淺談運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的常見問題與改進措施

閆 鵬

（遼寧省葠窩水庫管理局有限責(zé)任公司，遼寧 遼陽 111000）

近年來，隨著水利工程發(fā)展規(guī)模的不斷擴大，國家對工程質(zhì)量的要求逐漸提高。為預(yù)防大壩變形，工程通常采用變形監(jiān)測系統(tǒng)對水庫的運行期參數(shù)進行觀察。但就目前的情況來看，由系統(tǒng)設(shè)計不合理、參數(shù)分析不精確等因素所導(dǎo)致的大壩變形問題仍較為常見，及時彌補系統(tǒng)缺陷已迫不及待。因而，對運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的常見問題進行分析探討成為當(dāng)前促進系統(tǒng)優(yōu)化的首要工作。

1 運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)

運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)包括人工監(jiān)測系統(tǒng)、自動化監(jiān)測系統(tǒng)兩種。由于自動化監(jiān)測系統(tǒng)具有效率高、便利性強的優(yōu)勢，已基本在國內(nèi)水庫大壩變形監(jiān)測過程中得到普遍應(yīng)用。自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括“傳感器監(jiān)測系統(tǒng)”、“全站儀TPS監(jiān)測系統(tǒng)”、“GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)”等多種形式。以“GPS變形監(jiān)測系統(tǒng)”為例，該系統(tǒng)由GPS衛(wèi)星、地面基準(zhǔn)站等部分構(gòu)成[1]。GPS衛(wèi)星可連續(xù)采集運行期水庫大壩的各項指標(biāo)，隨即通過網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至基準(zhǔn)站的數(shù)據(jù)庫中，得到觀測點的三維坐標(biāo)，根據(jù)三維坐標(biāo)觀測結(jié)果判斷當(dāng)前的大壩是否存在變形問題。

2 運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)常見問題

2.1 系統(tǒng)設(shè)計不合理

系統(tǒng)設(shè)計不合理是運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)的常見問題之一。對基準(zhǔn)網(wǎng)的設(shè)計是變形監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的主要內(nèi)容，具體設(shè)計內(nèi)容以“點位選擇”、“點位埋設(shè)”、“數(shù)據(jù)處理”、“誤差控制”等為主[2]。以點位選擇為例，因設(shè)計人員對水庫周邊人文環(huán)境考慮不周，目前，水庫大壩變形觀測點位處于高邊坡、公路旁的問題時有發(fā)生。采用上述設(shè)計方式極容易導(dǎo)致系統(tǒng)被人為破壞，對系統(tǒng)性能發(fā)揮產(chǎn)生不利影響。

2.2 參數(shù)分析不精確

參數(shù)分析不精確的問題在運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)中同樣顯著存在，具體體現(xiàn)在“參數(shù)計算不準(zhǔn)確”、“監(jiān)測結(jié)果分析欠科學(xué)”兩方面。以監(jiān)測結(jié)果的分析為例，影響運行期水庫大壩變形的因素以壩體撓度、雙曲拱壩變形體態(tài)、裂縫、滑坡等為主[3]。為及時發(fā)現(xiàn)大壩變形的風(fēng)險，需通過回歸分析等方式對上述參數(shù)的監(jiān)測結(jié)果進行分析，及時發(fā)現(xiàn)異常，及時制定相應(yīng)的方案，對大壩變形進行預(yù)防。

3 運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)改進措施

3.1 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計方案

3.1.1 平面位移監(jiān)測設(shè)計

平面位移基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計過程中可將點位分為“基準(zhǔn)點”、“工作點”兩種，前者可采用A1～An的方式表示，后者則可采用C1～Cn的方式表示。為避免土層滑動導(dǎo)致基準(zhǔn)點位置發(fā)生變化，基準(zhǔn)點基礎(chǔ)應(yīng)開挖至基巖部分（深度6 m～9 m）。埋設(shè)過程中，應(yīng)采用C20混凝土及螺紋鋼予以澆筑。混凝土具體參數(shù)見表1。

表1 平面位移基準(zhǔn)網(wǎng)點位埋設(shè)參數(shù)

變形監(jiān)測過程中可采用LeicaDNA03全站儀對數(shù)據(jù)進行測量。以水平角的監(jiān)測為例，監(jiān)測采用全圓觀測法，通過15個測回測量水平角。

3.1.2 垂直位移監(jiān)測設(shè)計

垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)設(shè)計過程中可將點位分為“廊道水準(zhǔn)點”（采用LS01～LSn表示）、高程控制網(wǎng)點（采用2-01～2-n表示）、金屬標(biāo)（采用BG01～BGn表示）。監(jiān)測過程中應(yīng)用不同儀器測量易導(dǎo)致系統(tǒng)參數(shù)出現(xiàn)誤差。因此，建議采用統(tǒng)一型號的儀器對相關(guān)數(shù)據(jù)進行監(jiān)測。例如，可統(tǒng)一采用LeicaDNA03電子水準(zhǔn)儀進行觀測，將誤差控制在±0.3 mm/km的范圍內(nèi)，以獲得準(zhǔn)確的監(jiān)測參數(shù)。監(jiān)測過程中建議選取3個基準(zhǔn)點作為測量點，取其平均值作為測量結(jié)果，以提高系統(tǒng)的監(jiān)測性能。

3.1.3 變形監(jiān)測點選擇

壩體與壩基的變形點選擇是否具有代表性，是決定監(jiān)測結(jié)果能否反映運行期水庫大壩質(zhì)量的主要因素，可采用以下方法對監(jiān)測點進行選擇：（1）壩體。首先采用GPS、激光等手段對不同監(jiān)測點進行測量。在此基礎(chǔ)上，選出具有代表性的各個點位，觀察點位是否與垂線壩段重合。其次，以水庫當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)條件為參考，確定最終的觀測點，對壩體的變形及撓度進行監(jiān)測。（2）壩基。壩基變形一般表現(xiàn)為巖體松弛，將監(jiān)測點設(shè)置在拉力及壓力最高的區(qū)域，以及時發(fā)現(xiàn)受壓及受拉變形，為壩基穩(wěn)定性的提高提供保證。

3.2 提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算及分析精度

3.2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算

對平差的計算是系統(tǒng)數(shù)據(jù)計算的要點，需通過“模型誤差判斷”“、自由網(wǎng)平差模型的建立”“、平差結(jié)果輸出”三大流程完成計算過程，具體如下：（1）誤差判斷。首先將統(tǒng)計檢驗?zāi)Ｐ蛻?yīng)用到計算過程中對數(shù)據(jù)的誤差進行計算。如誤差處于要求范圍內(nèi)，則可建立平差模型。（2）建立模型。以A1為起點，A1～An的重心為基準(zhǔn)，建立秩虧自由網(wǎng)平差模型。（3）平差結(jié)果輸出。模型建立完成后，輸出“邊長”、“方向”、“測角”、“測距”等指標(biāo)的數(shù)值，觀察數(shù)據(jù)的靈敏度、可靠性，以提高數(shù)據(jù)計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2.2 基準(zhǔn)網(wǎng)觀測結(jié)果分析

獲得參數(shù)計算結(jié)果后，有關(guān)人員應(yīng)利用變形監(jiān)測系統(tǒng)，生成基準(zhǔn)網(wǎng)方向觀測圖。以觀測圖為基礎(chǔ)，分析觀測結(jié)果。觀測圖中，通常包括X及Y兩大方向，點位眾多。生成圖像后，需首先明確待分析的點位，繼而對該點位X方向的坐標(biāo)差值、Y方向的坐標(biāo)差值進行計算。如點位坐標(biāo)差值＜±2.0mm，則表明該點位變形情況不會對大壩的安全性造成影響，反之則否。

經(jīng)過計算發(fā)現(xiàn)，該工程A1點X方向坐標(biāo)差值（△X）為-0.95，△Y=-0.38；C1點位△X=-0.10，△Y=0.75；G1點位△X=-0.20，△Y=0.83。分析結(jié)果顯示，G1點位坐標(biāo)差值最大，但小于±2.0 mm，表明該點位變形情況不會對大壩的安全性造成影響。

3.2.3 壩體參數(shù)監(jiān)測結(jié)果分析

壩體變形、壩體撓度、雙曲拱壩變形體態(tài)為壩體參數(shù)的三項代表。以壩體撓度為例，應(yīng)設(shè)置不同的垂線裝置，對撓度進行測試。根據(jù)測試結(jié)果觀察水庫的水位與壩體變形的關(guān)系。如水庫水位較低，受本身重力的影響，壩體極容易沿河向發(fā)生撓度變形，導(dǎo)致壩體向上游傾斜；反之，隨著水庫水位的上升，壩體變形可逐漸改善。如水位過高，則易向下游傾斜。如傾斜量無異常，則表明壩體變形處于安全的范圍內(nèi)，反之，則應(yīng)及時處理。

4 結(jié)語

隨著水利水電建設(shè)行業(yè)的不斷發(fā)展，大批水庫電站投入到運行管理階段。為了確保水庫能夠安全有效地運行，為國民經(jīng)濟發(fā)展提供保障，水庫大壩變形監(jiān)測工程受到廣泛關(guān)注。運行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)能夠詳細(xì)、準(zhǔn)確的實現(xiàn)對平面位移、垂直位移的監(jiān)測，通過對相關(guān)參數(shù)的計算，可以及時明確壩體變形參數(shù)及撓度發(fā)展趨勢，為評估水庫大壩的穩(wěn)定性提供有力支撐。