新建重力壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)設計與應用

張力鵬

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

某在建水庫位于山西省境內，水庫正常蓄水位為304.50m，死水位為298.00m，壩頂高程為306.50m，正常庫容為982萬m3，水庫總庫容為1080萬m3，死庫容為345萬m3，屬Ⅲ等中型水庫工程。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高為31.2m，最大壩寬為34.8m，壩頂軸線長度為180.9m，共分為12個壩段。壩址區(qū)地層主要為第四系和侏羅系中下統(tǒng)自流井組(泥巖、砂巖、粉砂巖以及頁巖)，未見斷層發(fā)育，在侏羅系中下統(tǒng)自流井組砂巖中發(fā)育有三組裂隙，整個壩址區(qū)巖體以弱透水性為主，地表水和地下水對混凝土均無腐蝕作用。壩址區(qū)多年平均氣溫為12.3℃，多年平均年降雨量為876.0mm。

2 安全監(jiān)測系統(tǒng)設計

2.1 設備選型

為實現(xiàn)大壩運行狀態(tài)全過程監(jiān)控，利用計算機、傳感器和信息采集處理技術構建大壩運行狀態(tài)自動化監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)由監(jiān)測儀器系統(tǒng)、監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)和安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)組成[1- 3]，可實現(xiàn)環(huán)境量監(jiān)測、變形監(jiān)測和滲流監(jiān)測，如圖1所示。

根據(jù)實用性、可靠性、先進性、標準化、經(jīng)濟性和可擴展性的原則，采用TS11全站儀、Sprinter 250M水準儀，LCF- 1強制對中基座以及B- 2水準標志對大壩變形進行監(jiān)測，采用VWD- 50J振弦式二向測縫計對大壩接縫變形進行監(jiān)測，采用BGK- 4500SR滲壓計對繞壩滲透壓力和大壩揚壓力進行監(jiān)測，采用BGK- 4675LV量水堰計對滲流量進行監(jiān)測，同時采用NCT3000測量控制單元對所有監(jiān)測儀器進行控制，并將數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和匯總。

圖1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成

2.2 系統(tǒng)安裝

大壩水平位移監(jiān)測主要采用強制對中基座和全站儀，監(jiān)測儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括工作基點2個、校核基點2個、測點12個(每個壩段布設1個)；大壩垂直位移監(jiān)測主要采用水準標志和水準儀，監(jiān)測儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括起測基點2個、水準基點3個、測點12個(每個壩段布設1個)；接縫變形監(jiān)測主要采用兩向測縫計，安裝在大壩廊道處，共安裝7組(分別在②和③、③和④、④和⑤、⑤和⑥、⑥和⑦、⑦和⑧、⑧和⑨壩段分縫處)共計14支；揚壓力監(jiān)測和繞壩滲流監(jiān)測均采用滲壓計，揚壓力共布設18個監(jiān)測點(12個壩段各布置1個，并在壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700各布設2個橫向觀測點)，均在壩基，而繞壩滲流共布設4個監(jiān)測點(左、右岸各2個)，均在壩肩；滲流量監(jiān)測采用量水堰計，兩組均布設在廊道中(左、右岸各布設1組)[4- 5]。

2.3 監(jiān)測頻率

大壩水平和垂直位移監(jiān)測頻率為1次/月，大壩外部接縫、裂縫變形監(jiān)測頻率為1次/月，大壩內部接縫、裂縫監(jiān)測頻率為1次/月～1次/季，繞壩滲流監(jiān)測頻率為1次/月，滲流量和揚壓力監(jiān)測頻率為1次/旬～2次/月[6- 8]。

3 監(jiān)測成果分析

3.1 表面變形

監(jiān)測得到的大壩水平和垂直位移基準值情況如圖2所示。從圖2中可知：靠河兩側的壩段水平位移為正，而中間壩段的水平位移為負，表明中間壩段偏離視準線下游方向，兩側壩段偏離視準線上游方向；由于各壩段接縫的存在，各壩段之間存在一定的高程差；由于工程還未正式蓄水，因此目前表面變形監(jiān)測值可作為今后大壩變形的基準值。

圖2 大壩表面變形監(jiān)測結果

3.2 接縫變形

不同壩段接縫處的接縫變形量統(tǒng)計結果如圖3所示。從圖3中可知：接縫最大變形量出現(xiàn)在4號監(jiān)測點(③和④分縫的4號監(jiān)測點)，為0.56mm；接縫最小變形量出現(xiàn)在13號監(jiān)測點(⑧和⑨壩段分縫的13號監(jiān)測點)，為-0.58mm；平均最大變形量為0.32mm，平均最小變形量為-0.51mm，最大變幅為0.78mm，最小變幅為0.22mm。大壩各測縫計測值無突變現(xiàn)象，變形量較小且均勻，總體上向閉合方向發(fā)展；大壩分縫開合度受溫度的影響較大，且呈負相關關系，當氣溫較高時，縫面呈閉合狀態(tài)，當溫度降低后，縫面呈張開狀態(tài)，因此各測點的接縫變形量最小值均出現(xiàn)在12月—次年2月這段時間。

圖3 接縫變形監(jiān)測結果

3.3 繞壩滲透壓力

監(jiān)測得到的繞壩滲流滲壓結果如圖4所示。從圖4中可知：在4個繞壩滲流監(jiān)測點中，右岸(3和4)監(jiān)測點的滲流水位略大于左岸，平均滲流水位分別為291.07、293.91、294.11和294.88m；由于水庫目前尚未正式蓄水，河道內水位在290m左右，大壩兩側繞壩滲流主要受地下水位的影響，與河道當前水位基本不相關，待水庫正式蓄水后，繞壩滲流會發(fā)生相應變化。

圖4 繞壩滲流監(jiān)測結果

3.4 大壩揚壓力

18個揚壓力滲壓計監(jiān)測結果如圖5所示。從圖5中可以看到：兩側壩段(1～3監(jiān)測點、10～12監(jiān)測點)的揚壓力要明顯大于中間壩段(4～9監(jiān)測點)的揚壓力；在橫向觀測斷面中，壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700的最大揚壓力(13～18監(jiān)測點)基本相等，但最小揚壓力和平均揚壓力則呈逐漸減小的變化特征，揚壓力的變化幅度逐漸增大；河床段揚壓力主要受河道水位的影響，而岸坡段的揚壓力受河道水位的影響較小，由于目前水庫尚未正式蓄水，因而滲壓計呈現(xiàn)滲透壓力逐漸消散的情況，壩基滲流情況需在正式蓄水后作進一步分析。

圖5 揚壓力監(jiān)測結果

3.5 滲流量

量水堰實測結果如圖6所示。從圖6中可知：水庫大壩左岸的滲流量大于右岸的滲流量，且變幅也較大；左岸最大滲流量為0.602L/s，平均滲流量為0.15L/s，右岸最大滲流量僅為0.055L/s，平均滲流量為0.041L/s，左岸平均滲流量約為右岸的3.65倍；由于水庫建成時間不長，還未正式蓄水，觀測時間較短，滲流量并沒有明顯規(guī)律，但總體來講，滲流量較小，可以認為壩基滲流正常。

圖6 滲流量監(jiān)測結果

4 討論

本工程采用的是滲流滲壓一體化自動監(jiān)測設備，可實現(xiàn)對水庫變形和滲流的實時監(jiān)測，由于水庫并未正式蓄水，因而地下水位對水庫大壩的滲流滲壓的影響較大，這也適用于本地區(qū)其他重力壩蓄水初期的變形和滲流滲壓監(jiān)測，同時可以推測后期影響滲流滲壓的主要因素將是庫區(qū)水位和地下水位，同時在系統(tǒng)監(jiān)測過程中不可忽視的一個重要影響因素是降雨，降雨量和降雨頻率的升高，必然會導致地區(qū)地下水位的上升，在這種情況下地下水位對大壩滲流滲壓的影響可能會大于庫區(qū)水位對滲流滲壓的影響，從而對大壩整體抗滑穩(wěn)定性造成危害，因此，在監(jiān)測過程中必須重視降雨時段數(shù)據(jù)的異常情況，設置合理的預警值和報警值，從而避免大壩發(fā)生潰壩的風險。

5 結語

利用計算機、傳感器和信息采集處理技術，構建重力壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)，得出如下結論：

(1)河床段重力壩的滲流滲壓主要受庫區(qū)水位升降的影響，而岸坡段滲流滲壓主要受地下水位的影響較大。

(2)大壩分縫開合度受溫度的影響較大，且呈負相關關系，當氣溫較高時，縫面呈閉合狀態(tài)，當溫度降低后，縫面呈張開狀態(tài)。

(3)左岸的滲流量略大于右岸，前者平均滲流量約為后者的3.65倍，但整體上滲流量均較小，表明壩基巖體較為完整。

(4)由于屬于新建水庫，還未正式蓄水，監(jiān)測資料還比較少，部分數(shù)據(jù)沒有表現(xiàn)出明顯規(guī)律，這將隨著進一步的觀測而逐漸完善；同時建議后期觀測過程中重點關注降雨時段滲流滲壓的變化情況。