清河水庫除險(xiǎn)加固工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)方案

郝淑榮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽 110006）

清河水庫除險(xiǎn)加固工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)方案

郝淑榮

（遼寧省水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院， 遼寧 沈陽 110006）

文中全面介紹了清河水庫除險(xiǎn)加固工程安全監(jiān)測設(shè)計(jì)方案，重點(diǎn)介紹其安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。這次設(shè)計(jì)在滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中充分考慮工程實(shí)際情況和安全監(jiān)測管理需要，選擇必要的監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)，力求優(yōu)化合理。設(shè)計(jì)中充分考慮了今后經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，使建成后的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代化管理的需求，并為今后的擴(kuò)展留有余地。

清河水庫；安全監(jiān)測；方案設(shè)計(jì)

1 安全監(jiān)測現(xiàn)狀

清河水庫現(xiàn)有大壩安全監(jiān)測內(nèi)容包括水平位移觀測、垂直位移觀測、壩體浸潤線觀測、壩基滲透壓力觀測、大壩排水體和繞壩滲流觀測。溢洪道觀測內(nèi)容包括水平位移觀測、垂直位移觀測、堰基滲透壓力觀測。其中：

1）水平位移觀測利用 WILDT3 經(jīng)緯儀，采用視準(zhǔn)線法，利用燈光覘標(biāo)在夜間進(jìn)行人工觀測。

2）垂直位移觀測采用水準(zhǔn)測量法人工觀測。

3）壩體浸潤線觀測、壩基滲透壓力觀測、大壩排水體和繞壩滲流觀測、溢洪道堰基滲透壓力觀測均采用測壓管觀測法，自制測繩進(jìn)行人工觀測。

總體上，水庫現(xiàn)行的安全監(jiān)測還是以人工為主，這種方法工作量大、信息收集周期長、數(shù)據(jù)整理工作繁瑣，觀測結(jié)果精度不高，不能滿足水庫現(xiàn)代化管理的需求。

2 設(shè)計(jì)依據(jù)

SL60-94《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、GB12897-91《國家一、二、三等水準(zhǔn)測量規(guī)范》、SL169-96《土石壩安全監(jiān)測資料整編規(guī)程》、SL265-2001 《水閘設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》、SL253-2000 《溢 洪 道 設(shè) 計(jì) 規(guī) 范》、SDJ336－89 《混凝土大壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》、《遼寧省清河水庫工程安全分析綜合評價(jià)報(bào)告》。

3 監(jiān)測項(xiàng)目設(shè)置

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范相關(guān)規(guī)定設(shè)置有：變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、水位監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、溫度監(jiān)測及流量監(jiān)測的安全監(jiān)測項(xiàng)目。

3.1 變形監(jiān)測

為了保持監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，清河水庫變形監(jiān)測基本保持原壩體和溢洪道變形監(jiān)測點(diǎn)的布局。

1）水平位移監(jiān)測方法。水平位移監(jiān)測采用全站儀，采集的數(shù)據(jù)可隨后在計(jì)算中心進(jìn)行后處理從而得到各測點(diǎn)的水平位移量。

2）垂直位移監(jiān)測方法。用數(shù)碼水準(zhǔn)儀及測尺，沿著壩兩岸起測基點(diǎn)與壩上各位移標(biāo)點(diǎn)（水平位移標(biāo)點(diǎn)與垂直位移標(biāo)點(diǎn)共用一點(diǎn)）組成附合水準(zhǔn)路線，按國家三等水準(zhǔn)測量(GB12898-91)方法進(jìn)行監(jiān)測，閉合差不大于±1.4mm。

3.2 滲流監(jiān)測

為了監(jiān)測壩體在上、下游水位差作用下產(chǎn)生的滲流場，設(shè)置滲流監(jiān)測。滲流監(jiān)測包括壩體浸潤線監(jiān)測、繞壩滲流監(jiān)測、基礎(chǔ)滲透壓力監(jiān)測、繞閘滲流監(jiān)測。

這次設(shè)計(jì)采用在原測點(diǎn)布設(shè)位置附近重新鉆測壓孔，安裝測壓管，設(shè)置滲壓計(jì),各測點(diǎn)接入DAU 數(shù)據(jù)采集單元，納入自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。

3.3 溢洪道閘墩應(yīng)力、應(yīng)變觀測

為了解溢洪道閘墩在一側(cè)水壓力及弧門推力作用下的應(yīng)力分布，在觀測基面閘墩迎水側(cè)的牛腿鉸支座下部，各布置 2 組三向應(yīng)變計(jì)組，以觀測該截面的應(yīng)力、應(yīng)變及受力狀況。以上各測點(diǎn)接入DAU 數(shù)據(jù)采集單元，納入自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。

3.4 溫度監(jiān)測

在各典型觀測基面，沿著壩高方向，在上游壩面內(nèi)側(cè)、下游壩面內(nèi)側(cè)及壩體內(nèi)部各均勻布置4只溫度計(jì)，在壩體與基巖接觸面均勻布置4只溫度計(jì)，共計(jì) 28 只溫度計(jì)，進(jìn)行庫水溫、壩體表面溫度、壩體溫度及壩基溫度的觀測。以上各測點(diǎn)接入DAU 數(shù)據(jù)采集單元，納入自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)。

3.5 溢洪道閘門上、下游水位及水面線觀測

在溢洪道閘門上游閘墩及下游翼墻上畫上水尺標(biāo)志，監(jiān)測大壩上、下游水位，同時(shí)測量溢洪道的水面線。

3.6 庫區(qū)水位觀測

在左岸泄洪洞進(jìn)口附近，庫區(qū)水流平穩(wěn)處，設(shè)置一支水位計(jì)監(jiān)測庫區(qū)水位。

3.7 流量監(jiān)測

為監(jiān)測泄洪流量，在左岸泄洪洞出口、右岸泄洪洞進(jìn)口，各設(shè)置一套八聲路超聲波流量計(jì)用于監(jiān)測泄洪流量。

3.8 巡視檢查

由于自然因素變化多變，監(jiān)測儀器布設(shè)有限，因此，從施工期到運(yùn)行期都要進(jìn)行巡視檢查。

4 大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)組成

該安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)采用分層分布式的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主要由傳感器、監(jiān)測分站（DAU）、監(jiān)測總站（中控觀測室）、光纜及安全監(jiān)測管理軟件組成。

系統(tǒng)監(jiān)測總站位于樞紐中控室內(nèi)，由監(jiān)測服務(wù)器、監(jiān)測工作站、打印機(jī)、UPS 電源等設(shè)備組成，負(fù)責(zé)接收各分站傳來的實(shí)時(shí)監(jiān)測數(shù)據(jù)、入庫、后處理、數(shù)據(jù)分析、分析成果顯示輸出、報(bào)表打印、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等功能，監(jiān)測數(shù)據(jù)、系統(tǒng)參數(shù)和其它信息資料存放在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫運(yùn)行在監(jiān)測服務(wù)器上以實(shí)現(xiàn)資源共享。監(jiān)測分站作為前端用戶訪問和處理數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并提供網(wǎng)絡(luò)發(fā)布功能，除系統(tǒng)管理員可以直接在監(jiān)測服務(wù)器上對系統(tǒng)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)庫管理等操作外，其他操作人員通過權(quán)限設(shè)置在局域網(wǎng)內(nèi)任意一臺(tái)工作站上，通過綜合自動(dòng)化系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的查詢、監(jiān)視等操作。

4.2 系統(tǒng)功能

1）監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能。

2）系統(tǒng)操作及顯示功能。

3）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能。

4）綜合信息管（處）理功能。

5）大壩安全監(jiān)測分析評價(jià)功能。

6）大壩安全監(jiān)測分析成果 WEB 發(fā)布功能。

7）系統(tǒng)防護(hù)和自檢功能。

8）人工接口功能。

4.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集方式與體制

數(shù)據(jù)采集應(yīng)具有自動(dòng)巡回測量、自動(dòng)選點(diǎn)測量和人工測量等功能。系統(tǒng)既可對接入數(shù)據(jù)采集單元的全部各類監(jiān)測儀器依次進(jìn)行測量，也可對接入數(shù)據(jù)采集單元的全部各類監(jiān)測儀器中的某一指定儀器進(jìn)行選點(diǎn)測量，同時(shí)還有專用接口接入人工測量儀表對監(jiān)測儀器進(jìn)行人工測量。人工測量與自動(dòng)化測量相互獨(dú)立，以便可互校或替代。

系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集方式分為人工采集、半自動(dòng)采集和自動(dòng)采集。

人工采集：人工采集的對象為只能人工監(jiān)測的項(xiàng)目和需要用人工方法作為對比的監(jiān)測項(xiàng)目，通過人工采集方式獲得的原始數(shù)據(jù)，均應(yīng)及時(shí)輸入安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

半自動(dòng)采集：在施工期和運(yùn)行期自動(dòng)化系統(tǒng)故障或檢修的情況下，可由操作人員攜帶讀數(shù)儀表（檢測儀）或便攜式電腦到現(xiàn)場直接讀數(shù)，然后再轉(zhuǎn)入安全監(jiān)測自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

自動(dòng)采集：可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)采集的監(jiān)測項(xiàng)目，由操作人員在監(jiān)測中心站的監(jiān)測服務(wù)器或監(jiān)測工作站上，直接設(shè)置采集參數(shù)后，通過現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集終端自動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)采集并傳輸至監(jiān)測中心站的相關(guān)數(shù)據(jù)庫。

4.4 傳 輸

大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息傳輸采用光纖傳輸，信息通訊管理采用無線通訊和局域網(wǎng)系統(tǒng)。具有遠(yuǎn)程監(jiān)控功能及遠(yuǎn)程診斷功能。保證管理人員或工程技術(shù)人員可以不到現(xiàn)場，即可對全部觀測點(diǎn)進(jìn)行觀測和自檢自校。

4.5 管理及處理分析

系統(tǒng)軟件運(yùn)用水利專業(yè)技術(shù)，借助于計(jì)算機(jī)專業(yè)的數(shù)據(jù)庫、科學(xué)計(jì)算、圖形顯示、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等手段，采用面向?qū)ο蟮哪K化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則；使系統(tǒng)在一個(gè)安全、穩(wěn)定、先進(jìn)、可擴(kuò)展、可操作性強(qiáng)、易于管理維護(hù)的環(huán)境下運(yùn)行。系統(tǒng)軟件具有在線和離線數(shù)據(jù)管理和分析處理功能及全面、完善的數(shù)據(jù)庫管理功能，包括數(shù)據(jù)顯示、更新、增刪、檢索、查詢、整編、打印等，對觀測數(shù)據(jù)與工程檔案實(shí)施全面管理、存儲(chǔ)、檢索、繪制圖表、年鑒制作等工作，使觀測資料管理進(jìn)入辦公自動(dòng)化。

4.6 大壩安全監(jiān)測分析系統(tǒng)軟件

清河水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)監(jiān)測采集數(shù)據(jù)的綜合管理和分析，歷史資料整編的人機(jī)接口。按照實(shí)際工作的需求，系統(tǒng)劃分為數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理信息子系統(tǒng)、安全監(jiān)測分析評價(jià)子系統(tǒng)與分析評價(jià)成果發(fā)布子系統(tǒng)。

5 結(jié)語

這次設(shè)計(jì)在滿足相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)中充分考慮工程實(shí)際情況和安全監(jiān)測管理需要，選擇必要的監(jiān)測項(xiàng)目和測點(diǎn)，力求優(yōu)化合理。建成后的自動(dòng)化安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)、功能強(qiáng)大、測值準(zhǔn)確可靠、便于運(yùn)行維護(hù)。設(shè)計(jì)中充分考慮了今后經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的發(fā)展，使建成后的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)能滿足現(xiàn)代化管理的需求，并為今后的擴(kuò)展留有余地。

式中：μ——有壓隧洞自由出流的流量系數(shù)；ω——隧洞出口斷面面積 m2；T0——上游水面與隧洞出口底板高程差及上游行進(jìn)流速水頭之和；hp——隧洞出口斷面水流的平均單位勢能；a——出口斷面洞高，m；p/r——出口斷面平均單位壓能；ζi——隧洞第 i段上的局部能量損失；ωi——隧洞第 i段斷面面積，m2；li—隧洞第 i段長度，m。

經(jīng)計(jì)算供水管流量系數(shù) μ=0.11，初期供水階段總流量 Q=769.5（m3/a）＞500（m3/a），滿足初期工業(yè)用水供水量要求。

供水管初期供水階段有壓供水管壓坡線計(jì)算，公式采用均勻流摩阻公式以及曼寧計(jì)算沿程水頭損失：

式中：△hf——沿程水頭損失；λ——沿程水頭損失系數(shù)；L——管段的長度；g——重力加速度；v——管道過水?dāng)嗝娴钠骄魉伲籆——謝才系數(shù)；R——管段過水?dāng)嗝娴乃Π霃剑籲——糙率。

局部水頭損失公式采用：

式中：△ζ——局部水頭損失系數(shù)；v——相應(yīng)管道平均流速。

經(jīng)計(jì)算供水管出口處總水頭 h=2.38m＞2m，滿足有壓供水管壓坡線計(jì)算，供水管設(shè)計(jì)合理。

4 結(jié)語

前夭子初期供水工程供水管設(shè)計(jì)，有效利用新建泄洪洞進(jìn)口閘墩，在不同工況，不同高程分層取水。供水管在新建泄洪洞底板內(nèi)引出至外部供水閥室。供水管與新建泄洪洞同時(shí)施工，有效節(jié)約施工步驟、工期及各項(xiàng)成本。目前，新建泄洪洞已開挖完成，進(jìn)水口已修建完畢，通過實(shí)踐證明，前夭子初期供水工程供水管設(shè)計(jì)是成功的。

[收稿日期]2013-06-18

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1002－0624（2014）05－0009－03

2014-01-13