如何监测大坝安全
上一篇我们讨论了如何修筑大坝。这里我们讨论在大坝修筑完成后，如何监测它的安全状态。
坝体筑成之后，经过长年累月的运行，必然会有不同程度的损坏。大坝安全监测，就是监测大坝在运行过程中的不同部位和不同指标的状态，了解大坝的运行状态，在大坝出现损坏之前及时制止，以确保坝体安全。
不同材料筑成的大坝，监测指标和部位有所不同。
坝的分类
按筑坝材料的不同，可分为土石坝、混凝土坝、橡胶坝。
土石坝的断面一般为梯形，由土料、石料等，经过抛填、碾压等方法筑成，是历史最悠久的一种坝型。
混凝土坝根据抵抗水头压力的机制不同，可分为重力坝和拱坝。重力坝，顾名思义就是利用坝体自身重量来抵抗上游水压力并保持自身稳定，比如著名的三峡大坝就是混凝土重力坝；而拱坝则是像拱桥一样，是在平面上呈凸向上游的拱形挡水建筑物，借助拱的作用将水压力的全部或部分传到河谷两岸的基岩上，比如周公宅拱坝，美国著名的胡佛拱坝。
橡胶坝是将充满气体或者水的橡胶固定于河床上，用来挡水，主要用于城市景观、河流生态修复等。
有坝必有溢洪（泄洪）设施，比如溢流堰、泄洪洞，都是为了在洪水来临之前将水库里的水提前放至下游。溢流堰顶有的设闸门，有的不设闸门。泄洪洞一般有竖井式进水口。
大坝为防止漏水，通常会设置防水层（只针对土石坝，混凝土坝本身不透水）。有的在大坝中部，形成心墙，有的在大坝上游迎水坡，形成斜心墙。大坝下游为防止积水，通常会设置排水设施，比如下游坝脚堆砌碎石块，坝体内水排出，或在下游挖沟槽排水。形成上堵下排的结果。
大坝安全监测
为保证大坝安全，通常会对大坝进行观测，针对坝型不同，观测设施也不一样。
橡胶坝目前还没有广泛实用的监测方法，因其工程规模不大，肉眼观察也可保证总体安全，故极少使用专门的监测方法。下面主要讨论土石坝和混凝土坝。
土石坝安全监测
变形观测
坝体表面变形。一般采用人工观测。
坝体表面变形监测内容包括坝面的垂直位移和水平位移。水平位移监测可采用视准线法、前方交会法、极坐标法和GPS法进行。垂直位移监测可采用水准测量及三角高程测量。需要用到的仪器设备通常是全站仪和水准仪。
水平、垂直位移监测应设置各类监测点，监测点与监测部位应牢固结合，能切实反映该位置的变形。下图是青山水库的表面变形观测墩，上面安装的是全站仪反射棱镜
坝体、坝基内部变形。可采用自动化观测
坝体（坝基）内部变形监测内容包括坝体垂直位移和水平位移。仪器布置方式有垂向和水平分层布置两种方式。两种方式可结合布置，也可单独布置。
垂向布置方式通常采用沉降仪监测坝体的垂直位移，采用测斜仪监测坝体的水平位移。
下图是测斜仪
水平分层布置方式宜采用水管式沉降仪和引张线式水平位移计组合埋设，水管式沉降仪用于监测坝体垂直位移，引张线式水平位移计用于监测坝体水平位移。
防渗体变形。可采用自动化观测
监测内容包括混凝土面板变形（针对面板堆石坝）、防渗墙挠度变形以及坝体心墙的水平位移及垂直位移。坝体斜墙可参照执行。面板挠度可采用斜向固定式测斜仪或电平器监测。
界面、接缝及脱空变形
监测内容包括坝肩接缝、土石坝与混凝土建筑物接缝、土坝心墙与过渡料接触带、面板接缝与周边缝、坝体裂缝以及面板脱空等。在各接触界面设位移监测点，测定界面上两种不同介质相对的法向及切线位移。
- （1）界面法向及切向位移宜采用土体位移计监测。
- （2）混凝土面板接缝包括垂直于接缝的开合度及平行于接缝的切向位移，对于接（裂）缝位移方向明确的部位，可采用单向杆式位移计（测缝计） 监测，对于面板周边缝，可选用两向或三向测缝计监测。
- （3）混凝土面板脱空监测，可采用两支土体位移计和一个固定底座构成的等边三角形布置。
近坝岸坡变形
岸坡变形监测内容包括表面变形、内部变形、裂缝变化等。内部水平位移采用测斜仪。多点位移计主要监测边坡拉张变形。
渗流监测
坝体渗流压力
监测内容包括坝体断面渗流压力分布和浸润线位置的确定。渗流压力监测仪器，采用测压管或孔隙水压力计。
测压管可随坝体填筑时埋设，也可在土石坝竣工后、蓄水前用钻孔埋设。测压管内的水位，用电测水位计或水压力计监测。测压管的管口高程，在运行期每两年至少校测一次，疑有变化时随时校正。
孔隙水压力计的监测，其测值物理量宜用渗流压力水位表示，某些情况，如隧洞监测，可直接用渗压（压强）单位表示。
下图是振弦式孔隙水压力计
坝基渗流压力
监测内容包括坝基岩土体、防渗体和排水设施等关键部位的渗流压力及其分布情况。监测仪器设施同上。
绕坝渗流
监测内容包括两岸坝肩及部分山体、土石坝与岸坡或混凝土建筑物接触面、以及防渗墙或灌浆帷幕与坝体或两岸接合部等关键部位渗流情况。监测仪器设施同上。
渗流量
监测内容包括渗漏水的流量及其水质分析。可采用容积法、量水堰法、或者把渗漏水引入排水沟测其流速而后计算渗流量。
下图是常用的三角量水堰，测其水位后通过水力学公式计算其流量
近坝岸坡渗流
主要针对岸坡潜在不稳定体，内容包括地下水位、渗流压力和渗流量监测。监测仪器同上。
压力、应力监测
监测内容包括孔隙水压力、土压力、混凝土应力应变、钢筋（钢板、锚杆）应力，预应力锚索锚固力。
孔隙水压力
仅适用于饱和土及饱和度大于95%的非饱和粘性土。采用孔隙水压力计监测。
土压力
包括土体压力及接触土压力。采用土压力计监测。
应力应变及温度
监测内容包括面板混凝土应力应变、钢筋应力和温度；沥青混凝土心墙或斜墙应力应变和温度；防渗墙混凝土应力应变；岸坡锚固力及支护结构的应力应变、钢筋应力；地下洞室衬砌结构混凝土应力应变、钢筋应力，围岩压力和锚固力以及压力钢管的钢板应力等。
采用的监测仪器有应变计、无应力计、钢筋（锚杆）应力计、钢板应力计、压应力计等。
环境量监测
水位、库水温
水位观测可采用水尺、水位计，有条件时可采用遥测水位计或自计水位计。库水温观测可采用深水温度计、半导体温度计、电阻温度计等仪器设备
降水量、气温
降雨量观测可采用雨量器、自计雨量计等。气温观测仪器应放在专用百叶箱内。
混凝土坝安全监测
变形观测
监测项目一般包括坝体和坝基变形（水平位移、垂直位移和挠度）、裂缝、接缝，以及近坝区岩体、高边坡、滑坡体和地下洞室的位移等。
水平位移及挠度
挠度是在受力或非均匀温度变化时，杆件轴线在垂直于轴线方向的线位移或板壳中面在垂直于中面方向的线位移。
坝体扰度宜采取垂线观测，坝基挠度可采用倒垂组或其他适宜方法观测。重力坝或支墩坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线法、引张线法和真空激光准直线法监测。拱坝坝体和坝基水平位移宜采用垂线法监测。
水平位移监测采用的仪器有经纬仪、全站仪、垂线坐标仪、引张线仪。
垂直位移
观测坝体、坝基垂直位移的方法主要有精密水准法、连通管法和三角高程法。监测仪器有水准仪和静力水准仪。
倾斜
坝体和坝基的倾斜，应采用一等水准测量，也可采用连通管和遥测测斜仪监测。
表面接缝与裂缝
接缝和裂缝开度的监测可选择有代表性的部位埋设单向、两向或三向机械测缝标点或遥测仪器进行观测。测缝计类型较多，有振弦式、差动电阻式以及差动电容式、机械式等类型。
渗流监测
监测项目包括坝体坝基扬压力、渗透压力、渗流量、饶坝渗流，以及水质监测。
坝基扬压力
可埋设渗压计监测，也可埋设测压管监测。
坝体渗流
坝体水平施工缝渗透压力宜采用渗压计进行监测。
渗流量
可使用量水堰监测。
绕坝渗流
可采用测压管，也可采用渗压计。
地下水位
可采用测压管，也可采用渗压计。
应力应变与温度监测
包括混凝土或岩石内部及其表面（或接触面）的应力、应变监测、锚杆（锚索）应力监测、钢筋应力监测、钢板应力监测、温度监测等。
应力、应变和温度监测仪器选型同变形监测仪器，目前国内使用较多的应力计、应变计（无应力计）、钢筋应力、钢板计等监测仪器主要有振弦式和差动电阻式等类型。
环境量及专项监测
环境量监测
包括水温、气温、大气压力、降水量、冰压力、坝前淤积和下游冲刷等。
地震反应监测
监测物理量主要是加速度。
水力学监测
包括水流流态监测、水面线监测、动水压力监测、流速监测、泄流量监测、空化空蚀监测、掺气监测、振动监测、下游雾化监测、消能监测、冲刷监测，工程上使用较少，在此不做赘述。