葠窩水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造探析

孫延芬

(遼寧省葠窩水庫(kù)管理局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

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葠窩水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造探析

孫延芬

(遼寧省葠窩水庫(kù)管理局，遼寧 遼陽(yáng) 111000)

摘要：葠窩水庫(kù)大壩設(shè)計(jì)以大壩安全監(jiān)測(cè)為骨干，以當(dāng)代先進(jìn)、應(yīng)用成熟的監(jiān)測(cè)設(shè)備及信息技術(shù)為支撐，以確保水庫(kù)防洪安全和高效運(yùn)行為目的，對(duì)在役資源整合，對(duì)報(bào)廢部分論證改建，對(duì)陳久、陳舊資源升級(jí)，對(duì)局部缺失且必要的部分做增補(bǔ)建設(shè)，通過(guò)強(qiáng)化非工程措施，以自動(dòng)化的高效信息模式，輔以人工巡視和巡查檢驗(yàn)；在集中巡測(cè)過(guò)程中，重視單項(xiàng)校驗(yàn)；由基于數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件體系、多任務(wù)操作系統(tǒng)和在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、離線(xiàn)分析、異地備份的技術(shù)手段，建成確保水庫(kù)大壩安全與高效運(yùn)行的國(guó)內(nèi)先進(jìn)系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)；系統(tǒng)改造；大壩；葠窩水庫(kù)

1監(jiān)測(cè)系統(tǒng)概況

葠窩水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(即原原型觀測(cè))隨筑壩工程始建于1972年，包括位移、滲流、內(nèi)觀等幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)易的人工觀測(cè)項(xiàng)目，1989年隨(第一次)除險(xiǎn)加固工程建設(shè)改造成了自動(dòng)化系統(tǒng)，成為國(guó)內(nèi)水利系統(tǒng)最早實(shí)施混凝土重力壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化的大壩之一。

在2003年第二次除險(xiǎn)加固中安裝了壩頂真空激光準(zhǔn)直自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備。目前，葠窩水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)已運(yùn)行10 a，其他自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及內(nèi)觀系統(tǒng)業(yè)已失效，僅有部分外觀由人工維持觀測(cè)，亦亟待改造[1]。

2控制網(wǎng)加固改造

控制網(wǎng)加固改造的主要任務(wù)是對(duì)原網(wǎng)加固、補(bǔ)點(diǎn)和固形?？偣こ塘繛椋杭庸?點(diǎn)，增補(bǔ)永久點(diǎn)4個(gè)，過(guò)渡點(diǎn)170個(gè)，做引校測(cè)。加固的5個(gè)現(xiàn)狀點(diǎn)位于南沙(原點(diǎn))、山門(mén)、警衛(wèi)樓、北山下下、北山下上(空壓)。擬補(bǔ)的4個(gè)永久點(diǎn)位于南沙橋西、南沙橋東、南北沙大橋南、南北沙大橋北。擬補(bǔ)過(guò)渡點(diǎn)170個(gè)，位于壩外140個(gè)，壩內(nèi)30個(gè)。引校測(cè)自南沙原點(diǎn)經(jīng)各廊道門(mén)至壩內(nèi)形成環(huán)線(xiàn)，經(jīng)過(guò)渡點(diǎn)至基點(diǎn)和雙標(biāo)點(diǎn)。提供對(duì)壩體水平位移、垂直位移和壩后沖刷坑測(cè)控基準(zhǔn)。與擬建廊道內(nèi)起測(cè)基點(diǎn)、引測(cè)點(diǎn)和雙金屬標(biāo)點(diǎn)(灌漿廊道8#和22#)共同組成穩(wěn)固的網(wǎng)形。

原來(lái)的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)于特殊時(shí)期，改造后又過(guò)分的依靠自動(dòng)化，沒(méi)有在壩區(qū)的周?chē)鷺?gòu)成足夠的人工觀測(cè)網(wǎng)，這給用人工比測(cè)和在自動(dòng)化系統(tǒng)暫時(shí)停止工作時(shí)由人工替代的可能性帶來(lái)極大的困難。

建庫(kù)初期雖然建了控制網(wǎng)，但由于當(dāng)時(shí)的網(wǎng)主要側(cè)重于建壩，加上葠窩地區(qū)近年來(lái)南沙和北沙地區(qū)城鎮(zhèn)化建設(shè)迅猛發(fā)展對(duì)葠窩地區(qū)環(huán)境的影響，周邊快速增長(zhǎng)的建筑群及上壩公路經(jīng)過(guò)的火車(chē)頭山常有巨大滾石等對(duì)網(wǎng)形的影響，需要對(duì)原網(wǎng)進(jìn)行改造和強(qiáng)化，構(gòu)成完整的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]。

控制網(wǎng)為永久監(jiān)測(cè)網(wǎng)，分為大壩水平變位控制網(wǎng)和垂直變位控制網(wǎng)兩部分，變形控制網(wǎng)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是補(bǔ)點(diǎn)、維護(hù)和復(fù)測(cè)[3]。在壩址下游2.7 km外的南沙土坎處的最原始、最重要的基點(diǎn)被周?chē)慕ㄖ汉蜕虡I(yè)網(wǎng)點(diǎn)包圍和遮擋，需要進(jìn)行維護(hù)，并為了觀測(cè)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行的穩(wěn)定性，需要把原來(lái)的普通點(diǎn)改為雙金屬標(biāo)點(diǎn)，并實(shí)施加固和保護(hù)，使各新老網(wǎng)點(diǎn)構(gòu)成完整的工程控制網(wǎng)。

水平位移控制網(wǎng)按現(xiàn)有網(wǎng)形和通視條件，補(bǔ)建大壩下游控制點(diǎn)，選取4個(gè)擬建在穩(wěn)定基礎(chǔ)上的永久監(jiān)測(cè)點(diǎn)，即南沙橋西點(diǎn)、南沙橋東點(diǎn)、南北沙大橋南點(diǎn)和橋北點(diǎn)，與原有各點(diǎn)組成監(jiān)測(cè)網(wǎng)。該網(wǎng)的主要作用是保證各監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)穩(wěn)定，以便對(duì)變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)處理時(shí)有充分的變形分析依據(jù)。該網(wǎng)用常規(guī)的大地測(cè)量方法來(lái)監(jiān)測(cè)，組網(wǎng)原則為各測(cè)點(diǎn)相互通視。

即根據(jù)地形、網(wǎng)形及儀器特點(diǎn)，由于控制網(wǎng)范圍較大，總監(jiān)測(cè)點(diǎn)較多，需要補(bǔ)建部分控制點(diǎn)。在壩下橋兩端各建一補(bǔ)充基點(diǎn)，其中BJD2位于左岸，建在火車(chē)頭山下至老油庫(kù)變電站之間選點(diǎn)；BJD3建在北沙機(jī)械廠(chǎng)外；BJD4建在電廠(chǎng)警衛(wèi)室外，與其它點(diǎn)配合對(duì)沖刷坑的校測(cè)控制；BJD1建在老水文站外，用于對(duì)水尺校測(cè)。同時(shí)，這些點(diǎn)的共同作用是為了有效控制葠窩大壩的網(wǎng)形。需要復(fù)測(cè)BJD1、BJD2、BJD3、BJD4與原控制點(diǎn)組成的控制網(wǎng)。由補(bǔ)建點(diǎn)形成通視條件，并為過(guò)渡點(diǎn)，起到傳遞作用，便于作廊道內(nèi)的沉陷監(jiān)測(cè)和壩下沖刷坑監(jiān)測(cè)，并能兼顧網(wǎng)形的穩(wěn)定性[4]。設(shè)計(jì)保證每一個(gè)設(shè)站點(diǎn)至少有一個(gè)定向點(diǎn)便于定向。

垂直位移控制網(wǎng)依據(jù)葠窩水庫(kù)改造后網(wǎng)的控制來(lái)完成對(duì)工程的控制，采用的儀器為數(shù)字電子水準(zhǔn)儀和全站儀。

補(bǔ)過(guò)渡點(diǎn)170個(gè)。其中：壩外140個(gè)，壩內(nèi)30個(gè)。對(duì)全部測(cè)點(diǎn)和網(wǎng)形進(jìn)行引測(cè)和校測(cè)。同時(shí)提供對(duì)壩后沖刷坑的測(cè)控基準(zhǔn)。

3壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)改造

壩頂真空激光準(zhǔn)直系統(tǒng)建于2003年，目前已運(yùn)行10 a，經(jīng)2013年1月30日遼寧省葠窩水庫(kù)大壩安全鑒定會(huì)結(jié)論，“復(fù)核壩頂設(shè)計(jì)高程105.28 m。(104.99 m)。需將現(xiàn)狀103.5 m高程激光線(xiàn)上移，系統(tǒng)重建。

設(shè)計(jì)激光軸線(xiàn)長(zhǎng)566 m，測(cè)點(diǎn)31個(gè)，兩岸洞子進(jìn)深均為17 m。

4監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造

4.1　壩基位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)改造

監(jiān)測(cè)區(qū)位于基礎(chǔ)灌漿廊道7#～22#壩段，高程54.700 m，壩段16個(gè)。拆除舊引張線(xiàn)系統(tǒng)，在原建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上改造。從真空激光準(zhǔn)直或雙向引張線(xiàn)2方案中選定其一，改造成自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

葠窩水庫(kù)灌漿廊道潮濕瀝水的環(huán)境，采用真空激光準(zhǔn)直方案，系統(tǒng)維護(hù)量小，與壩頂真空激光共同應(yīng)用，便于技術(shù)人員掌握。

建議采用真空激光準(zhǔn)直方案。

4.2　撓度監(jiān)測(cè)改造

拆除4#和22#倒垂，掃孔檢測(cè)，更新設(shè)備。7#和23#需詳細(xì)檢測(cè)以確定是否更換，因此，在可研階段，按全部更新4條倒垂考慮，包括9個(gè)測(cè)點(diǎn)。該4條倒垂所在處均有淋水，因此要做防淋設(shè)計(jì)，改造垂線(xiàn)所在的豎井，安裝防護(hù)門(mén)等。

4.3　壩基礎(chǔ)變位監(jiān)測(cè)改造

現(xiàn)狀在2條廊道布有基巖變位計(jì)，分別是5#廊道6處，23#廊道4處，共10處基巖多點(diǎn)變位計(jì)。均已報(bào)廢。

改造方案：拆除10套舊設(shè)備，選4處改造，即5#廊道2處、23#廊道2處。掃孔清理，更新多點(diǎn)基巖變位計(jì)，其余封蓋孔口保護(hù)留存。

4.4　裂縫監(jiān)測(cè)改造

拆除4#、5#、6#、17#和23#壩段報(bào)廢的25支裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)備，做裂縫評(píng)價(jià)，測(cè)區(qū)處理，安裝新設(shè)備。

選定的裂縫監(jiān)測(cè)區(qū)50處(含裂縫和接縫)。包括壩體常態(tài)表面重點(diǎn)裂縫，水平貫穿縫(18#～22#壩段)其上、下游對(duì)等監(jiān)測(cè)位，接縫監(jiān)測(cè)。對(duì)裂縫重新核定后納入監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)。對(duì)于水平貫穿裂縫因其上游常年位于水下，布設(shè)測(cè)縫儀器時(shí)需要做特殊處理[5]。

4.5　傾斜監(jiān)測(cè)改造

新建傾斜監(jiān)測(cè)3處，選定在5#、11#和17#壩段105.28高程，安放弦式遙測(cè)傾斜儀，實(shí)施網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)。壩頂沉陷測(cè)點(diǎn)保留，由數(shù)字電子水準(zhǔn)儀輔助校測(cè)。

4.6　位移沉陷校測(cè)改造

壩面抬高后，新建人工校測(cè)系統(tǒng)。壩頂建設(shè)沉陷點(diǎn)62處(31×2)，兼做傾斜。水平點(diǎn)31個(gè)，由電子水準(zhǔn)和全站儀施測(cè)。

4.7　壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)

共有39個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，基中有壓34個(gè)，無(wú)壓5個(gè)?，F(xiàn)狀測(cè)壓孔經(jīng)過(guò)近40年運(yùn)行，有必要清孔。工程內(nèi)容包括掃孔、拆除舊設(shè)備、孔口改造、安裝新設(shè)備。

4.8　壩基壩體滲流監(jiān)測(cè)改造

主要工程量有掃孔，孔口改造，排水溝清理及維護(hù)，堰區(qū)改造，設(shè)備安裝。總數(shù)量為泄流孔306個(gè)，堰區(qū)4個(gè)，排水溝清理及維護(hù)1 000 m。包括壩基泄壓孔240個(gè)。壩體泄壓孔50個(gè)。局部泄壓孔16個(gè)。堰區(qū)4個(gè)。

4.9　集水井監(jiān)測(cè)改造

集水井4個(gè)，進(jìn)行井池清理，安裝自控設(shè)備4套，引水箱4個(gè)。

4.10　繞壩滲流監(jiān)測(cè)改建

共20個(gè)孔，其中左岸10個(gè)，右岸10個(gè)。主要工程為掃孔，孔口改造，安裝設(shè)備，有線(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

4.11　內(nèi)觀系統(tǒng)改造

共有205個(gè)測(cè)點(diǎn)，差阻式儀器，包括應(yīng)力、應(yīng)變及溫度測(cè)點(diǎn)。經(jīng)過(guò)40年的運(yùn)行，內(nèi)部溫度場(chǎng)已經(jīng)穩(wěn)定，其他場(chǎng)也基本穩(wěn)定，設(shè)備也基本失效。改造過(guò)程將全部設(shè)備檢測(cè)分類(lèi)后接入集線(xiàn)箱備查備用。

這些儀器主要分布在15#和23#壩段中面，包括溫度計(jì)、應(yīng)變計(jì)、鋼筋計(jì)、滲壓計(jì)、測(cè)縫計(jì)。原21支差阻式水溫計(jì)，分布在15#壩段7支、23#壩段14支。原7支鋼筋計(jì)，分布于16#壩段，監(jiān)測(cè)底孔的頂拱和底板鋼筋應(yīng)力狀態(tài)。原3套1組2支鋼筋計(jì)，分布在15#、16#、18#閘墩餃座受力筋上，監(jiān)測(cè)鉸座應(yīng)力狀態(tài)。原測(cè)點(diǎn)42個(gè)(5#、15#、23#壩段)，報(bào)廢19個(gè)封存，余23個(gè)。

4.12　應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)

配合壩體整體結(jié)構(gòu)的改造，新建應(yīng)力、應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)施應(yīng)力、應(yīng)變及溫度監(jiān)測(cè)。布置4個(gè)橫向監(jiān)測(cè)剖面，滾水壩2個(gè)，左側(cè)擋水壩2個(gè)(其中1個(gè)位于電廠(chǎng)后)。沿壩高間隔5 m布置1個(gè)水平監(jiān)測(cè)截面。

其中：

1)擋水壩段：下游壩坡貼混凝土后，需要做新老混凝土之間的變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力觀測(cè)。布置2個(gè)監(jiān)測(cè)斷面，其中1個(gè)位于電廠(chǎng)后，每個(gè)斷面豎向布置10個(gè)水平監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)截面布置測(cè)縫計(jì)1個(gè)、壩基壓應(yīng)力計(jì)1個(gè)，5向應(yīng)變計(jì)組3個(gè)，無(wú)應(yīng)力計(jì)3個(gè)，2向應(yīng)變計(jì)7組。

2)溢流壩段：堰面加高2 m，新老壩體之間變形監(jiān)測(cè)、應(yīng)力監(jiān)測(cè)。布置2個(gè)橫向監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面豎向布置4個(gè)水平監(jiān)測(cè)截面，每個(gè)截面布置測(cè)縫計(jì)1個(gè)、沿溢流面每個(gè)監(jiān)測(cè)斷面布置3個(gè)壓應(yīng)力計(jì)，5向應(yīng)變計(jì)組1個(gè)，無(wú)應(yīng)力計(jì)1個(gè)，2向應(yīng)變計(jì)3組。

閘門(mén)開(kāi)啟時(shí)，在牛腿受力范圍內(nèi)，新老混凝土結(jié)合部位(閘墩處)應(yīng)力觀測(cè)。布置2孔閘門(mén)，即4個(gè)受力區(qū)。每區(qū)布置1個(gè)7向應(yīng)變計(jì)組，3個(gè)鋼筋計(jì)。

3)上游壩面貼瀝青混凝土，此處的溫度應(yīng)力，變形等監(jiān)測(cè)。沿前述4條監(jiān)測(cè)斷面布置面板溫度計(jì)，設(shè)置10個(gè)水平監(jiān)測(cè)截面，間隔5 m，共40點(diǎn)。每點(diǎn)布置1組兩向應(yīng)變計(jì)和測(cè)縫計(jì)。

5結(jié)論

葠窩水庫(kù)信息化系統(tǒng)改造工程是經(jīng)多方面對(duì)原監(jiān)測(cè)手段和廢遺系統(tǒng)的全面論證，應(yīng)用現(xiàn)代技術(shù)與工程手段，側(cè)重建設(shè)以大壩擋水建筑物、岸坡、滾水壩段、重要斷層區(qū)域安全監(jiān)測(cè)為主體，不忽視相關(guān)水工要素；以外部監(jiān)測(cè)為主，內(nèi)部監(jiān)測(cè)為輔；以自動(dòng)化監(jiān)測(cè)為主，輔以人工巡視和巡查檢驗(yàn)；在集中巡測(cè)過(guò)程中，重視單項(xiàng)校驗(yàn)分析；基于數(shù)據(jù)庫(kù)的軟件體系，多任務(wù)操作系統(tǒng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)采集存儲(chǔ)、傳輸入庫(kù)、離線(xiàn)分析的大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

最終實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、性能穩(wěn)定、維護(hù)方便、功能實(shí)用的目標(biāo)，達(dá)到國(guó)內(nèi)同類(lèi)大壩安全監(jiān)測(cè)同期建設(shè)的先進(jìn)水平。

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[作者簡(jiǎn)介]孫延芬(1968-)，女，遼寧遼陽(yáng)人，工程師，從事水利工程管理研究。

[收稿日期]2015-06-28

中圖分類(lèi)號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1007-7596(2015)08-0108-03