響洪甸水庫大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施現(xiàn)狀分析及改進(jìn)

陳金干

(安徽省響洪甸水庫管理處，安徽 金寨 237335)

響洪甸水庫流域面積1 400 km2，總庫容26.1×108m3。設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)500年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)5 000年一遇，同時(shí)為淮河干流預(yù)留5×108m3蓄洪錯(cuò)峰庫容。水庫樞紐由大壩、溢洪道、新泄洪隧洞、老泄洪隧洞、發(fā)電廠等組成。大壩為等半徑定圓心混凝土重力拱壩，壩頂高程 143.4 m，大壩最大壩高87.5 m。水庫正常蓄水位128.0 m，設(shè)計(jì)洪水位140.98 m，校核洪水位143.37 m。

1963年發(fā)現(xiàn)左壩肩 F2斷層，1965年、1985年分別對(duì)F2斷層進(jìn)行設(shè)置排水孔、灌漿、設(shè)置監(jiān)測(cè)儀器處理，2009年除險(xiǎn)加固中增設(shè)了混凝土抗滑墩、斷層表面混凝土塞和237根單根錨桿鎖定值3000kN預(yù)應(yīng)力錨索。

1 大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施現(xiàn)狀及存在的不足

1.1 現(xiàn)有監(jiān)測(cè)設(shè)施

水庫大壩現(xiàn)有監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括環(huán)境量(水位、氣溫、水溫、降雨等)、變形監(jiān)測(cè)(大壩水平位移、垂直位移及壩體裂縫等)、滲流監(jiān)測(cè)(揚(yáng)壓力、壩基排水量、繞壩滲流)及混凝土溫度、F2斷層平硐監(jiān)測(cè)等項(xiàng)目。

(1)環(huán)境量監(jiān)測(cè)。主要有：水位監(jiān)測(cè)為浮子式自計(jì)水位計(jì)、水尺；水溫監(jiān)測(cè)采用安裝于15#壩段壩前的13支水溫計(jì)(2011年11月更換)；氣溫監(jiān)測(cè)為設(shè)立在壩頂及壩后工作橋的兩支自記溫度計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)( 2012年3月更換)；降雨量為自記雨量計(jì)監(jiān)測(cè)，從1977年開始監(jiān)測(cè)。

(2)變形監(jiān)測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)：響洪甸水庫分別在13#壩塊基巖、13#壩塊頂、右拱座、左拱座設(shè)置拱冠倒、拱冠正、右垂、左垂舊、左垂新5個(gè)水平位移觀測(cè)點(diǎn)。每個(gè)測(cè)點(diǎn)安裝CW-CG2型遙測(cè)垂線觀測(cè)儀1臺(tái)和人工觀測(cè)垂線坐標(biāo)儀1臺(tái)，觀測(cè)時(shí)采用兩臺(tái)光學(xué)讀數(shù)儀，進(jìn)行徑向和切向位移的觀測(cè)。

垂直位移監(jiān)測(cè)：共布置了40個(gè)測(cè)點(diǎn)，分別在壩頂、壩下游面壩后橋約86.5 m高程處7#-19#壩塊、23#壩塊下游壩腳布置了25個(gè)、13個(gè)、2個(gè)測(cè)點(diǎn)，每壩塊設(shè)1個(gè)監(jiān)測(cè)標(biāo)點(diǎn)，大壩垂直位移監(jiān)測(cè)網(wǎng)的校核水準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)在大壩下游約1 km處，公路旁設(shè)有3個(gè)基點(diǎn)，在壩上、壩下各設(shè)1個(gè)基點(diǎn)。

(3)滲流監(jiān)測(cè)。壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)：自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)共34個(gè)，并保留21支人工監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別布置在6#、9#-12#、14#、16#、18#和20#壩段。監(jiān)測(cè)方法:對(duì)于測(cè)壓管水位較高的，安裝壓力表進(jìn)行監(jiān)測(cè)；對(duì)測(cè)壓管水位低于管口的，用萬用表配合探棒測(cè)電阻法進(jìn)行測(cè)量，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是孔內(nèi)安裝滲壓計(jì)。

壩基滲漏量監(jiān)測(cè)：人工監(jiān)測(cè)壩基排水孔共61個(gè)，對(duì)排水孔用容積法施測(cè)，每月觀測(cè)一次。采用量水堰進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)壩基總滲流量。

繞壩滲流監(jiān)測(cè)：繞壩滲流自動(dòng)化監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)共22個(gè)，安裝BGK-4500S滲壓計(jì)22只，其中，右岸5個(gè)，左岸17個(gè)。

(4)壩體混凝土溫度監(jiān)測(cè)?；炷翜囟缺O(jiān)測(cè)共計(jì)28支溫度計(jì)。在15#壩塊內(nèi)的141.5 m、132.5 m、117.5 m、102.5 m高程分別布置3支混凝土溫度計(jì)，87.5 m和70.5m高程分別布置5支溫度計(jì)。在廊道9#、11#、14#3個(gè)壩塊各埋設(shè)2支電阻溫度計(jì)，深入基巖0.5 m～1 m。在大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化工程中，另安裝壩后保溫層溫度計(jì)6組12支，接入15#壩塊。

(5)壩縫監(jiān)測(cè)。共計(jì)安裝3向測(cè)縫計(jì)31套，2向測(cè)縫計(jì)21套。在壩后高程128 m的2#～23#壩塊接縫共布置2向測(cè)縫計(jì)21套，分別在壩后高程101 m的5#～21#壩塊接縫布置16套、廊道內(nèi)高程74.5 m的6#～20#壩塊接縫布置14套3向測(cè)縫計(jì)，同時(shí)于1#壩塊貫穿裂縫安裝3向測(cè)縫計(jì)1套，用于觀測(cè)裂縫變化。

(6)F2斷層監(jiān)測(cè)。包括①斷層溫度監(jiān)測(cè)。F2平硐溫度計(jì)5支，TP01～TP05。②引伸儀、剪切計(jì)、測(cè)縫計(jì)。引伸儀2只，其中長(zhǎng)引伸儀橫跨F2系列斷層，用以測(cè)量F2系列斷層的張合，并在其上安放了兩只電阻溫度計(jì)，用以溫度修正；短引伸儀橫跨F2-1斷層，用以測(cè)量F2-1斷層的張合。長(zhǎng)引伸儀精度0.1 mm，短引伸儀精度0.06 mm。剪切計(jì)安裝在F2-2斷層上下盤，用以測(cè)量F2-2斷層的剪切變形。2組3向測(cè)縫計(jì)，安裝在F2主斷層F2-1兩邊支洞上，用以測(cè)量F2-1X、Y、Z三向的變化規(guī)律。③多點(diǎn)位移計(jì)。多點(diǎn)位移計(jì)5組，由上至下貫穿F2斷層，觀測(cè)F2斷層變化。一組多點(diǎn)位移計(jì)共有4個(gè)錨頭，錨頭1深入巖體4 m，錨頭2深入巖體10 m，錨頭3深入巖體18 m，錨頭4深入巖體24 m。④錨索測(cè)力計(jì)。F2斷層錨索測(cè)力計(jì)共6支，分3個(gè)臺(tái)面布置，分別在高程115 m、125 m、135 m平臺(tái)上面。

1.2 大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施存在的不足

(1)響洪甸水庫大壩作為1級(jí)水工建筑物，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目基本完整，但缺少壩體表面水平位移監(jiān)測(cè)設(shè)施以及左岸邊坡的表面位移監(jiān)測(cè)設(shè)施。

(2)現(xiàn)有5套垂線裝置運(yùn)行環(huán)境潮濕，儀器銹蝕，部分設(shè)備缺少備品備件；觀測(cè)墩設(shè)計(jì)存在缺陷，不便于取電與觀測(cè)，維護(hù)保養(yǎng)困難；缺少防灰防潮設(shè)施。

(3)排水設(shè)施布置不合理，影響廊道內(nèi)美觀及安全性，且不便于監(jiān)測(cè)；揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)設(shè)施缺少自動(dòng)排氣裝置，存在讀數(shù)表量程選擇不合理等問題。

(4)F2斷層平硐因常年潮濕悶熱，原引伸計(jì)連接裝置和固定裝置等設(shè)備出現(xiàn)嚴(yán)重銹蝕，影響儀器觀測(cè)成果。

(5)大壩自動(dòng)化系統(tǒng)部分儀器設(shè)備、線纜等已損壞或測(cè)值異常。

(6)大壩監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中發(fā)現(xiàn)疑點(diǎn)或異常測(cè)值，需系統(tǒng)分析異常測(cè)值的成因，重新擬定重點(diǎn)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)控指標(biāo)。

(7)大壩安全監(jiān)測(cè)、閘門監(jiān)視監(jiān)控、水文自動(dòng)測(cè)報(bào)等自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行多年，為適應(yīng)水庫運(yùn)行管理工作需要，有必要進(jìn)行升級(jí)改造。

(8)沒有壩頂水平位移和左岸邊坡變形觀測(cè)設(shè)施。

2 大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施的完善

2.1 變形監(jiān)測(cè)設(shè)施

2.1.1 大壩表面位移監(jiān)測(cè)

為了全面監(jiān)測(cè)壩頂?shù)谋砻孀冃吻闆r，在大壩每個(gè)壩段的壩頂增設(shè)1個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)和1個(gè)垂直位移標(biāo)點(diǎn)，共24個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)和24個(gè)垂直位移標(biāo)點(diǎn)，并在大壩左右岸設(shè)置2個(gè)水平位移工作基點(diǎn)和2個(gè)水平位移校核基點(diǎn)。

2個(gè)水平位移校核基點(diǎn)分別設(shè)置在大壩左右岸山體上，測(cè)點(diǎn)布置位置應(yīng)滿足平面控制網(wǎng)精度要求和通視要求。

為了提高外觀變形工作效率、觀測(cè)精度和響應(yīng)速度，滿足全天候觀測(cè)的需要，特別是極端氣候條件下觀測(cè)的需要，新建測(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化觀測(cè)系統(tǒng)。

大壩壩頂弧長(zhǎng)367.5 m，弦長(zhǎng)307 m，采用1臺(tái)高精度測(cè)量機(jī)器人觀測(cè)方案可滿足精度要求。測(cè)量機(jī)器人采用0.5″級(jí)高精度全自動(dòng)全站儀，并配備相應(yīng)觀測(cè)軟件和分析軟件，安置在測(cè)量機(jī)器人站房的工作基點(diǎn)上，站房中配備有自動(dòng)視窗系統(tǒng)、防雷系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、安防系統(tǒng)、氣壓計(jì)、干濕溫度計(jì)、風(fēng)雨感應(yīng)器、空調(diào)、交換機(jī)、配電箱等設(shè)備，系統(tǒng)可根據(jù)需要定時(shí)觀測(cè)和實(shí)時(shí)召測(cè)。

2.1.2 大壩壩體傾斜監(jiān)測(cè)

由于原有步進(jìn)式垂線坐標(biāo)儀性能降低，將原有5個(gè)步進(jìn)式垂線坐標(biāo)儀更換為CCD光電式垂線坐標(biāo)儀，并對(duì)坐標(biāo)儀支架和基座進(jìn)行改造；增設(shè)5個(gè)可以防塵、防潮的防護(hù)罩，防護(hù)罩上開透明觀測(cè)窗，便于觀測(cè)垂線坐標(biāo)儀讀數(shù)。對(duì)原老化通訊線、電源線進(jìn)行更換，并用不銹鋼線纜保護(hù)管(線槽板)對(duì)線纜加以保護(hù)。

2.1.3 左岸邊坡表面變形監(jiān)測(cè)

在左岸邊坡滑坡體每個(gè)平臺(tái)各增設(shè)1個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)和1個(gè)垂直位移標(biāo)點(diǎn)，共3個(gè)水平位移標(biāo)點(diǎn)和3個(gè)垂直位移標(biāo)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)左岸邊坡表面變形，并將其納入大壩壩頂測(cè)量機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化觀測(cè)。

2.1.4 F2斷層平硐監(jiān)測(cè)

F2斷層平硐內(nèi)儀器出現(xiàn)不同程度銹蝕，引伸計(jì)銹蝕情況較嚴(yán)重，可能對(duì)后續(xù)監(jiān)測(cè)結(jié)果造成影響。為了保證儀器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行與數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠，對(duì)銹蝕較重的長(zhǎng)引伸計(jì)、短引伸計(jì)和三向測(cè)縫計(jì)連接裝置和固定裝置更換為不銹鋼材料。

2.2 滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研及評(píng)判，滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施更新主要包括：①采用壓力表監(jiān)測(cè)的儀表量程偏大，導(dǎo)致監(jiān)測(cè)精度降低，擬選擇35個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)每個(gè)測(cè)點(diǎn)的實(shí)際讀數(shù)選擇合適量程的高精度壓力表來提高測(cè)量精度；②現(xiàn)有量水堰堰槽存在一定安全隱患，除留出現(xiàn)有量水堰堰體滲流通道外，其余部位進(jìn)行砌筑封閉；③對(duì)采用壓力表監(jiān)測(cè)的測(cè)壓管，加裝15套自動(dòng)排氣裝置，防止人工排氣不及時(shí)、管道內(nèi)殘留空氣或真空等因素對(duì)揚(yáng)壓力測(cè)值準(zhǔn)確性的影響；④對(duì)73.5 m高程廊道中排水孔進(jìn)行更新改造，增設(shè)24套廊道排水孔排水裝置，將排水孔引伸至廊道靠上游側(cè)，同時(shí)取消排水孔蓋板，對(duì)原有廊道排水孔溝槽砌筑封閉；⑤對(duì)銹蝕嚴(yán)重，暴露在外的傳感器電纜線進(jìn)行更新，并用不銹鋼線纜保護(hù)管加以保護(hù)。

2.3 環(huán)境量監(jiān)測(cè)設(shè)施

原有水庫水溫計(jì)13支，均位于15#壩段壩前，原13支水溫計(jì)安裝于兩套保護(hù)管中，均有部分損壞。完善方案擬構(gòu)造一個(gè)溫度計(jì)豎井，井內(nèi)布置13支水庫水溫計(jì)，水溫計(jì)外用DN200熱鍍鋅鋼管加以保護(hù)，并用五芯電纜線接入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

3 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

3.1 自動(dòng)化采集設(shè)備系統(tǒng)改進(jìn)

3.1.1 更換增加數(shù)據(jù)采集單元

原有數(shù)據(jù)采集單元長(zhǎng)時(shí)間在惡劣環(huán)境下工作，部分測(cè)量模塊已失效或功能不穩(wěn)定，新增測(cè)量機(jī)器人等監(jiān)測(cè)設(shè)施。對(duì)失效或不穩(wěn)定的測(cè)量模塊進(jìn)行更換，并適當(dāng)新增測(cè)量模塊。

3.1.2 更換光端機(jī)

在大壩原光端機(jī)所在部位布置1個(gè)發(fā)射光端機(jī)，在機(jī)房布置1個(gè)接收光端機(jī)。響洪甸水庫共需1個(gè)發(fā)射光端機(jī)，1個(gè)接收光端機(jī)，光端機(jī)均應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。

3.1.3 更換MCU保護(hù)箱

在每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元集或儀器電纜測(cè)量端集中點(diǎn)，布置保護(hù)箱，要求保護(hù)箱具有防潮、防腐蝕、接地等功能，保護(hù)箱內(nèi)放置防雷、供電及光端機(jī)等設(shè)備，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，設(shè)置3套保護(hù)箱。

3.2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與通信系統(tǒng)

(1)服務(wù)器、客戶端設(shè)備升級(jí)。現(xiàn)有的安全監(jiān)測(cè)服務(wù)器和客戶端計(jì)算機(jī)已經(jīng)運(yùn)行多年，硬件配置已經(jīng)不滿足應(yīng)用需求。根據(jù)需要更新2臺(tái)客戶端計(jì)算機(jī)、增購(gòu)2臺(tái)移動(dòng)工作站和1臺(tái)服務(wù)器。

(2)網(wǎng)絡(luò)安全升級(jí)。改造內(nèi)容包括新增網(wǎng)絡(luò)防火墻、更新管理處機(jī)房現(xiàn)有的路由器、核心交換機(jī)和接入交換機(jī)，并且按照規(guī)定要求設(shè)置網(wǎng)絡(luò)訪問策略，保證局域網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)安全。

3.3 大壩安全管理信息系統(tǒng)

結(jié)合工程情況和相關(guān)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)大壩安全進(jìn)行監(jiān)管，功能包括大壩安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、大壩安全評(píng)估、巡視檢查等方面，主要功能貫穿于水庫大壩安全監(jiān)測(cè)和管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮響洪甸水庫即將建設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)化管理系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、分析評(píng)估、巡視檢查等業(yè)務(wù)必須滿足標(biāo)準(zhǔn)化管理的要求，并且預(yù)留與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的接口，形成一套滿足響洪甸水庫大壩安全監(jiān)管業(yè)務(wù)需求的業(yè)務(wù)管理平臺(tái)。

3.3.1 功能框架

包含有水庫大壩一張圖、基本信息、大壩安全監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析、大壩安全評(píng)估和系統(tǒng)管理等功能，系統(tǒng)的主要功能結(jié)構(gòu)詳如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 系統(tǒng)功能

(1)水庫大壩一張圖。借助于地理信息系統(tǒng)(GIS)，在一張地圖上展示水庫各類監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的位置關(guān)系、數(shù)據(jù)信息和統(tǒng)計(jì)信息，結(jié)合圖形、表格、熱點(diǎn)、氣泡等表現(xiàn)方式，充分實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化、形象化，將水庫的主要信息進(jìn)行集中展示。

(2)基本信息?；拘畔⒉樵冎饕糜谒畮煨畔⒌脑诰€查詢、查看，主要包括水庫的工程概況、地理位置、管理機(jī)構(gòu)及人員、水庫概況、水庫特性、工程面貌、工程信息、管理法規(guī)以及水庫下游防護(hù)對(duì)象的社會(huì)經(jīng)濟(jì)情況等，主要采用直觀、清晰的地圖、圖形表格以及簡(jiǎn)要文字等方式。

(3)大壩安全監(jiān)測(cè)。大壩安全監(jiān)測(cè)模塊主要用于針對(duì)水庫大壩安全監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行集中管理分析，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)整編，提供數(shù)據(jù)查詢、特征值查詢，并記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的超限記錄情況，查看過程變化趨勢(shì)，形成滿足需求的圖形報(bào)表。系統(tǒng)還提供安全巡視檢查記錄輸入，可以形成巡檢報(bào)告?？梢詮臄?shù)據(jù)庫中自動(dòng)抽取數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整編，對(duì)大壩安全運(yùn)行情況做出評(píng)價(jià)，自動(dòng)生成綜合管理報(bào)告。

大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

(4)大壩安全分析評(píng)價(jià)。大壩安全評(píng)估主要根據(jù)當(dāng)前水庫本期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和歷時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過數(shù)值計(jì)算和分析，計(jì)算大壩各項(xiàng)安全指標(biāo)，預(yù)測(cè)大壩各監(jiān)測(cè)分量發(fā)展趨勢(shì)。

4 結(jié)束語

水庫大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施是監(jiān)控大壩運(yùn)行的眼睛，它能及時(shí)反映水庫大壩的運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)水庫大壩安全管理至關(guān)重要。根據(jù)新時(shí)代水庫管理現(xiàn)代化智能化的新要求，目前，響洪甸水庫管理處正在對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施完善提出方案。本文提出的大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施改造方案，給響洪甸水庫大壩安全監(jiān)測(cè)設(shè)施改造提供思路和參考。