水工建筑物观测
水工建筑物观测的项目包括：变形观测、裂缝观测、应力和温度观测、渗流观测和水流观测等。观测方法已从单点施测向集中遥测、遥感、自动记录和数据处理、自动显示和闭路电视全观的全面自动化方向发展。
1.变形观测
变形观测包括土石及混凝土建筑物的变形（水平和铅直位移）观测。变形观测可以掌握变形的变化规律，研究有无裂缝、渗漏、滑坡等趋势，是判断水工建筑物正常工作的一项重要的观测项目。
（1）水平位移观测。对于测点在坝体表面上的土坝和混凝土坝，可用视准线法或三角网法施测。视准线法适用于坝顶长度不大于600m的直线形坝（如土石坝、重力坝）；三角网法适用于任何坝型。图9-2是土坝视准线法水平位移观测布置，图9-3是拱坝的水平位移三角网法的观测平面布置。
图9-2 土坝的视准线法
（a）平面图；（b）横断面
1—工作基点；2—校核基点；3—位移标点；4—增设工作基点；5—合拢段；6—原河
图9-3 拱坝的水平位移三角网法
Ⅰ，Ⅱ—校核标点；A，B—三角网工作基点；a，b，c，d，e—标点或增设工作基点
位移标点的布置应根据建筑物的重要性、规模、施工条件以及所采用的观测方法来确定。对土坝要在有代表性、能控制主要变形的地段上选择观测断面，全坝不得少于3个断面，断面间距50～100m。每个断面上的标点数应不少于4个（上游正常蓄水位以上至少1个）。对混凝土重力坝而言，可在平行坝轴线的坝顶下游坝肩及坝趾各设一个标点（每个坝段中间布置一个）。对于拱坝，一般用三角网法，应在坝顶上每隔40～50m埋设一个标点，至少在拱冠、四分之一拱圈及两岸接头处各埋设一个标点。观测工作基点应置于不受任何破坏而又便于观测的岩石或坚实的土基上。用视准线法观测的工作基点，常将其布置在建筑物两岸每一纵排标点延长线上，在坝顶和坝坡上布置测点，利用工作基点间的视准线来测量各测点的水平位移。而用三角网法进行水平位移观测，则利用2～3个已知坐标的点作为工作基点，通过对测点交会算出其坐标变化，从而确定其位移值。
混凝土和砌石坝的水平位移还可以用引张线法测量。首先在廊道内坝体两端的基点间拉紧一根钢丝作为基准线，然后测量坝体上各测点相对于基准线的偏离值，进而计算水平位移量。另外，混凝土及砌石坝水平位移沿坝体高程不一样，高程越高位移越大，还需要观测坝体水平位移沿高程的分布，并绘制成图，即坝体的挠度，一般用正垂线或倒垂线来观测。
（2）铅直位移（沉陷）观测。土石坝沉陷及其他坝型外部的铅直位移，都可用精密水准仪测定。混凝土坝内的铅直位移由于比较小，除用精密水准仪测定外，还可用精密连通管法量测。
土石坝固结观测的目的是为了了解土石坝在施工及正常运用期坝体内的固结和沉降（垂直位移）的情况。它是在坝体具有代表性的断面，即观测断面内，逐层埋设横梁式沉降仪（图9-4）、电磁式沉降仪、干簧管式沉降仪、深式标点、水管式沉降仪等，以测量各测点的高程变化，从而计算出坝体内的固结度和沉降量。固结管一般埋设在原河床、最大坝高、合拢段以及进行过固结计算的剖面内。沉降观测应与坝体其他位移观测、坝体内孔隙水压力变化的观测配合进行，以了解固结、沉降和孔隙水压力分布及消长情况，便于合理安排施工进度，核算坝坡的稳定性。观测的次数，施工期间随坝体的填筑升高，每安装一节套管或细管、标杆、沉降环，和已埋设的各测点进行一次观测；停工期每隔10天观测一次；竣工后，与其他位移、孔隙水压力等项目的测次相同。
2.裂缝观测
混凝土建筑物的伸缩缝是永久性的，是随着外部荷载环境（如水库水位、水温、气温）及混凝土温度的变化而开合的。其观测方法是在测点处埋设金属标点或用测缝计进行。一般可在最大坝高、地质情况复杂或进行应力应变观测的坝段的伸缩缝上布置测点。测点的位置，一般可安设在坝顶、坝面和廊道内，一条伸缩缝上的测点不得少于2个。测缝计可选用差动电阻式、电位器式测缝计。需要观测空间变化的，亦可埋设“三向标点”，即三点式金属标点，它由大致在同一水平面上的三个金属标点组成，其中两个标点埋设在伸缩缝的一侧，其连接线平行于伸缩缝，并与在缝的另一侧的一个标点构成三边大致相等的三角形，如图9-5所示。
图9-4 横梁式沉降仪结构
1—套管；2—带横梁的细管；3—横梁；4—U形螺栓；5—浸以柏油的麻袋布或棕皮；6—管座；7—保护盒；8—块石护坡；9—岩石；10—混凝土底座
图9-5 三向测缝计
（a）三点式金属标点结构图；（b）型板式三向标点结构安装图
A、B、C—标点；1—埋件；2—卡尺测针卡着的小坑；3—伸缩缝；4，5，6—x，y，z方向的标点
混凝土建筑物的非正常情况所产生的裂缝，其长度、宽度和深度的测量根据不同情况采用测缝计（埋设方式如图9-6所示）、设标点、千分表、探伤仪以及坑探、槽探或钻孔等仪器或方法。对于重要裂缝的宽度的变化与发展，一般采用在裂缝两侧的混凝土表面各埋设一个金属标点进行观测，金属标点的结构形式如图9-7所示。
图9-6 测缝计埋设示意图
1—电缆；2—波形管；3—接缝；4—套管；5—高浇筑块；6—低高浇筑块；7—挖去部分
图9-7 金属标点的结构示意图（单位：cm）
1—游标卡尺卡着处；2—钻孔线；3—裂缝
对于混凝土面板堆石坝的周边缝，其测点的布置，可根据大坝的级别、地形和地质、面板的规模与尺寸等情况确定，一般布置在正常水位以下的周边缝上。周边缝的测量，常用单向大量程位移计构成的测缝计组，测缝计可用国产的TSJ型电位器式（线位移）、3DM—200型旋转电位器式测缝计等。其具体的构造及安装方法等可参考专门文献。
3.应力和温度观测
（1）混凝土坝的应力和温度观测。应力观测，可根据工程的重要性、建筑物的类型、受力情况和地基条件，选择一些具有代表性的坝段进行。如对重力坝，一般选择一个溢流坝段和一个非溢流坝段作为观测坝段，在观测坝段上除靠近地基（距地基不小于5m）布置一个观测截面外，还可根据坝高、结构形式等条件布置几个截面，每个截面上最少布置5个测点。对于拱坝一般选择拱冠梁和拱座断面作为观测面。
混凝土坝的内部温度观测，可采用电阻式温度计等，测点分布应该是越接近坝体表面越密。在钢管、廊道、宽缝和伸缩缝附近，测点还应适当加密。坝体内部温度的观测应与坝体周围的水温、气温、基岩温度等外界因素的观测相配合。(https://www.daowen.com)
（2）混凝土面板堆石坝的面板应力和温度观测。混凝土面板堆石坝的面板应力和温度观测包括混凝土的应力观测及钢筋应力观测两部分，对于一、二级工程须同时观测混凝土的温度。应力观测应与坝的上下游水位、气温、挠度和接缝位移等观测配合进行，同步测量，以便对观测结果进行比较分析。
面板的混凝土应力观测须在面板内埋设应变计（或应变计组），同时另外埋设无应力计并做混凝土的徐变试验。应变计（或应变计组）用以观测混凝土的应力应变及非应力应变两者之和，无应力计用以观测混凝土的非应力应变。非应力应变包括由温度、湿度及化学因素共同作用产生的总变形。钢筋应力，用在钢筋的设定部位焊接的钢筋计观测。
面板应力观测的测点应选择在有代表性的板条上（观测板条），所有应变计要埋设在观测板的中性平面（即在板厚度的中间位置），并与板的迎水面平行。所有测点在观测板中性平面上的位置应沿水平向和坡向按规定的网格状排列。钢筋计布置在钢筋网上。应变计及钢筋计还同时应具有测温功能。
（3）土压力观测。土压力的观测常用土压力计，土压力计有边界式（接触式）和埋入式（土中）两类，前者用于测量土与混凝土建筑物表面接触处的接触压力；后者用于测量坝体（土坝）填土的内部土压力。
土坝土压力的观测断面可选取1～2个横剖面，在每个断面上按不同高程布置2～3排测点。对于心墙坝，每排测点可分别布置在心墙中心线、心墙与坝壳接触面上，以及下游坝壳内，见图9-8。为计算大小主应力、剪应力，仪器应成组埋设（每组2～3个）。如与孔隙水压力计配合埋设，则可求得总应力。
图9-8 土坝坝体内土压力测点布置示意图
1—心墙；2—坝壳；3—测点
适用于土石坝压力观测的土压力计（埋入式）有钢弦式和差动电阻式。钢弦式仪器长期稳定性好，结构牢固，操作方便，易自动化，分为立式和卧式，它是利用钢弦伸长或缩短而引起自振频率的变化来反应应力的变化，经常采用。
接触面处的土压力观测，在承受填土侧压力的建筑物部位，如岸墙、与土石坝连接的溢洪道等建筑物的边墙，选择受力最大的1～2个断面布置测点，测点在挡土建筑物二分之一墙高度以下布置应密一些，上部可稀一些。
土压力计的埋设，应在混凝土建筑物施工的同时进行，观测后应绘制出断面上的土压力分布图和接触压力过程线。
（4）土坝孔隙水压力观测。土坝孔隙水压力观测的目的是了解土石坝坝身或坝基产生的孔隙水压力大小及其分布与消散情况，以及其对施工阶段的质量、进度的影响，大坝运用期间的渗流状态与坝身稳定状况，以确保大坝安全。孔隙水压力观测应与变形观测、土压力观测配合进行，并应同时观测上下游水位、降雨量和地下水位（包括坝两岸山体内的水位）。
观测设备的布置，一般应在原河床、最大坝高处、合拢段、地基状况较差的横断面布设。观测断面至少应有2个（包括最大坝断面），并尽可能与沉降和土压力观测设在同一横断面上，测点应尽量靠近。孔隙水压力观测仪器设备分为水管式、测压管式、钢弦式、差动电阻式和电阻应变片式等，不同结构形式应采用不同的埋设方法。
对孔隙水压力观测资料，应及时整理分析，绘成成果曲线和计算值对比论证，结合施工运用，分析孔隙水压力变化速率、范围和趋势，提出对设计、施工和运用的意见和建议。成果曲线包括：①土坝孔隙水压力过程线；②孔隙水压力与荷载的关系曲线；③孔隙水压力等值线图；④库水位与孔隙水压力水头过程线；⑤沉降量与孔隙水压力关系曲线等。
4.渗流观测
水工建筑物渗流观测的目的是以水工建筑物中的渗流规律来监视其施工期和运行期的性态和安全，检验理论计算结果。渗流观测的主要内容包括渗流量、扬压力、浸润线、绕坝渗流及孔隙水压力等。
（1）土石坝的渗流观测。土石坝渗流观测的主要项目包括：坝体浸润线的位置变化，坝基的渗流动水压力及导渗减压的效能，绕坝渗流情况，渗流量及渗水温度等。
1）浸润线观测。通过测压管可以观测坝体内浸润线的位置变化。观测断面一般布置在最重要、最有代表性，而且能够控制主要渗流情况和估计可能发生问题的地方，例如河床段最大坝高断面、合拢断面和可能产生裂缝的断面等。对大中型工程，观测断面不少于3个。测点的布置，在每一个断面内，位置和数目应根据影响浸润线位置的因素和能绘出等水位线或等势线的分布而定。
测压管水位常用测深锤、电测水位计等测量。测压管有金属管、塑料管和无砂混凝土管等几种，其构造大体由进水管段、导管和管口保护等3部分组成。
测压管是在土坝竣工后蓄水之前钻孔埋设的，埋设后应及时进行注水试验，检查其灵敏度是否合乎要求。检查合格后应在管口加盖上锁并编号。观测的次数根据坝的稳定情况而定。初次蓄水期，应3天观测一次；投入正常运行期，上游水位低于设计水位时，观测次数可以减少，但至少每10天观测一次；在汛期，上游水位超过正常水位或上涨较快时，应每天一次。观测时应同时进行上、下游水位观测。
2）渗流量观测。渗流量观测的目的是了解渗流量的变化及水库渗漏水量损失，据此分析土石坝的安全性。坝的渗流量包括坝体渗流量、坝基渗流量和绕渗或两岸地下水补给的渗流量，应尽量做到分区观测，以监测各种渗流量大小的变化及渗透稳定性。
渗流量的观测方法，根据渗流量的大小和汇集条件，一般可采用容积法（适用于渗流量小于1L/s的情形）、量水堰法（一般要求渗流量小于300L/s）和测流速法（渗水能引入具有较规则的平直段的排水沟内时采用）。最常用的是量水堰法。量水堰又分为三种形式，即三角堰（适用于渗流量为1～70L/s时）、梯形堰（适用于渗流量为10～300L/s时）和矩形堰（适用于渗流量大于50L/s时）。
渗流量量测位置布置，一种是一直沿用的下游坝脚附近设堰量测总渗流量；另一种采用分区观测渗流量布置，即不同渗透部位设堰量测局部渗流量。前者易受降雨、发电尾水和人为破坏因素影响，但设备简单，能掌握总渗流量的长期变化情况。
3）绕渗观测。绕渗观测也是浸润面（线）的观测，可用水管式孔隙水压力仪等观测。其观测测点布置，应根据坝型、两岸山体的地质构成情况、防渗与排水措施的形式、坝体与两岸或混凝土建筑物的连接形式等特点而定。图9-9是两岸山体的透水性相差不大的均质坝的测点布置，每岸一般要求设3～4个观测断面，每个断面上设3～4个钻孔，每个钻孔设2～3个观测点，且不同钻孔内设的测点最好位于同一高程。
（2）混凝土建筑物的渗流观测。混凝土建筑物的渗流观测包括地基扬压力观测、建筑物内部渗透压力观测、渗流量和绕坝渗流观测、外水压力观测等。
地基扬压力观测，常采用的是测压管或差动电阻式渗压计，测点沿建筑与地基接触面布置。对大中型混凝土建筑物，测压断面不少于3个，每个断面测点也不少于3个。图9-10是重力坝坝基扬压力测点布置图。渗透流量及绕坝渗流的观测方法与土坝相同。混凝土建筑物其他的几种渗流观测可参考专门文献。
图9-9 绕坝渗漏测点布置平面图
1—观测断面；2—钻孔；3—均质坝（平面）
图9-10 坝基扬压力测点布置图
1～6—测压管
5.水流观测
（1）水流形态的观测。水流形态观测包括水流平面形态、水跃、水面线以及挑射水流的观测等。观测是不定期的，观测时应同时记录上、下游水位，流量，闸门开度，风力和风向等。水流形态观测一般是用水文观测的方法进行，辅以摄影、录像、目测、描绘和描述等。
（2）高速水流的观测。水工建筑物的高速水流会引起建筑物的振动、空蚀等现象，因此要对其产生的振动、空蚀、进气量、过水面压力（脉动压力和负压等）进行观测，其观测部位、方法和设备等，参见《高速水流原型观测手册》。