大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)在方洲水庫的應(yīng)用

葉留根 李春燕 代世軍

我國現(xiàn)有各類水庫約8.5萬座，居世界第一位，中、小型水庫占了99.5%。大多數(shù)中、小型水庫建于20世紀(jì)50～70年代，很多水庫設(shè)施、監(jiān)管落后、防洪標(biāo)準(zhǔn)低、老化嚴(yán)重，經(jīng)過這幾年的除險加固已經(jīng)得到很大改善，但大多水庫地處偏遠(yuǎn)，不能及時觀測到水庫可能出現(xiàn)的險情，存在很大安全隱患。隨著科技的進(jìn)步，充分利用現(xiàn)代通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及檢測技術(shù)建立大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，有效地提供水庫運(yùn)行信息，大大提高了大壩安全監(jiān)測的實(shí)時性和可靠性。本文結(jié)合方洲水庫工程實(shí)例闡述了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用效果。

一、概述

安徽省太湖縣方洲水庫除險加固工程位于太湖縣城西鄉(xiāng)方洲村境內(nèi)的方家洲河出口處，屬皖河水系長河支流，壩址以上集水面積28.68km2，總庫容1750萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖等綜合效益的省重點(diǎn)中型水庫。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水低涵及輸水隧洞等建筑物組成，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級。大壩壩頂高程93.8m，最大壩高33.8m，壩頂寬度5.0m，壩頂長度180m，上游壩坡 1∶2.0～1∶3.5，下游壩坡1∶2.12～1∶3.0，壩頂防浪墻高程94.5m；溢洪道位于主壩的右端，開敞式實(shí)用堰，重力壩高18m，挑流消能，溢流堰頂高程88.0m，堰頂寬46.0m；放水低涵位于溢洪道底部；輸水隧洞位于大壩右岸山體內(nèi)，有壓隧洞，全長120m，發(fā)電結(jié)合灌溉功能。

二、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)建

1.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建設(shè)的主要內(nèi)容

監(jiān)測建設(shè)內(nèi)容有變形觀測、滲流滲壓觀測、水文視頻監(jiān)視系統(tǒng)。滲流觀測包括：壩體滲壓（浸潤線）觀測、壩基滲壓觀測、繞壩滲流觀測、滲流量觀測。對滲流滲壓觀測項(xiàng)目實(shí)施自動化監(jiān)測。

2.系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)與基本功能

大壩監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的目標(biāo)是：實(shí)時顯示各監(jiān)測量（監(jiān)測項(xiàng)目）的變化情況，以便管理人員根據(jù)評價結(jié)果，分析具體情況，作出相應(yīng)的預(yù)警和控制措施，保障大壩的安全運(yùn)行。

（1）監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)問題

監(jiān)測實(shí)施、合理布置監(jiān)測點(diǎn)、儀器設(shè)備選型、防雷保護(hù)等。

（2）大壩監(jiān)測系統(tǒng)擬實(shí)現(xiàn)的功能

數(shù)據(jù)庫管理：自動生成數(shù)據(jù)庫，便于處理海量數(shù)據(jù)和調(diào)用。

數(shù)據(jù)存儲和顯示：對于重點(diǎn)斷面，實(shí)時數(shù)據(jù)自動采集、存儲和處理，直觀顯示監(jiān)測量的變化趨勢，監(jiān)測數(shù)據(jù)按采集時間間隔入庫，可隨時調(diào)用和處理；對于一般斷面，采用人工監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)可通過計算機(jī)由人工輸入存儲到上位機(jī)中。

3.系統(tǒng)基本構(gòu)成

（1）量測儀器

采用孔隙水壓力計。

（2）采集站（或稱測控單元）

由自動采集控制器、電源組成，具有自動采集、檢測、存儲、控制、通信的功能。

（3）監(jiān)控主站

為自動監(jiān)測及預(yù)警中心，對各個采集站進(jìn)行管理，發(fā)布采集指令，接收、處理、顯示采集的信息數(shù)據(jù)。

（4）通信網(wǎng)絡(luò)

在傳感器、采集站、監(jiān)控主站、遠(yuǎn)程信息中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)挠呻娎|、因特網(wǎng)或電話網(wǎng)等組成的通信網(wǎng)絡(luò)。

（5）監(jiān)測軟件

針對大壩安全，實(shí)現(xiàn)采集、檢測、存儲、控制、計算、通信、報警等操作功能的應(yīng)用軟件。

4.大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的布置

（1）大壩安全監(jiān)測項(xiàng)目

大壩表面變形監(jiān)測；粘土心墻底部接觸帶及粘土心墻滲流壓力監(jiān)測；壩體浸潤線監(jiān)測；繞壩滲流監(jiān)測；滲流量監(jiān)測；上、下游水位監(jiān)測；水情視頻監(jiān)測等。

（2）斷面選擇

大壩安全監(jiān)測選取大壩樁號0＋050、0+095、0＋130 等 3 個斷面外加繞壩滲流觀測的1個斷面，其中0+130為重點(diǎn)觀測斷面，采用自動化監(jiān)測，大壩上的3個斷面可輔以人工監(jiān)測進(jìn)行相互對照。

（3）大壩表面變形監(jiān)測

觀測標(biāo)點(diǎn)共計9座；工作基點(diǎn)共計6座；校核基點(diǎn)共計2個。

（4）粘土心墻底部接觸帶及粘土心墻滲流壓力監(jiān)測

在樁號0＋130斷面的上、下游粘土心墻內(nèi)、下游粘土心墻底部接觸帶各埋設(shè)孔隙水壓力傳感器1只，共計孔隙水壓力計4支，均采用自動監(jiān)測。

（5）壩體浸潤線監(jiān)測

布置3個監(jiān)測斷面，采用測壓管和孔隙水壓力計監(jiān)測。

樁號0＋130斷面由4根測壓管組成，分別位于壩頂（高程93.8m）及下游壩坡高程85.0m、77.0m、70.0m處。樁號0＋050、0+095斷面由3根測壓管組成，分別位于壩頂（高程93.8m）及下游壩坡高程85.0m、77.0m處。測壓管應(yīng)在壩體內(nèi)，深入壩基強(qiáng)風(fēng)化層1.0m，共計測壓管10根。大壩上3個斷面同時采用自動化監(jiān)測，設(shè)孔隙水壓力計13支（包括心墻底部及粘土心墻內(nèi)滲透壓力觀測的4支）。

（6）繞壩滲漏監(jiān)測

在左壩肩設(shè)置1個監(jiān)測斷面，共埋設(shè)孔隙水壓力計2支，測壓管3根，其中2根采用自動化觀測，1根人工觀測。

（7）上、下游水位監(jiān)測

上游在水庫深水中安放一支滲壓計，下游增設(shè)水位監(jiān)測井1個，內(nèi)設(shè)孔隙水壓力計1支。上、下游水位監(jiān)測均采用自動化監(jiān)測，同時下游監(jiān)測井的水位還可采用平尺水位計進(jìn)行人工觀測。

（8）大壩下游滲流量監(jiān)測

利用截滲墻與集滲溝測滲流量，在大壩下游距反濾壩壩腳5m處設(shè)置集滲溝，樁號范圍0+125～0+130。量水堰采用三角堰形式，人工觀測。

（9）視頻監(jiān)視系統(tǒng)

方洲水庫安裝了3套視頻監(jiān)視系統(tǒng)，1套視頻監(jiān)視溢洪道，1套視頻監(jiān)視大壩，另外1套視頻監(jiān)視方洲水庫管理所辦公樓。

三、大壩安全監(jiān)測自動化采集系統(tǒng)

1.滲壓計自動化測量原理

滲壓計是一種壓力傳感器。該工程選用BGK-4560S鋼弦式滲壓計，其各種性能優(yōu)異，長期穩(wěn)定性好。用滲壓計測量水位，其原理是通過測量張緊鋼弦的頻率變化來測量鋼弦的張力/應(yīng)變等物理量，將其埋設(shè)在水工建筑物、基巖、測壓管、鉆孔、堤壩、管道和壓力容器里，通過壓力感應(yīng)裝置測量孔隙水壓力，并將得到的壓力換算成相應(yīng)的水位。

2.大壩安全監(jiān)測自動化采集系統(tǒng)

采用分布式結(jié)構(gòu)，在方洲水庫管理所設(shè)立監(jiān)控主站，主站內(nèi)設(shè)一臺微機(jī)接收來自采集站的數(shù)據(jù)，主站的作用是對各個采集站進(jìn)行管理和控制、接收采集的信息、評價安全狀況、報警、向遠(yuǎn)程信息中心（遠(yuǎn)程辦公室或防汛指揮中心）發(fā)送監(jiān)測數(shù)據(jù)和評價結(jié)果。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)形象見圖1。

監(jiān)控主站組成部分包括：系統(tǒng)軟件、微機(jī)（及掃描、打印機(jī)等輸入輸出設(shè)備）、通訊電纜、Modem（調(diào)制解調(diào)器）、電話線路、防雷器等。

采集站為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)置，具有自動采集、檢測、控制、通信的功能。具有獨(dú)立性，可以在主站停機(jī)的情況下自行采集和處理數(shù)據(jù)。采用基康公司生產(chǎn)的BGK-Micro-40多通道數(shù)據(jù)采集儀，適合于自動測讀各種類型的振弦傳感器，每臺儀器可同時接入40支振弦式傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，設(shè)置RS-232及RS-485雙串口配置。根據(jù)現(xiàn)場情況，采集站設(shè)在樁號0+170下游高程85.0m平臺上。

圖1 大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)形象圖

四、大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行情況

大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)建成至今，已運(yùn)行多年。在試運(yùn)行期間所有儀器設(shè)備使用運(yùn)行正常，各監(jiān)測項(xiàng)目具體運(yùn)行情況如下：

1.大壩滲壓計水位監(jiān)測

方洲水庫大壩滲流監(jiān)測共布置17支滲壓計，從測壓管水位過程曲線可以看出，各測壓管水位變化跟庫水位變化相關(guān)，但防滲墻前測壓管水位與庫水位相關(guān)性較強(qiáng)，幾乎與庫水位同步變化，而防滲墻后的測壓管水位則與庫水位相關(guān)性較弱，尤其是庫水位處于高位運(yùn)行時，防滲墻后的幾支測壓管沒有顯著的水位上升，變化幅度相對較小。

根據(jù)滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)分析成果可以看出，該監(jiān)測系統(tǒng)所反映的滲流監(jiān)測數(shù)據(jù)穩(wěn)定并符合土石壩防滲工程一般規(guī)律。

2.防滲墻滲控效果分析

（1）防滲墻前后水位差分析

從觀測成果來看，0+130和0＋095斷面在庫水位處于高水位時，防滲墻前后水位差最大達(dá)到12.699m，水位差最小也超過了8.839m。

0＋050斷面防滲墻前后水位差相對小一些。影響壩體浸潤線形態(tài)的因素很多，包括上游庫水位、降雨及時效、壩殼料土質(zhì)、壩基形態(tài)等因素。左岸岸坡附近測壓管水位相對較高，綜合分析認(rèn)為，左岸壩殼料土質(zhì)砂性較強(qiáng)，降雨入滲及左岸山體排水所致。

（2）加固前后壩體滲流場變化

從加固前后觀測成果看出，在上游水位接近或者高的情況下，防滲墻實(shí)施后壩體滲壓水位有了一定程度的降低，測壓管水位下降了0.463～1.173m，防滲墻對于降低壩體浸潤線高度，起到了比較明顯的作用。

分析結(jié)果表明，防滲墻實(shí)施后，壩體滲流情況得到改善，浸潤線得到了降低。測壓管位勢在不同水頭作用下是基本穩(wěn)定的，大壩運(yùn)行狀態(tài)正常。

3.壩基滲流量分析

滲流量的監(jiān)測是通過流量堰進(jìn)行的。對于直角形（θ=90°）三角形堰，滲流量公式可寫成：

式中：C為直角形三角堰的系數(shù)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)（H≈0.05～0.25m），m0=0.396，可得C=1.4；H為堰上水頭。

汛期高水位，通過量水堰測得壩基最大滲流量為0.00253m3/s（含降雨引起的滲流量），滲流量較小。在庫水位小于85.0m，滲流量接近于0。加固前，可查詢的最大滲流量為1994年的0.00698m3/s，

可見，工程加固后，滲流量降低值較大，量水堰所測滲流量最大值較小，目前大壩的滲透穩(wěn)定是有保障的。

4.巡視檢查

從日常觀測及巡視檢查中，防浪墻、壩頂、迎水坡、背水坡未發(fā)現(xiàn)異常現(xiàn)象。防浪墻沒有出現(xiàn)開裂、擠碎、架空、錯斷、傾斜等情況。壩坡未發(fā)現(xiàn)裂縫、剝落、滑動、隆起、塌坑、散浸、管涌等現(xiàn)象；壩體與岸坡連續(xù)處無裂縫、錯動、滲水等現(xiàn)象。巡視檢查表明，目前大壩運(yùn)行正常。

5.視頻監(jiān)視

系統(tǒng)圖像清晰、運(yùn)行正常。

五、結(jié)語

方洲水庫應(yīng)用大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)，滿足了當(dāng)前水庫安全與信息管理的需要，測量數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，監(jiān)測成果反映了大壩的滲流分布及變化情況，正確反應(yīng)大壩運(yùn)行狀態(tài)，有效地維護(hù)了水庫安全生產(chǎn)運(yùn)行，并為防汛工作提供了重要保障，同時改善了觀測、測量工作人員的工作環(huán)境，減少工作人員，真正做到了無人值守、少人值班■