大壩安全監(jiān)測技術(shù)探討

李清華 蔣衛(wèi)國

摘要：大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)作為一種新型技術(shù)，在大壩原型中通過利用觀測儀器來進(jìn)行現(xiàn)場測量，以此方式來獲取大壩結(jié)構(gòu)變化。本文作者探討了大壩安全監(jiān)測技術(shù)。

關(guān)鍵詞：大壩;安全監(jiān)測技術(shù);觀測儀器

0、引言

大型水電站壩址地質(zhì)條件復(fù)雜，多處于高震區(qū)和高地應(yīng)力區(qū)，一旦失事，將會(huì)給下游人民的生命和財(cái)產(chǎn)帶來重大損失，因此，對大壩進(jìn)行安全監(jiān)測非常必要。為了保障大壩建設(shè)以及全生命周期運(yùn)行過程中的長久安全，100多年以來，人們一直在探索建設(shè)更好大壩的相關(guān)理念和技術(shù)，大壩的施工與運(yùn)行管理模式經(jīng)歷了簡易工具時(shí)代，大型機(jī)械化時(shí)代，直到今天的自動(dòng)化、數(shù)字化、智能化時(shí)代。所謂智能大壩（Idam），是基于物聯(lián)網(wǎng)、自動(dòng)測控和云計(jì)算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)全生命周期的信息實(shí)時(shí)、在線、個(gè)性化管理與分析，并實(shí)施對大壩性能進(jìn)行控制的綜合系統(tǒng);其基本特征是施工、監(jiān)測數(shù)據(jù)智能采集進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，監(jiān)測數(shù)據(jù)與仿真分析一體化、施工管理和運(yùn)行控制實(shí)時(shí)智能化，減少在大壩結(jié)構(gòu)建設(shè)運(yùn)行過程中的人為干預(yù)。

1、工程概況

某水庫建立于1985年，水庫的占地總面積為160.3平方公里，并且水庫的容量為4780萬立方米。同時(shí)這個(gè)水庫自從建成到至今，給附近的很多省份和市做出了很大的貢獻(xiàn)。但是水庫在運(yùn)行的過程中，也出現(xiàn)了很多方面的問題，例如：在2005年，就發(fā)生了比較嚴(yán)重的管涌和集中滲漏，這樣就很大程度的影響了水庫運(yùn)行的安全，倘若其發(fā)生安全事故，不僅會(huì)直接影響本市的供水情況，還會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。針對這樣的現(xiàn)狀，水利工作人員對水庫進(jìn)行了排險(xiǎn)加固，并且完善了水庫安全監(jiān)測設(shè)施，與此同時(shí)還采用了比較先進(jìn)的監(jiān)測方式對大壩進(jìn)行監(jiān)測，這樣就可以有效的滿足水庫大壩的安全監(jiān)測要求，從而就能確保工程項(xiàng)目的順利實(shí)施和開展。

2、大壩的監(jiān)測內(nèi)容

2.1 檢查觀測

檢查監(jiān)測是利用人員本身通過觀察、手摸或者利用一些簡單的工具對建筑物進(jìn)行簡單的觀測。使用儀器觀測雖然可以得到更為準(zhǔn)確的信息，但一個(gè)建筑物的儀器安設(shè)點(diǎn) 數(shù)是有限的，太多的儀器設(shè)備不利于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，另外水工建筑物裂縫、滲水等缺陷部位也不一定反生在儀器設(shè)備的觀測點(diǎn)上，所以人員的檢查觀測具有相當(dāng)重要的地位。有利于及時(shí)的彌補(bǔ)儀器的不足，及時(shí)的發(fā)現(xiàn)異常情況的發(fā)生。檢查觀察主要檢測建筑物有無裂縫，在壩腳、迎水坡部位有無塌陷、流土和沼澤化的現(xiàn)象，在伸縮縫部位是否有滲漏，混凝土表面有沒有松軟、侵蝕的危害，有泄水作用的部位檢查有無磨損、剝落金屬部位的焊縫、鉚釘?shù)仁欠裆P變形。

2.2 儀器的量測

儀器量測既是在相應(yīng)的建筑部位預(yù)設(shè)儀器設(shè)備，通過規(guī)律性的采集數(shù)據(jù)，來判定建筑物的工作狀態(tài)。

（1）變形觀測

變形觀測是原型觀測中較為重要的一部分，要對土工、混凝土、土壩等建筑物觀測水平位移和垂直位移、地基的固結(jié)沉降情況、伸縮縫的變形等 。

（2）滲透觀測

對于土壩類的滲透觀測，浸潤線的位置變化情況可以通過孔隙水壓力儀來確定，根據(jù)結(jié)構(gòu)形式、工程等級以及施工方法和地質(zhì)情況等定出觀測斷面，觀測斷面要能夠反應(yīng)出主要的滲流情況和問題可能發(fā)生的地點(diǎn)，根據(jù)斷面的大小確定測量點(diǎn)數(shù)。其他還包括滲流量的觀測、繞壩滲流觀測、壩基滲壓觀測、土壩孔隙水壓力觀測以及滲水透明度觀測。對混凝土建筑物的滲透觀測還要包括壩基場壓力觀測和混凝土內(nèi)部滲透滲透壓觀測。

（3）應(yīng)力與溫度觀測

以混凝土壩的觀測為例，通過在混凝土內(nèi)部埋設(shè)應(yīng)力應(yīng)變計(jì)和無應(yīng)力計(jì)，來觀測混凝土內(nèi)部因?yàn)闇囟?、濕度、化學(xué)變化以及應(yīng)力引起的總應(yīng)變。無應(yīng)力計(jì)主要用來量測溫度、濕度以及化學(xué)變化引起的應(yīng)變，總應(yīng)變減去這一部分就可以得到有荷載引起的應(yīng)變，換算成應(yīng)力，既可得出想要的結(jié)果。溫度對混凝土壩體也有重要的影響，溫度觀測要在壩體內(nèi)布設(shè)溫度計(jì)，在靠近壩體表面、在壩體鋼管、寬縫、伸縮縫等附近要加大測點(diǎn)的布設(shè)密度，和壩體周圍的水文地質(zhì)條件結(jié)合起來，對壩體內(nèi)部溫度的出合理的觀測處理。

（4）水流的觀測

主要對水流形態(tài)觀測，從而得出水流帶給建筑物的作用力，避免不利的水流影響。水流平面形態(tài)包括水流的流向、回流、旋窩、折沖水流、翻滾。觀測時(shí)從泄水建筑物開始向上下游兩端一直到水流正常的地方。對于高速水流，要著重觀測水流引起的振動(dòng)、壓力以及負(fù)壓進(jìn)氣量等，觀測數(shù)據(jù)可以提供寶貴的經(jīng)驗(yàn)資料，為維修維護(hù)建立有效的依據(jù)。

3、大壩安全監(jiān)測技術(shù)

水庫大壩的安全監(jiān)測，首先應(yīng)該設(shè)計(jì)科學(xué)的大壩安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，選擇合適的測點(diǎn)定時(shí)定點(diǎn)對大壩壩體和周邊地區(qū)進(jìn)行監(jiān)測，在洪澇季節(jié)，還應(yīng)該加強(qiáng)人工的觀察和巡查。對大壩安全監(jiān)測進(jìn)行科學(xué)的管理，及時(shí)對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)大壩存在的安全隱患。

3.1大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

水庫大壩的安全問題往往比較隱蔽，如果沒有科學(xué)的監(jiān)測系統(tǒng)和相關(guān)的儀器設(shè)備，有些細(xì)微隱變難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)，因此，建立一個(gè)科學(xué)合理的大壩安全監(jiān)測自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，顯得尤為重要。大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)首先應(yīng)該擁有相關(guān)的監(jiān)測儀器和設(shè)備，利用儀器對大壩進(jìn)行變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測和氣象水文監(jiān)測，同時(shí)，還應(yīng)充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，利用大壩安全監(jiān)測軟件和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將所監(jiān)測到的相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)自動(dòng)化反饋到計(jì)算機(jī)平臺(tái)上，為專家分析相關(guān)數(shù)據(jù)和資料提供方便。

（1）雨水情數(shù)據(jù)采集

前端RTU采集降水、庫水位等數(shù)據(jù)，并按整點(diǎn)或超限上報(bào)等方式上報(bào)給中心，中心的平臺(tái)軟件將數(shù)據(jù)匯入到水庫群監(jiān)測數(shù)據(jù)庫

（2）圖片拍照

前端RTU可通過攝像頭對現(xiàn)場定時(shí)拍照，并將圖片上報(bào)中心，中心平臺(tái)可將圖片、雨水情監(jiān)測量關(guān)聯(lián)查看，以準(zhǔn)確了解現(xiàn)場實(shí)情

（3）數(shù)據(jù)展示與分析

平臺(tái)可提供GIS地圖綜合數(shù)據(jù)展示、測站綜合數(shù)據(jù)管理、測站詳細(xì)監(jiān)測量管理等多種數(shù)據(jù)分析與展示方式，便于用戶快速了解相關(guān)信息，也可對某測站進(jìn)行深入分析

（4）通迅方式

中心與前端設(shè)備的通信以GPRS/CDMA通迅方式為主，短信備份為輔（北斗衛(wèi)星可定制）

（5）數(shù)據(jù)報(bào)表

庫水位、降水量等數(shù)據(jù)可以生成曲線及報(bào)表，支持打印輸出

（6）監(jiān)測站管理

中心平臺(tái)可對監(jiān)測站進(jìn)行遠(yuǎn)程管理，包括在線管理、自動(dòng)校時(shí)、參數(shù)配置、程序升級、日志查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、招測、蓄電池電壓告警等

3.2智能傳感器

這是一種將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一起的裝置，使其具有感知本能外，還具有認(rèn)知能力。這種儀器具有復(fù)合敏感功能，即能同時(shí)測量多種物理量和化學(xué)量，如美國加州大學(xué)智能傳感器可同時(shí)測量液體溫度、流速、壓力和密度;此外，傳感器還具有自補(bǔ)償和計(jì)算功能，自檢、自校、自診斷功能以及信息存儲(chǔ)和 傳輸功能。

3.3嚴(yán)格科學(xué)的管理

在大壩安全監(jiān)測的過程中，應(yīng)該建立合理的安全監(jiān)測管理系統(tǒng)。包括對測點(diǎn)的管理、儀器設(shè)備的管理、數(shù)據(jù)采集的管理、數(shù)據(jù)分析和安全診斷的管理、檔案資料的管理以及對大壩人工巡視的管理。不僅要加強(qiáng)人員的管理，還應(yīng)建立科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)。只有嚴(yán)格科學(xué)的管理，才能保證安全監(jiān)測程序的有效進(jìn)行，才能更好的保證大壩的安全。

3.4資料分析與安全診斷

首先應(yīng)該將儀器設(shè)備所監(jiān)測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時(shí)的整編，對數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、審查、報(bào)表和繪圖，再根據(jù)數(shù)據(jù)和資料，進(jìn)行大壩的表面沉降、深層沉降、裂縫和周邊縫等變形分析，以及滲流壓力、滲流量等滲流分析，利用大壩的安全分析評價(jià)系統(tǒng)，對大壩的安全性進(jìn)行診斷。

3.5利用視頻圖像監(jiān)控

視頻圖像作為大壩安全監(jiān)測的重要輔助手段，可以更好地了解和檢查大壩的工作狀態(tài)和運(yùn)行情況。建議有條件的工程建立大壩圖像監(jiān)視系統(tǒng)，主要是對大壩、地基、岸坡的關(guān)鍵部位及監(jiān)測設(shè)施建立圖像觀測點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將圖像傳輸?shù)奖O(jiān)測分站、總站或管理中心，進(jìn)行圖像監(jiān)視、顯示、錄制、回放，并對攝像設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)控。

4、結(jié)束語

從目前的現(xiàn)狀來看，在我國水庫大壩中，采用的自動(dòng)化技術(shù)，已經(jīng)有一套比較完善和成熟的開發(fā)建設(shè)模式，這樣不僅可以全面的指導(dǎo)安全監(jiān)測和除險(xiǎn)加固改造，還可以很大程度的提高安全監(jiān)測的水平和防洪和供蓄水能力，從而就能夠促進(jìn)水庫的健康穩(wěn)定發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]金峰，周宜紅.分布式光纖測溫系統(tǒng)在特高拱壩真實(shí)溫度場監(jiān)測中的應(yīng)用[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2015（4）：451-458.

[2]趙清，孫仁偉.新立城水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)改造[j].吉林水利，2011，（04）：21-22.