中國面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進展

吳毅瑾，鄒青，譚志偉，楊澤艷，孫永娟

（1.中國水利水電建設(shè)工程咨詢有限公司，北京市西城區(qū) 100120；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

中國面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進展

吳毅瑾1，鄒青2，譚志偉2，楊澤艷1，孫永娟1

（1.中國水利水電建設(shè)工程咨詢有限公司，北京市西城區(qū) 100120；2.中國電建集團昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

本文通過收集整理國內(nèi)具有代表性高面板堆石壩關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用情況，對國內(nèi)200m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進行深入調(diào)查，總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)特點、難點，對主要監(jiān)測措施的有效性和存在的問題進行分析，總結(jié)相關(guān)經(jīng)驗，為將來擬建的300m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)提升和改進提供解決思路和方向。

高面板堆石壩；安全監(jiān)測；關(guān)鍵技術(shù)；進展與展望

0 引言

以天生橋一級（壩高178m）、洪家渡（壩高179.5m）、三板溪（壩高185.5m）和水布埡（壩高233m）水電站等為代表的一批典型面板壩工程的相繼建成，將面板堆石壩建設(shè)高度逐步由100m級提升至200m級，使我國面板壩設(shè)計理論及施工技術(shù)達到國際先進水平。但是，隨著我國面板壩筑壩技術(shù)由200m級向300m級邁進，面板堆石壩監(jiān)測技術(shù)發(fā)展明顯滯后于筑壩技術(shù)的發(fā)展，不少監(jiān)測儀器適應(yīng)性、耐久性、抗沖擊等性能仍停留在100～200m級壩高的水平。

目前我國已建成和在建的壩高超過100m的混凝土面板堆石壩有近40座，其中已建成的天生橋一級、洪家渡、三板溪和水布埡壩，均為世界高面板堆石壩，尤其是水布埡和洪家渡面板壩被國際大壩委員會評為里程碑工程。這些高面板堆石壩的安全監(jiān)測設(shè)計、施工及運行既有共性，也有各自的特點。通過對國內(nèi)200m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)進行深入調(diào)查，亟待總結(jié)高堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)特點、難點，對主要監(jiān)測措施的有效性和存在的問題進行分析，為300m級高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)研究提供技術(shù)支撐。

1 高面板堆石壩安全監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀

面板壩的監(jiān)測項目一般有壩內(nèi)和壩外變形及面板撓度和脫空，壩身、壩基及繞壩滲流，堆石體應(yīng)力及面板應(yīng)力應(yīng)變和溫度，環(huán)境量和強震等監(jiān)測項目。其中表面變形監(jiān)測主要采用位移標(biāo)點進行，內(nèi)部主要采用垂直水平位移計和電磁式沉降儀等，部分進行了縱向變形監(jiān)測。滲流監(jiān)測主要采用滲壓計、水位監(jiān)測孔和量水堰等，有的工程采取滲漏量分區(qū)監(jiān)測，還采用光纖傳感器監(jiān)測滲漏。環(huán)境量和強震監(jiān)測項目與其他工程相差不大。

自20世紀80年代引進面板堆石壩技術(shù)以來，我國十分重視面板堆石壩安全監(jiān)測工作，在“六五”、“七五”、“八五”和“九五”科技攻關(guān)期間都將高面板堆石壩安全監(jiān)測列為國家科技攻關(guān)項目。有關(guān)科研單位先開發(fā)了滿足100m級高面板堆石壩原型觀測所需的儀器設(shè)備，又開發(fā)了200m級高面板堆石壩安全監(jiān)測所需的大量程、高精度監(jiān)測儀器，代表性的主要有：由水管式沉降儀和引張線式水平位移計組成的水平垂直位移計，滿足了天生橋一級面板堆石壩觀測碾壓堆石體內(nèi)部變形的需要；伺服加速度活動式測斜儀和斜面測斜儀，分別滿足了高面板堆石壩壩體內(nèi)部水平位移觀測和高面板堆石壩面板撓度觀測的需要；高精度、小直徑壓阻式和鋼弦式孔隙水壓力計，可以直接放置在測壓管中，滿足了已建面板堆石壩原型觀測設(shè)備更新改造的需要。特別是在“九五”國家科技攻關(guān)項目研究中，研制出遙控遙測水平垂直位移計和高精度雙向固定測斜儀，滿足了壩高233m的水布埡面板堆石壩及洪家渡、吉林臺、公伯峽、紫坪鋪等200m級面板堆石壩工程壩體內(nèi)部變形和面板撓度觀測的需要，這兩項儀器設(shè)備技術(shù)性能達到了國際領(lǐng)先水平。經(jīng)過30多年的國家科技攻關(guān)，我國面板堆石壩安全監(jiān)測已經(jīng)形成了可以觀測200m級高面板堆石壩的壩體和壩基變形、應(yīng)力和滲流；面板應(yīng)力、應(yīng)變和撓度；周邊縫與垂直縫變形等項目的一整套安全監(jiān)測技術(shù)。

20世紀90年代以后，我國開始重視面板堆石壩安全監(jiān)測自動化，國內(nèi)科研單位開發(fā)了分布式面板堆石壩安全監(jiān)測數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，在采用計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動采集、數(shù)字量傳輸和資料整理的自動化。目前，國內(nèi)很多水電工程都實現(xiàn)了監(jiān)測自動化。

隨著筑壩高度的不斷增加，目前多座200m級高面板堆石壩的水平垂直位移計長度超過400m后，位移計出現(xiàn)失效問題，儀器設(shè)計不能滿足監(jiān)測要求。蓄水后，存在上游水下面板表面位移點不能監(jiān)測等問題。針對超高混凝土面板堆石壩，需從傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的適用性、監(jiān)測新技術(shù)的研制和開發(fā)等方面進行系統(tǒng)的研究。因此需要盡快研發(fā)大尺度水平垂直位移監(jiān)測設(shè)施，其適應(yīng)變形的能力和技術(shù)可靠性需進一步評估并找出解決方案。深厚覆蓋層上面板堆石壩滲漏量的監(jiān)測方法和設(shè)施需進一步摸索和發(fā)展。監(jiān)測自動化也需要適應(yīng)高面板堆石壩的建設(shè)而有快速的發(fā)展。

2 面板堆石壩主要監(jiān)測項目及手段

根據(jù)《土石壩安全監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（DL/T 5259—2010）規(guī)定，面板堆石壩主要監(jiān)測項目包括：變形、滲流、應(yīng)力等。合適的典型監(jiān)測斷面上變形、滲流、壓力（應(yīng)力）等監(jiān)測項目和測點宜能結(jié)合布置，互相校驗。典型橫向監(jiān)測斷面宜選在最大壩高、地下突變、地質(zhì)條件復(fù)雜等部位，一般不宜少于3個?？v斷面一般不少于4個，通常在壩頂?shù)纳舷掠蝹?cè)布設(shè)1～2個斷面，下游壩坡半壩高以上布設(shè)1～3個斷面，半壩高以下布設(shè)1～2個斷面。在每個觀測橫斷面和縱斷面交點處布設(shè)表面變形觀測點。典型縱向監(jiān)測斷面可由橫向監(jiān)測斷面上的測點構(gòu)成，必要時可根據(jù)壩體結(jié)構(gòu)、地形地質(zhì)情況增設(shè)縱向監(jiān)測斷面。

面板堆石壩由面板—趾板—接縫止水組成的防滲體系和堆石（或砂礫石）壩體兩部分構(gòu)成，面板與堆石壩體又是兩個材料不同、剛度與質(zhì)量相差懸殊的結(jié)構(gòu)物，因此面板與堆石壩體的變形協(xié)調(diào)及其相互作用是影響面板工作性狀的關(guān)鍵。此外，對面板堆石壩滲流控制極為重要，需要重點監(jiān)測有無發(fā)生通過面板裂縫或因面板破碎、接縫張開或損壞造成的嚴重滲漏，以及滲流對壩體材料的沖蝕。所以混凝土面板堆石壩安全監(jiān)測的重點是壩體變形，接縫位移，面板變形和應(yīng)力以及滲透壓力和滲流量。

變形與滲流監(jiān)測是面板堆石壩最主要的監(jiān)測項目，其中內(nèi)部變形監(jiān)測是面板堆石壩安全監(jiān)測的關(guān)鍵項目之一，大壩施工期能采集到有效沉降數(shù)據(jù)，對控制筑壩速度、保證施工質(zhì)量、合理調(diào)配施工機械等具有指導(dǎo)性的作用；運行期如果大壩沉降過大，就有可能發(fā)生裂縫和滑坡破壞。沉降變形是反應(yīng)堆石壩工作性態(tài)是否正常的最主要方面之一。以往工程實踐及研究表明在高水頭作用下，面板周邊縫將產(chǎn)生復(fù)雜的三向位移，使周邊縫成為漏水通道。一旦止水結(jié)構(gòu)被破壞，面板堆石壩將會在高水頭作用下沿周邊縫漏水，造成嚴重的滲漏問題，繼而引發(fā)堆石體不均勻沉降、壩體局部或大面積失穩(wěn)，甚至引起滲透破壞。因此，為了保證大壩的安全運行，需要對面板堆石壩內(nèi)部變形及滲流進行全面的監(jiān)測，掌握壩體、周邊縫等在施工期、蓄水期和運行期的工作狀態(tài)，為大壩安全評估及預(yù)報提供可靠的監(jiān)測資料。面板堆石壩主要監(jiān)測項目及手段見表1。

表1 面板堆石壩主要監(jiān)測項目及手段Tab.1 The main monitoring items and methods of concrete faced rock-fill dam

目前的監(jiān)測手段基本能滿足200m級面板堆石壩的監(jiān)測要求，指導(dǎo)筑壩施工和設(shè)計反饋。我國典型面板堆石壩近期監(jiān)測成果：

天生橋一級面板堆石壩截至2014年7月11日，量水堰滲流量為84.52L/s，2014年5月1日C3-V2沉降量358.77mm。在國內(nèi)屬首次采用面板電平器監(jiān)測面板撓度，蓄水期面板最大撓曲為19.79cm，后期儀器損壞。

洪家渡面板堆石壩截至2014年1月，最大沉降1471mm，最大水平位移299.2mm，滲流量為25L/s，面板電平器損壞，無數(shù)據(jù)。

三板溪面板堆石壩截至2008年9月壩體最大沉降1754mm，儀器壞后根據(jù)壩頂沉降速率和高程404馬道沉降速率推算出截至2012年2月壩體最大沉降約1820mm，壩后實測滲流量為140L/s。

水布埡面板堆石壩截至2010年4月，最大沉降2502mm，最大撓度57.3cm，壩體變形趨于收斂，最大滲漏量為46.3L/s。

3 國內(nèi)已建典型面板堆石壩的傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用

3.1 變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

3.1.1 外部變形監(jiān)測技術(shù)

面板堆石壩變形監(jiān)測主要包括外部變形、內(nèi)部變形和接縫變形等。外部變形監(jiān)測手段較為成熟，一般采用在大壩表面布置表面變形監(jiān)測點，采用視準線法、邊角網(wǎng)法，通過全站儀等手段進行監(jiān)測。

我國面板堆石壩外部變形觀測的測量儀器主要采用光學(xué)水準儀和經(jīng)緯儀，隨著科學(xué)技術(shù)的進步，在外部變形監(jiān)測儀器在測量精度、方便適用、自動化等方面都有持續(xù)的改進，如高精度的水準儀和全站儀，更有“測量機器人”之稱的全自動全站儀；GNSS系統(tǒng)雖測量精度相對較低，但對測點與基點間無通視要求；光纖陀螺儀等適合全天候自動觀測的新型儀器設(shè)備都在研究和應(yīng)用之中。

GNSS觀測具有精度高、速度快、自動化、全天候以及測點之間無需通視等優(yōu)點。隨著接收機硬件性能和軟件處理技術(shù)的提高，近年來GNSS定位技術(shù)已在大壩測量、地殼變形監(jiān)測、精密工程測量等諸多領(lǐng)域得到了普及，但GNSS安全監(jiān)測在國際上尚屬于前沿課題，我國在這方面已做過一些探索性的研究工作。目前，對于GNSS精密測量，采用性能優(yōu)良的接收機和較好的數(shù)據(jù)處理軟件，平差后點位的平面位置精度為1m～2mm，高程精度為2～3mm。當(dāng)然影響GPS定位精度的因素有很多，還應(yīng)針對具體內(nèi)容采取相應(yīng)的措施，減小誤差，提高精度。目前能大大降低成本的GPS一機多線技術(shù)也得到迅速發(fā)展。

光纖陀螺儀監(jiān)測高壩面板撓度，解決了測斜孔監(jiān)測高壩面板撓度變形精度差的問題。自從1976年美國猶他大學(xué)的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1個光纖陀螺（fiber-optic gyroscope， FOG）以來，光纖陀螺已經(jīng)發(fā)展了30多年。光纖陀螺儀是當(dāng)光學(xué)環(huán)路轉(zhuǎn)動時，在不同的前進方向上，光學(xué)環(huán)路的光程相對于環(huán)路在靜止時的光程都會產(chǎn)生變化，利用光程的變化，檢測出兩條光路的相位差或干涉條紋的變化，就可以測出光路旋轉(zhuǎn)角速度，能夠精確地確定運動物體的方位。光纖陀螺儀為全固態(tài)，沒有旋轉(zhuǎn)部件和摩擦部件，壽命長，動態(tài)范圍大，瞬時啟動，結(jié)構(gòu)簡單，尺寸小，重量輕，成本低。

3.1.2 傳統(tǒng)內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)

內(nèi)部變形監(jiān)測包括分層豎向位移、分層水平位移監(jiān)測等，主要采用水管式沉降儀和引張線水平位移計觀測。

引張線水平位移計適用于長期觀測面板堆石壩堆石體內(nèi)部的位移。引張線水平位移計可單獨安裝，亦可與水管式沉降儀聯(lián)合安裝進行觀測。引張線水平位移計優(yōu)點：監(jiān)測原理簡單，測值可靠。鋼絲水平位移計由錨固板，銦合金鋼絲、保護鋼管、伸縮接頭、測量架、配重機構(gòu)、讀數(shù)游標(biāo)卡尺等組成，見圖1。

圖1 引張線水平位移計示意圖Fig.1 Lead wire Horizontal displacement gauge diagram

水管式沉降儀適用于長期觀測面板堆石壩、土堤、邊坡等土體內(nèi)部的沉降，是了解被測物體穩(wěn)定性的有效監(jiān)測設(shè)備。水管式沉降儀優(yōu)點：測量原理簡單，測量結(jié)果直觀。水管式沉降儀由沉降測頭、管路、測量柜等組成，見圖2。

圖2 水管式沉降儀示意圖Fig.2 Water tube type settlement gauge diagram

觀測房內(nèi)固定標(biāo)點的沉降量由視準線測出。

3.1.3 國內(nèi)已建典型高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用情況

目前我國200m級面板堆石壩壩體內(nèi)部監(jiān)測儀布置大多采用三個監(jiān)測斷面，監(jiān)測高程設(shè)置間距在40m左右一層，各層測點間距大部分在40～50m之間。各工程面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測系統(tǒng)布置對比表見表2。

（1）天生橋一級面板壩。

共埋設(shè)垂直沉降位移計50支，有35支能正常觀測，其余已失效。水平位移計2007年報廢1支，有30支能正常觀測。由于壩體分期填筑，先填上游側(cè)的度汛斷面，后填下游側(cè)的經(jīng)濟壩體，所以壩體上下游側(cè)沉降時間不一致，壩軸線上游側(cè)沉降主要發(fā)生在前期，后期變化較??；而壩軸線下游側(cè)變化相反，因此造成部分儀器損壞。

（2）洪家渡面板壩。

引張線式水平位移計、水管式沉降儀采用南京水利科學(xué)研究院研制的水平/垂直位移計，該儀器為在天生橋一級面板壩成功應(yīng)用的改進型儀器，儀器安裝埋設(shè)也借鑒了天生橋一級的經(jīng)驗，由于壩體分區(qū)填筑，采取分段埋設(shè)，設(shè)兩個臨時觀測房。監(jiān)測系統(tǒng)已投入運行7年多，目前運行狀況基本正常。

（3）三板溪面板壩。

壩體內(nèi)部水平位移全部朝向上游，與一般規(guī)律不符。相關(guān)單位分析原因后認，觀測方法本身固有缺陷所致，用引張線式水平位移計根本不能準確測出壩體的順河向水平位移。根據(jù)堆石壩體普遍位移規(guī)律，雖然最初安裝時能夠保證各測點在同一高程上，但由于壩體沉降的不均勻性，隨著壩體填筑過程的進行，各測點已經(jīng)不再保持在同一高程上，這種不均勻沉降的影響將反映到引張線水平位移觀測值中，導(dǎo)致難以準確測出壩體實際水平位移。引張線越長，堆石壩體不均勻沉降對水平位移測值的影響就越大。為此，建議改為其他較為合理的水平位移測試方法。

（4）水布埡面板壩。

施工期水平位移監(jiān)測成果有悖一般規(guī)律，相關(guān)單位分析認為可能是由于引張線撓曲引起測量誤差所致。監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)自動化遙測后，水平位移與垂直位移測量分辨率分別達到0.1mm與0.04mm，準確度分別達到10mm與0.5mm。在相關(guān)單位維保過程中，2010年10月25日下午3點水布埡壩體3號觀測房SE01-2-4測點在測量過程中出現(xiàn)壩內(nèi)引出銦鋼絲斷裂情況，維修單位進行了修補、連接處理。

3.2 滲流監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用

大壩滲漏的來源比較復(fù)雜，一般分為壩體及壩基，壩體滲漏包括周邊縫、垂直縫、面板混凝土滲漏及裂縫滲漏，壩基滲漏包括帷幕繞滲由大壩岸坡滲出、壩基帷幕或防滲墻的基礎(chǔ)滲漏。在面板堆石壩工程中，能掌握滲漏量的來源，對評價大壩的安全具有特別重要的意義。滲流監(jiān)測主要包括壩體壩基滲流、繞壩滲流和滲流量等內(nèi)容。

傳統(tǒng)滲流監(jiān)測技術(shù)比較成熟，壩體壩基滲流主要采用滲壓計進行觀測，繞壩滲流主要采用水位孔，滲流量監(jiān)測主要采用量水堰。在已建的高面板壩多為監(jiān)測壩后滲流總量，在大壩下游坡腳設(shè)置截水墻或防滲墻，在截水墻或防滲墻水流出口布置梯形量水堰。對設(shè)置總量水堰有困難，或深覆蓋層地基的面板壩工程，通過在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，獲得不同高程分區(qū)的趾板滲透和岸坡繞滲的滲漏量，將兩岸的滲漏量較為準確的觀測，并且截水溝尺寸變小，可降低施工難度。

3.2.1 水布埡面板壩周邊縫滲流監(jiān)測系統(tǒng)布置及實施情況

水布埡面板堆石壩為了準確監(jiān)測到較小流量的滲漏，采用了準分布式光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)對周邊縫滲流進行連續(xù)監(jiān)測，以求快速準確地探明滲漏所在位置，及時處理安全隱患。水布埡大壩應(yīng)用光纖光柵監(jiān)測技術(shù)監(jiān)測大壩滲流取得了良好的效果。光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置原理示意圖見圖3。

表2 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測系統(tǒng)布置對比表Tab.2 Dam internal deformation monitoring system arrangement contrast table

圖3 光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)布置原理示意圖Fig.3 Fiber Bragg grating monitoring system arrangement principle diagram

水布埡面板堆石壩光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)由光纖光柵溫度傳感器、信號處理器、輔助電纜加熱系統(tǒng)等部分組成。系統(tǒng)在大壩中的布置如圖4所示。水布埡面板壩周邊縫防滲監(jiān)測范圍1200m，準分布式光纖光柵測溫系統(tǒng)沿周邊縫每100m一段，每段構(gòu)成一個測量單元，共劃分10個測量單元，每個單元內(nèi)放置50～80個光纖光柵測溫傳感器，間距1.5～3m，共計618個。由于水布埡面板壩高233m，水庫深處水溫較低，為能準確監(jiān)測到較小流量的滲漏，系統(tǒng)配備了光纜加熱裝置。

圖4 水布埡面板壩光纖光柵滲流監(jiān)測系統(tǒng)傳感器布置示意圖Fig.4 Shuibuya concrete faced rock-fill dam Fiber Bragg grating seepage monitoring system sensor layout diagram

每個監(jiān)測段的光纖光柵傳感器相互串接，前后兩端各用一根光纜引入控制室，一端接信號處理器，一端備用。即使傳感器引線或者傳輸光纜發(fā)生意外損壞（如斷裂），可改用備用端檢測斷點后面的探頭信號，系統(tǒng)仍能正常工作。傳感器的位置編號與大壩周邊的位置坐標(biāo)相對應(yīng)輸入計算機，一旦檢測到滲漏信號即可顯示滲漏位置。

該方法的優(yōu)點在于可監(jiān)測任意部位和同時監(jiān)測很多部位，但缺點是無法定量監(jiān)測，只能判斷滲漏部位。

3.2.2 洪家渡滲流分區(qū)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用

洪家渡工程在兩岸坡設(shè)截水溝，將滲漏量集中引入下游分量水堰，下游設(shè)總量水堰。截水溝蓋板為帶漏水通道的預(yù)制板，蓋板與面板壩間采用塑料盲溝材作反濾保護。濾材效果好、體積小、施工方便。洪家渡面板壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意見圖5。

圖5 洪家渡面板壩分區(qū)截水墻和量水堰布置示意圖Fig.5 Hongjiadu concrete faced rock-fill dam cutoff wall and measuring weir arrangement diagram

洪家渡工程采用將滲漏量監(jiān)測大致分區(qū)的方法進行監(jiān)測，初步解決了在深厚覆蓋層及高尾水變幅難以設(shè)置量水堰的工程中，將面板及周邊縫、繞滲等滲漏分區(qū)監(jiān)測，以能判斷大壩安全運行為目的。分測滲漏量的好處在于：①可掌握各部位的滲漏量，給監(jiān)控安全運行提供可靠的保障；②對滲漏量發(fā)生突變時，對事故查找縮小范圍，避免盲目性；③可分別檢驗左右岸防滲效果、周邊縫的止水效果、面板的工作狀況。

對設(shè)置總量水堰有困難或深覆蓋層地基的面板壩工程，通過設(shè)置截水溝可以將兩岸的滲漏量較為準確底進行觀測，還可在岸坡設(shè)置多條小型的截水溝，獲得不同高程分區(qū)的趾板滲透和岸坡繞滲的滲漏量，并且截水溝尺寸變小，可降低施工難度。

3.3 高面板堆石壩傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)存在的問題

3.3.1 壩體內(nèi)部變形監(jiān)測施工工藝方面

壩體內(nèi)部變形監(jiān)測儀器埋設(shè)基床帶土建施工工作量大，投入施工機械多，占用直線工期較長，與壩體填筑施工干擾大。施工工藝要求較高，需對測頭和管路進行保護，管路需可靠連接。儀器安裝埋設(shè)受壩體分區(qū)影響較大，不易獲取全過程變形數(shù)據(jù)。為了使數(shù)據(jù)連續(xù)，需設(shè)置臨時觀測房，引張線水平位移計的鋼絲連接技術(shù)要求高。

3.3.2 內(nèi)部變形監(jiān)測儀器固有缺陷方面

引張線水平位移計：①面板堆石壩沉降呈中部沉降大、上下游側(cè)沉降小的分布特征，引張線沿基床帶必然凹狀分布，由于沿程不均勻變形必然導(dǎo)致引張線回縮，導(dǎo)致產(chǎn)生測量誤差，目前面板堆石壩均無法消除這一誤差，大壩變形越大，誤差越大；②300m級高面板壩超過900m的引張線沿程阻力將大幅增加，傳統(tǒng)鋼絲配套重錘重量必然同步增加，鋼絲折斷幾率大大增加。

水管式沉降儀：①面板堆石壩沉降的特點是壩體中部沉降大、上下游側(cè)沉降小，位于面板下部沉降測點所引管線沿程為凹形分布，在沉降最大部位至觀測房必然形成“倒坡”，容易產(chǎn)生管路中的氣泡，長管線存在回水困難，可能導(dǎo)致觀測無法正常進行；②目前水管式沉降儀所采用水管直徑在10mm左右，在長管線上液體的沿程阻力成倍增加，造成觀測困難；③按照水管式沉降儀1%坡度的埋設(shè)要求，長管線要求觀測房的最低高度、管路埋設(shè)基床帶開挖最大深度要求高，其施工干擾和埋設(shè)難度較高；④管內(nèi)環(huán)境適宜微生物的生存，易產(chǎn)生影響管道暢通的物質(zhì)，導(dǎo)致測量系統(tǒng)失效；⑤觀測程序和維護措施復(fù)雜，要求觀測人員具備較高的職業(yè)素質(zhì)，若在細節(jié)上出錯，將造成測量系統(tǒng)失常。

4 新型監(jiān)測技術(shù)研究進展

4.1 GNSS表面變形監(jiān)測技術(shù)

傳統(tǒng)的面板壩表面變形監(jiān)測采用視準線法。視準線法觀測和計算簡便，但易受外界影響，當(dāng)視線不長時，其觀測精度較高，比較適用。

近50年來，由于衛(wèi)星測量的發(fā)展，特別是GNSS（Global Navigation Satellite System、全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)）的成功建立和應(yīng)用，測繪行業(yè)經(jīng)歷了一場深刻的技術(shù)革命?，F(xiàn)在衛(wèi)星通信和全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）已廣泛應(yīng)用于社會的各個行業(yè)，隨著GNSS定位精度的提高，GNSS技術(shù)已逐步應(yīng)用于水電工程中，如隔河巖水電站重力拱壩、拉西瓦水電站壩肩邊坡、小灣水電站拱壩、糯扎渡水電站心墻堆石壩及近壩庫岸滑坡體等均采用了GNSS技術(shù)進行變形監(jiān)測。

GNSS監(jiān)測系統(tǒng)主要由現(xiàn)場基準站及測點的戶外工作和監(jiān)測管理站室內(nèi)的工作等兩部分組成?，F(xiàn)場戶外的各個基準站和測點通過衛(wèi)星信號實時采集數(shù)據(jù)，通過通信光纜傳輸至監(jiān)測管理站工控機，在監(jiān)測管理站內(nèi)對數(shù)據(jù)進行相關(guān)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換、解算和處理等，處理后的數(shù)據(jù)在安全監(jiān)測信息管理及綜合分析系統(tǒng)層面實現(xiàn)集中統(tǒng)一管理和綜合分析。GNSS監(jiān)測系統(tǒng)采用24h實時在線工作方式。糯扎渡水電站為了實現(xiàn)大壩表面變形的自動化監(jiān)測，大壩表面變形監(jiān)測除了采用GNSS監(jiān)測系統(tǒng)外，還采用了測量機器人進行對比監(jiān)測，以提高監(jiān)測精度和監(jiān)測覆蓋面。測量機器人觀測站與變形監(jiān)測網(wǎng)點結(jié)合，布置于左右岸坡，基點采用控制網(wǎng)點校核和GNSS系統(tǒng)雙重校核。觀測點為視準線測點，每個測點上布置一個360度棱鏡和一個GPS天線，通過自動照準觀測測點位移。測量機器人和GNSS系統(tǒng)可相互校核。

與常規(guī)方法相比，GNSS監(jiān)測系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢和特點：不受氣候等外界條件影響，可全天候監(jiān)測；所有變形監(jiān)測點的觀測時間同步，能客觀反映某一時刻滑坡體各監(jiān)測點的變形狀況；可同步測出監(jiān)測點的水平位移和垂直位移；可實現(xiàn)全自動監(jiān)測。糯扎渡GNSS監(jiān)測系統(tǒng)投入觀測后，自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)與前期人工觀測能夠銜接平順，監(jiān)測數(shù)據(jù)真實可信，目前系統(tǒng)運行正常穩(wěn)定。系統(tǒng)觀測精度基本能滿足規(guī)范±3mm的要求。

鑒于GNSS監(jiān)測系統(tǒng)的優(yōu)越性，并且已在一些水利水電工程得到成功應(yīng)用，將來對于300m級高面板堆石壩，在地形及衛(wèi)星信號接收可以保障的條件下，應(yīng)大力推廣使用。

4.2 雷達干涉（INSAR）技術(shù)

合成孔徑雷達干涉測量技術(shù)（INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar；簡稱干涉雷達測量）是以同一地區(qū)的兩張SAR圖像為基本處理數(shù)據(jù)，通過求取兩幅SAR圖像的相位差，獲取干涉圖像，然后經(jīng)相位解纏，從干涉條紋中獲取地形高程數(shù)據(jù)的空間對地觀測新技術(shù)。

圖6 GNSS監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測點Fig.6 Monitoring point for GNSS monitoring system

堆石壩在建設(shè)過程和建成投入使用后，都不可避免的會發(fā)生變形。當(dāng)變形超過一定范圍時就會影響堆石壩的正常使用，造成安全隱患。SAR干涉測量技術(shù)可以提供遠距離、大范圍的變形監(jiān)測結(jié)果，有利于對壩體變形的性質(zhì)、范圍等進行準確判斷。相對于傳統(tǒng)的基于離散點的變形測量方式，SAR干涉測量技術(shù)可以實現(xiàn)大范圍的連續(xù)覆蓋，更有利用分析目標(biāo)的區(qū)域變形分布和發(fā)展規(guī)律，同時非接觸式的遠程監(jiān)測模式避免工作人員進入危險區(qū)域，全天時全天候的工作模式避免監(jiān)測過程受到天氣的影響。

4.3 管道機器人系統(tǒng)

堆石體內(nèi)部長距離變形監(jiān)測是面板壩監(jiān)測主要難題之一，200m級堆石壩其監(jiān)測管線長度400～500m已是其材料和工藝極限，在實際使用過程中出現(xiàn)過諸多問題，對300m級面板壩1000m左右的管線長度考慮采用新方法是工程所需。基于高面板堆石壩建設(shè)及安全性這一需求，國內(nèi)相關(guān)單位擬在深入研究高面板堆石壩的工作特性及運行機理的基礎(chǔ)上，結(jié)合已開展的新傳感產(chǎn)品柔性固定式測斜儀研發(fā)工作，專門針對300m級高壩開展長距離水平位移計和沉降儀相關(guān)的新型儀器設(shè)備應(yīng)用研究。通過這項研究，可以為300m級高壩的內(nèi)部變形監(jiān)測提供有效的解決方案，填補高壩內(nèi)部變形監(jiān)測技術(shù)的此類技術(shù)空白，同時為類似工程的設(shè)計和施工提供非常有借鑒意義的技術(shù)解決方案及相應(yīng)的系統(tǒng)產(chǎn)品、技術(shù)和經(jīng)驗，具有重大的技術(shù)進步意義并創(chuàng)造可觀的經(jīng)濟價值。

管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)是一種“直接測量”的方法，其觀測原理為在大壩內(nèi)部埋設(shè)布置能夠與壩體同步變形的專用監(jiān)測管道，為測量機器人提供行進通道；采用專門設(shè)計的變形測量機器人進入管道內(nèi)部，根據(jù)編制的計算機程序在管道內(nèi)部自動行進；利用配備的各種監(jiān)測儀器，自動檢測管路各點位置的垂直變形和水平變形等內(nèi)容，記錄采集的所有數(shù)據(jù)并傳送給外部監(jiān)控計算機；外部計算機分析處理采集數(shù)據(jù)，得出大壩內(nèi)部變形監(jiān)測結(jié)果。

監(jiān)測管路中沒有“水管”和“引張線”的阻礙，測量機器人在管路中自動行進，可測量任意位置的變形狀況，測點數(shù)量不受限制，屬于典型的“分布式”測量系統(tǒng)，滿足200～300m級高面板堆石壩內(nèi)部變形監(jiān)測的測量技術(shù)需要。管道機器人監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有“引張線”方法和“水管式”方法測量儀器相比，設(shè)備簡化、操作簡單、成本降低，一個水庫只要一臺機器人設(shè)備就可以對所有管道進行監(jiān)測；該項成果推廣，可以取代目前常規(guī)使用的“引張線”方法和“水管式”方法測量儀器，提高測量精度，降低設(shè)備成本。

國內(nèi)科研單位在這方面已進行了深入研究，取得了較多成果，并獲得了實用新型專利證書。他們還將依托國內(nèi)擬建300m級高面板堆石壩，開展更加深入的研究。預(yù)期該項成果技術(shù)如果得到推廣，可以轉(zhuǎn)化為產(chǎn)業(yè)化批量生產(chǎn)，可以取得較大經(jīng)濟效益。

4.4 傳統(tǒng)滲流監(jiān)測技術(shù)提升

傳統(tǒng)滲流監(jiān)測技術(shù)已較為成熟，對300m級面板堆石壩不存在技術(shù)障礙，應(yīng)繼續(xù)作為主要監(jiān)測手段。近年來，光纖光柵傳感器有了一定的應(yīng)用，但在觀測原理、儀器率定檢測、施工等方面仍有需提升的地方，可作為輔助手段。

4.5 監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)

近年來，大壩監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)研究方面取得了很多成果，現(xiàn)在正在開展高面板壩監(jiān)測實時動態(tài)智能反饋與預(yù)測系統(tǒng)研究，主要研究目的和內(nèi)容為基于已有科研成果及現(xiàn)場監(jiān)測資料，提出蓄水期、運行期的安全評價指標(biāo)；對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行綜合分析及合理評價，考慮時空效應(yīng)結(jié)合多尺度有限元計算進行反演分析，獲得大壩材料的合理參數(shù)，對大壩進行安全評價，并預(yù)測大壩在不同條件下的性態(tài)及安全裕度；根據(jù)監(jiān)測和分析成果修正和完善不同時期各級警戒值和安全評價指標(biāo)，提出相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案與措施。

4.6 提高管理水平監(jiān)測成果充分利用

為監(jiān)控高面板堆石壩變形、滲壓、應(yīng)力及指導(dǎo)施工過程，需布設(shè)很多監(jiān)測項目和儀器，分散在樞紐建筑物的各個部位。監(jiān)測儀器多數(shù)個體比較小，不容易被重視，布置電纜比較長，有時會與施工有干擾，儀器和電纜均容易受到損壞，有些是不可恢復(fù)的。因此應(yīng)做到：①建設(shè)單位在招標(biāo)階段將安全監(jiān)測集中招標(biāo)，不要分散在各土建施工標(biāo)中，這樣可提高監(jiān)測儀器施工、保護、監(jiān)測數(shù)據(jù)測讀的專業(yè)性，大大提高儀器完好率；②大的工程最好成立監(jiān)測中心，統(tǒng)一管理、整編監(jiān)測數(shù)據(jù)，減少低級錯誤，使監(jiān)測數(shù)據(jù)充分發(fā)揮作用。

5 結(jié)束語

（1）根據(jù)面板堆石壩結(jié)構(gòu)特點，變形與滲流監(jiān)測是面板堆石壩最主要的監(jiān)測項目。目前的監(jiān)測時段基本能滿足200m級面板壩的監(jiān)測要求，指導(dǎo)筑壩施工和設(shè)計反饋。

（2）隨著筑壩高度的不斷增加，目前多座200m級高面板壩的水平垂直位移計長度超過400m后，位移計出現(xiàn)失效問題，儀器設(shè)計不能滿足監(jiān)測要求。針對超高混凝土面板壩，需從傳統(tǒng)監(jiān)測技術(shù)的適用性、監(jiān)測新技術(shù)的研制和開發(fā)等方面進行系統(tǒng)的研究。

（3）經(jīng)過對國內(nèi)已建具有代表性的幾座200m級高面板堆石壩關(guān)鍵監(jiān)測技術(shù)及應(yīng)用情況的總結(jié)，200m級面板堆石壩布置原則基本一致，大多設(shè)置3個監(jiān)測斷面，每隔40m左右設(shè)置一個監(jiān)測高程，相鄰測點間距在40～50m之間，基本能夠全面反映大壩變形。對于300m級高面板堆石壩，考慮監(jiān)測難度，可進一步研究設(shè)置中間觀測廊道的必要性。

（4）200m級面板壩內(nèi)部位移監(jiān)測采用的傳統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和手段，由于儀器設(shè)備自身固有的一些缺陷以及安裝埋設(shè)工藝所限，部分工程出現(xiàn)監(jiān)測設(shè)施損壞、測值異常、系統(tǒng)難以維護等問題。對于300m高面板壩，管線有可能長達1000m級，有必要研發(fā)適應(yīng)面板堆石壩變形特征的新型監(jiān)測儀器，以避免目前出現(xiàn)的種種問題。

（5）國內(nèi)科研單位和高等院校已開展了相關(guān)研究，并取得了較多成果，為300m級高面板堆石壩新型監(jiān)測技術(shù)的深入研究和儀器的研發(fā)打下了良好基礎(chǔ)，我們期望也相信這些關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展和創(chuàng)新，能夠在將來300m級高面板堆石壩安全監(jiān)控方面發(fā)揮重要作用。

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China Concrete Faced Rock-fill Dam Safety Monitoring Technology Progress

WU Yijin1, ZOU Qing2, TAN Zhiwei2, YANG Zeyan1, SUN Yongjuan1
（1. China Water Resources and Hydropower Engineering Consulting Co.， Beijing 100120， China; 2. Electric Power Construction Group and Kunming Engineering Corporation LTD.， Kunming 650051,China）

This paper collects the domestic representative high concrete faced rock-fill dam key monitoring technology and its application， probes deeply into the domestic 200m level high concrete faced rock-fill dam safety monitoring technology，summarizes the high rock-fill dam safety monitoring technology characteristics and difficulties， analyzes the main monitoring measure effectiveness and their existing problems， sums up related experience， To improve and provide solution and direction for future planned 300m level high concrete faced rock-fill dam safety monitoring technology.

high concrete faced rock-fill dam ；Safety monitoring ；The key technology ；progress and prospects.

TV641

A

570.25

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.005

2016-09-11

2017-01-08

吳毅瑾（1964—），女，教授級高級工程師，主要研究方向：水利水電設(shè)計、咨詢、審查、安全鑒定和驗收等工作。

鄒青（1969—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：安全監(jiān)測設(shè)計、資料分析及技術(shù)管理工作。E-mail:1009022968@qq.com

譚志偉（1978—），男，教授級高級工程師，主要研究方向：安全監(jiān)測設(shè)計、資料分析及技術(shù)管理工作。E-mail:tan204@qq.com

楊澤艷（1962—），水電水利規(guī)劃設(shè)計總院、中國水利水電建設(shè)工程咨詢有限公司副總工程師，教授級高級工程師，全國工程勘察設(shè)計大師，電力勘察設(shè)計行業(yè)資深專家，主要研究方向：水電工程設(shè)計、咨詢、審查等技術(shù)業(yè)務(wù)工作。

孫永娟（1943—），女，教授級高級工程師，主要研究方向：水利水電咨詢、審查、安全鑒定和驗收等工作。E-mail:1214964527@qq.com