土石壩自動化監(jiān)測常用技術(shù)初探

徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒841000）

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土石壩自動化監(jiān)測常用技術(shù)初探

徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒841000）

摘要：針對目前水庫大壩安全監(jiān)測存在問題，對水庫大壩滲流監(jiān)測、變形監(jiān)測與視頻監(jiān)控中采用的重要監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了闡述，希望能對水庫大壩安全運行管理工作起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：土石壩；安全監(jiān)測；技術(shù)應(yīng)用；運行管理

我國是一個水災(zāi)害頻繁的國家，建國后曾一度興建了眾多水庫，但水庫安全度汛一直是我國防汛抗洪的難點和重點，大部分中小型水庫缺少必要的水雨情測報及大壩安全監(jiān)測等設(shè)施，檢查手段落后，隱患很大，水庫自動監(jiān)測的問題亟待解決［1，2］。

近年來，國家高度重視水庫安全度汛工作，大力推動水庫安全自動化監(jiān)測體系的建設(shè)。隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對水文汛情、水庫大壩監(jiān)測手段和方法的實時性、準(zhǔn)確性提出了越來越高的要求。

1　大壩安全監(jiān)測存在問題

目前，國內(nèi)水庫以常見的土石壩為主（超過90%），主要有均質(zhì)壩、心墻壩、斜心墻壩、斜墻壩以及一些改良壩及混合壩等。這些壩體有以下幾個共同特點［3］。

（1）壩基壩身具一定的透水性，對防滲要求較高。

（2）因壩體材料受溫度變化可能會產(chǎn)生物理性狀改變，如土體脹縮產(chǎn)生孔穴和裂縫等，對壩體的質(zhì)量有一定影響。

（3）壩頂受材料因素限制無法溢洪，必須另外開設(shè)溢洪通道。

（4）筑壩的填筑量較大，施工受到季節(jié)和天氣的影響。

（5）壩體具一定塑性，不易出現(xiàn)整體性滑坡，抗震性能較好。

據(jù)國外歷史上土石壩發(fā)生潰壩事故的統(tǒng)計分析，約有40%的事故是由于漫壩引發(fā)的，其余因為質(zhì)量和運營管理原因而導(dǎo)致。而因質(zhì)量問題造成的潰壩事故中，又有超過64%因為滲透破壞所造成。

據(jù)國內(nèi)近年來的統(tǒng)計資料顯示，約有50%的潰壩事故是由于漫壩引發(fā)的，其余因為質(zhì)量和運營管理原因而導(dǎo)致。其中，由質(zhì)量問題導(dǎo)致的潰壩事故中，滲流問題約占50%，溢洪瀉洪涵洞等問題占比超過25%，滑坡塌陷約占10%。

2　大壩安全監(jiān)測技術(shù)研究

由于滲流滲漏問題是導(dǎo)致潰壩的主要質(zhì)量原因，其余的工程質(zhì)量問題以及管理問題也應(yīng)引起足夠重視。那么，針對所出現(xiàn)的這些事故原因，從監(jiān)測角度來講，我們還可以采用哪些手段來預(yù)防、減少甚至避免這些事故呢？

眾所周知，大壩監(jiān)測的常用手段有：變形監(jiān)測（內(nèi)部位移監(jiān)測、表面位移監(jiān)測）、滲流滲漏監(jiān)測、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測、氣象水文監(jiān)測、視頻監(jiān)控等。

對于眾多現(xiàn)有中小水庫的運行管理而言，理想情況下，當(dāng)然是應(yīng)該建設(shè)一個全面的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，能夠覆蓋到大壩安全運行的方方面面是最理想的。

據(jù)資料統(tǒng)計，我國目前已有大中小型水庫超過9.8萬座（第一次水利普查數(shù)據(jù)），其中病險水庫數(shù)量超過40%。如果只給每座病險水庫設(shè)立全面的自動化監(jiān)測系統(tǒng)，所需的費用也是相當(dāng)驚人的，更不要說所有的水庫［4，5］。

結(jié)合水庫管理及大壩安全運行的實際需要，以及土石壩常見潰壩原因，我們可以根據(jù)水庫實際情況，選擇一些現(xiàn)場認(rèn)為關(guān)鍵的監(jiān)測項目進(jìn)行監(jiān)測；而對于目前對水庫運行影響不太大的監(jiān)測項目，可暫緩實施，待資金允許時再進(jìn)行。

就水庫管理而言，水文監(jiān)測（水位、雨量）是最基本的；就壩體質(zhì)量來講，滲流監(jiān)測和變形監(jiān)測尤為關(guān)鍵；針對無人管理或人為破壞等現(xiàn)象，在關(guān)鍵設(shè)施或區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)控則能發(fā)揮重要作用。

針對上述提出的問題，根據(jù)多年工作經(jīng)驗，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采用以下幾種重要的監(jiān)測手段。

2.1滲流監(jiān)測

滲流監(jiān)測是我國土石壩監(jiān)測中對壩體壩基監(jiān)測最關(guān)鍵的一環(huán)，且統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，我國壩體壩基滲流異常引起的潰壩約占總潰壩事故數(shù)的20%。所以，在水庫監(jiān)測的過程中滲流監(jiān)測是不可或缺的，應(yīng)根據(jù)實際情況確定傳感器的布控位置。一般部署原則如下。

（1）橫斷面監(jiān)測，可選擇最大壩高處或壩中心、合龍段、地形地質(zhì)條件復(fù)雜地段部署，一般不少于3個測點。

（2）對于橫斷面上測點的布置，可根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)、斷面大小和滲流場特征，設(shè)置3～4條觀測垂線，在壩肩、坡腳（一般也是滲流出口附近）處一般應(yīng)設(shè)有觀測垂線。滲壓計高程布設(shè)在預(yù)計最低浸潤線之下，針對滲流相異性明顯的位置，可在一條垂線不同高程上布設(shè)多個測點。對于已建成的大壩，迎水面滲流入口可不設(shè)監(jiān)測垂線。

（3）大壩兩端的繞壩滲流可沿流線方向或滲流集中的透水帶布設(shè)2～3個測點來觀測橫斷面，每個斷面上設(shè)3～4條觀測垂線（含滲流進(jìn)出口地段）。

（4）已安裝監(jiān)測系統(tǒng)的水庫中，對于水壓偏高或明顯偏低的斷面，可加大傳感器的部署密度；對于壩體變形較大的橫斷面，也可以加大儀器部署密度，同時提高監(jiān)測的頻率。

（5）根據(jù)水頭和土層滲透系數(shù)決定是否埋設(shè)測壓管。

（6）應(yīng)盡量分別監(jiān)測兩岸繞壩滲流量、壩體滲流量和壩基滲流量，一般情況下，推薦采用量水堰計進(jìn)行監(jiān)測。

（7）對于滲流水質(zhì)，可部署含沙測量儀器或人工觀測的方式，若水質(zhì)混濁應(yīng)警惕管涌。

2.2變形監(jiān)測

變形監(jiān)測是大壩監(jiān)測最重要的手段之一，大多數(shù)潰壩事故發(fā)生前都能從變形監(jiān)測上找到征兆。

變形監(jiān)測主要分為表面變形監(jiān)測和內(nèi)部變形監(jiān)測，壩體監(jiān)測項目中表面位移監(jiān)測主要有近壩岸坡位移、水平位移和豎向位移監(jiān)測。內(nèi)部位移監(jiān)測主要由水平位移監(jiān)測和豎向位移監(jiān)測等對于土石壩壩體變形監(jiān)測組成，內(nèi)部變形一般要先于表面變形表現(xiàn)出來，所以會比表面變形更能提前發(fā)出警示。

管涌、裂縫往往有可能伴隨內(nèi)部變形而發(fā)生，由此可見，內(nèi)部變形對壩體監(jiān)測具有非常重要意義。

表面變形監(jiān)測可通過儀器手段如經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進(jìn)行，亦可在裂縫、結(jié)合部等易產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵部位安裝表面位移傳感器。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步，GNSS表面變形監(jiān)測手段也越來越成熟，精度比以前有所提高，完全滿足壩體監(jiān)測精度要求。相比人工采用儀器觀測，GNSS可以實現(xiàn)全自動的絕對位移觀測，避免人為觀測誤差。同時，相比自動全站儀具有全天候、無需通視的優(yōu)勢。表面位移觀測點一般部署原則有以下幾點。

（1）橫斷面監(jiān)測，可分別布置在大壩最高處或壩中心、河床處、施工合龍段、地形或地質(zhì)條件復(fù)雜的部位以及其他被認(rèn)定為關(guān)鍵的部位。

（2）縱斷面監(jiān)測，一般不少于3～4個測點，可分別布置在壩頂上下游、壩坡腳以及在半坡適當(dāng)增設(shè)，對于軟基壩體，可在坡腳外增設(shè)1～2個測點。

（3）在橫斷面和縱斷面交匯處設(shè)置觀測點。

（4）在岸坡上或上、下游穩(wěn)定基巖上設(shè)立觀測基準(zhǔn)參考點，如果采用GNSS監(jiān)測手段，參考站和觀測站無需通視，只需要在同一星空下即可，且一般只要設(shè)1～3個參考站；而對于采用光學(xué)儀器作為觀測手段時，壩外基準(zhǔn)點作為工作基準(zhǔn)，與相應(yīng)的觀測點應(yīng)通視，如果條件允許，盡量每個縱斷面兩岸都設(shè)有工作基準(zhǔn)點。

內(nèi)部變形監(jiān)測主要通過沉降儀和測斜儀來進(jìn)行，其部署原則與表面位移觀測點基本相一致，對于不同結(jié)構(gòu)的土石壩，可以根據(jù)其自身設(shè)計特點針對性的增設(shè)觀測點。

由于壩體整體主要受到水庫蓄水的側(cè)向壓力，對于土石壩應(yīng)重視坡腳的內(nèi)部水平位移監(jiān)測。如果大壩施工時坡腳處理得不好的應(yīng)在除險加固時特別注意加固，確保坡腳深入到基巖中。

2.3 視頻監(jiān)控

大部分易導(dǎo)致潰壩的壩體質(zhì)量問題都可以通過變形監(jiān)測和滲流監(jiān)測提前發(fā)現(xiàn)征兆，但對于溢洪道、涵洞的質(zhì)量問題以及人為破壞等容易引起突發(fā)事件的因素，即使在潰壩前能通過壩體監(jiān)測提前發(fā)現(xiàn)，留給決策者做出反應(yīng)的時間往往不足。

視頻監(jiān)控雖然難以獲取壩體質(zhì)量的詳細(xì)數(shù)據(jù)，但是對于一些非量化監(jiān)測，如人為破壞、管理不當(dāng)、溢洪道被占用等問題，可以很直觀的通過錄像或圖片抓拍記錄下來，從而起到重要作用。通常情況下，視頻監(jiān)控點的布設(shè)主要需考慮以下幾個方面。

（1）庫區(qū)全貌，特別是壩區(qū)全景，可及時發(fā)現(xiàn)壩區(qū)的人為破壞行為。

（2）重要建筑結(jié)構(gòu)體，如影響溢洪泄洪的地段。

（3）歷史上變形比較明顯需加強(qiáng)觀察的地方。

（4）設(shè)備房，重要設(shè)備或儀器安置地。

（5）水庫水位監(jiān)控，如水尺旁，通過視頻可直觀反映水庫蓄水情況。

3　結(jié)語

綜上所述，每個水庫有其自身的實際情況，除了最基本的雨量、水位監(jiān)測外，即使在資金不充足的情況下，應(yīng)結(jié)合水庫（特別是已投入運行多年的水庫）自身特點合理布置滲流監(jiān)測特別是浸潤線監(jiān)測項目，合理部署以表面變形監(jiān)測與內(nèi)部變形監(jiān)測相結(jié)合的變形監(jiān)測項目，關(guān)鍵場所布設(shè)視頻監(jiān)控等措施，對于提高水庫管理水平、保障水庫安全平穩(wěn)運行具有非常重要的意義。

在監(jiān)測到一些對水庫安全不利的因素發(fā)生時，應(yīng)當(dāng)視具體情況進(jìn)一步針對性地部署監(jiān)測項目或直接進(jìn)行險情排查，從而確保水庫安全運行。

參考文獻(xiàn)

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中圖分類號：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1008-1305（2016）01-0015-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.005

收稿日期：2014-09-02

作者簡介：徐繼紅（1970年—），女，技術(shù)員。