控制，碾压混凝土坝在填筑和碾压过程中的温度控制等。

（4）配合工程科学研究。对于一些巨大规模和技术非常复杂的水工建筑物（如三峡大坝），在设计阶段，除了在试验室需要制作相应比例的物理模型外，还需要在类似水工建筑物上布置相应的监测仪器设备，通过不同工况的试验，得出一系列的数据，这都离不开监测工作的配合。

第二章 南水北调中线工程方城Ⅱ段安全监测设计

2.1 南水北调中线工程

南水北调中线工程[18]，水源地为 丹江口水库，从汉江中上游的 陶岔渠首枢纽工程陶岔渠首闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿唐白河流域和黄淮海平原西部边缘开挖渠道，在河南郑州附近通过隧道穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到北京 颐和园的团城湖。中线主要向输水沿线的河南、河北、北京、天津四省市 20 余座城市提供生活和工业用水。输水干渠全长 1277km，向天津输水干渠长 154km。南水北调中线工程以解决华北地区的城市生活与工业用水为主。一期工程规划，年调水量 97 亿m3，最终将达到每年 130 亿m3。其路线如图 2-1 所示。 图 2-1 南水北调中线工程路线示意图工程首先将丹江口水库 大坝加高，利用新开的人工渠道（局部管道）输水。输水总干渠自丹江口水库陶岔渠首引水，在方城垭口穿江淮分水岭，从郑州西边的孤柏嘴处过黄河，之后大体平行于京广铁路（位于京广铁路以西），北上至北京 团城湖，天津干渠从河北省 徐水县西黑山处分水至天津外环河。南水北调中线工程可缓解京、津、华北地区 水资源危机，为京、津及 河南、河北沿线城市生活、工业增加供水 64 亿m3，增供农业 30 亿m3。大大改善供水区生态环境和投资环境，推动我国中部地区的经济发展。

第三章 安全监测项目的实施......25

3.1 监测仪器选型...... 25

3.1.1 常用监测仪器传感器类型...... 25

3.1.2 监测仪器选型........ 30

3.2 监测仪器的率定........ 33

3.3 监测仪器埋设...... 33

3.4 质量控制........ 40

3.4.1 质量管理组织机构...... 40

3.4.2 质量保证体系........ 41

3.4.3 质量保证措施........ 41

3.5 本章小结........ 44

第四章 安全监测资料分析研究........45

4.1 脱脚河倒虹吸...... 45

4.1.1 左联中心线监测断面........ 46

4.1.2 管身监测断面........ 50

4.2 贾河渡槽........ 61

4.2.1 4#槽墩桩..... 62

4.2.2 进口闸室纵断面.... 65

4.3 本章小结........ 70

第五章 结论与展望....71

5.1 结论..... 71

5.2 展望.... 72

结论

安全监测在水工建筑物起着至关重要的作用，特别是在南水北调中线工程这种超大型项目中，一旦发生安全质量事故，其后果是不堪设想的，不仅会对沿线四个省市带来巨大的经济损失，更会引起社会不安因素。本论文结合南水北调中线工程方城Ⅱ段针对水工建筑物的安全监测技术展开研究，不仅具有指导安全监测施工和验证设计的作用，还有对于工程监测技术的发展也希望能起到一定得促进作用。本论文以南水北调中线工程方城Ⅱ段为背景，深入地分析了了国内外安全监测现状以及安全监测的发展趋势、进行了方城Ⅱ段安全监测设计和安全监测仪器选型，研究监测仪器的率定和安装埋设方法的研究，探讨了监测施工的质量控制方法以及对所取得监测资料进行了详细的分析与总结。通过本论文研究取得了以下成果：

1、方城Ⅱ段有梯形明渠、倒虹吸、渡槽等水工建筑物，种类多、结构复杂，进行了深入的探讨和设计，确定安全监测的主要项目和主要监测建筑物，对脱脚河倒虹吸、贾河渡槽和草墩河渡槽进行安全监测设计以及设计图绘制，监测效果明显，监测设计合理。

2、结合南水北调中线工程监测要求和现有差动电阻式、电感式、钢弦式、电容式监测仪器的特点，认为钢弦式监测仪器较为适用。通过比较国内外监测仪器的性能和性价比，选择了国外厂家钢弦式渗压计和国内厂家生产的土压力计、钢筋计、应变计等仪器作为本项目的主要监测仪器设备。对监测仪器的率定、安装埋设等进行了细致的技术工作。结合本项目的特点对监测项目的质量控制进行研究，得出与之适合的质量管理组织机构和质量保证体系。

参考文献

[1] 彭虹.我国大坝安全监测自动化的演进与拓展[J].大坝与安全,2003,6:13-18

[2] 李珍照.大坝安全监测[M].北京.中国电力出版社.1996

[3] 邢林生.我国水电站大坝事故分析与安全对策[J].水利水电技术进展,2001,21(2):26-32

[4] 杨立信，李运辉. 俄罗斯萨扬舒申斯克水电站事故原因分析[M]. 郑州:黄河水利出版社,2010

[5] 汝乃华. 梅山连拱坝右坝座的错动及原因分析[J].水利学报,1988,10(5):28-35

[6] 董邦平.长江西陵峡新滩滑坡分析[J].水土保持通报,1985,6:4-7

[7] 王德厚.水利水电工程安全监测理论与实践[M].武汉:长江出版社,2007

[8] 何勇军.大坝安全监测与自动化[M].北京：中国水利水电出版社,2008

[9] 周小文等.现代化堤防安全监测与预警系统模式研究[J].水利学报,2002,6,113-117

[10]袁天奇,张冰.大坝外部变形监测技术现状与发展趋势[J].水力发电,2003,29（6）：52-55