泰安大河水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)分析

孫雪琦，卞俊威，崔文戈

（1．山東省水利科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250014；2.沂南縣水利工程保障中心，山東 沂南 276300）

水庫(kù)在防洪、供水、發(fā)電、灌溉、環(huán)境生態(tài)等方面發(fā)揮著巨大作用，有著明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益，水庫(kù)的安全也關(guān)系到下游地區(qū)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展和廣大人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。大壩是水庫(kù)的關(guān)鍵性構(gòu)造，受到季節(jié)、環(huán)境等因素影響，常要面臨巨大的水流壓力，大壩的各種結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題也成為了水庫(kù)最大的安全隱患。水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是水利工程管理工作中的一項(xiàng)重要工作。通過(guò)建立該系統(tǒng)可及時(shí)掌握閘壩位移等安全指標(biāo)和運(yùn)行狀況，為工程調(diào)度運(yùn)行提供可靠的依據(jù)，提高大壩的安全度。因此，在原有監(jiān)測(cè)設(shè)施的基礎(chǔ)上，更新完善水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是十分必要的。

1 工程概況

大河水庫(kù)位于岱岳區(qū)粥店辦事處二十里埠村，旅游經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)腹地，坐落于大汶河水系泮汶河上游，控制流域面積84.53 km2，是一座以發(fā)電供水為主，兼顧防洪和城市供水功能的中型水利（樞紐）工程。

大河水庫(kù)樞紐工程主要為攔河壩、溢洪道、放水洞。其中攔河壩總長(zhǎng)773 m，分主壩和副壩兩段，主壩總長(zhǎng)460 m，最大壩高22.0 m，副壩長(zhǎng)313 m，最大壩高7.3 m，為均質(zhì)土壩，壩頂寬8 m，壩后為天平湖公園。溢洪道位于攔河壩右岸，為正槽式，底凈寬45.7 m，堰凈寬37.5 m，堰頂高程157.5 m，消能方式底流消能，水閘共有5 孔，設(shè)計(jì)泄洪流量1 413 m3/s（P=1%），為開(kāi)敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，平面鋼閘門(mén)控制。

2 大壩變形安全監(jiān)測(cè)存在問(wèn)題

水庫(kù)大壩和溢洪閘安全管理是水庫(kù)運(yùn)行管理的核心工作，水庫(kù)閘壩變形監(jiān)測(cè)作為水庫(kù)安全管理的重要內(nèi)容，是及時(shí)發(fā)現(xiàn)安全隱患、掌握閘壩安全狀態(tài)的最有效手段。目前，大河水庫(kù)閘壩的變形監(jiān)測(cè)設(shè)施不完備，已建監(jiān)測(cè)設(shè)施存在設(shè)備老化、技術(shù)落后、數(shù)據(jù)失準(zhǔn)的現(xiàn)象，這給大壩安全管理帶來(lái)嚴(yán)重的安全隱患。主要問(wèn)題包括以下幾個(gè)方面：

2.1 監(jiān)測(cè)設(shè)施不完善

溢洪閘沒(méi)有安裝變形監(jiān)測(cè)設(shè)施，壩體變形監(jiān)測(cè)采用定期人工監(jiān)測(cè)方式，監(jiān)測(cè)水平落后，缺乏必要的自動(dòng)化觀(guān)測(cè)設(shè)備，在數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)的實(shí)時(shí)性和連續(xù)性方面有所欠缺，不能滿(mǎn)足水庫(kù)現(xiàn)代化管理的需要。

2.2 監(jiān)測(cè)功能較為單一

大壩位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能比較單一，僅僅實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、報(bào)表、曲線(xiàn)等功能，缺少必要的數(shù)據(jù)分析、資料整編等功能，軟件大多基于C/S 開(kāi)發(fā)，只能在特定的電腦進(jìn)行操作，應(yīng)用不便捷。

2.3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置不合理

大河水庫(kù)建設(shè)年代久遠(yuǎn)，已有的監(jiān)測(cè)設(shè)施和監(jiān)測(cè)點(diǎn)所測(cè)數(shù)據(jù)已不能反映大壩位移變化情況，從而對(duì)大壩運(yùn)行帶來(lái)一定的安全隱患。

3 大壩變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)施設(shè)計(jì)

3.1 設(shè)計(jì)原則

1）科學(xué)規(guī)劃，分步實(shí)施。按照“科學(xué)規(guī)劃、規(guī)范設(shè)計(jì)、完善功能、滿(mǎn)足需求、分步實(shí)施、節(jié)約投資”的指導(dǎo)思想，搭建技術(shù)先進(jìn)、功能完善的系統(tǒng)基礎(chǔ)框架，可根據(jù)需求的緩急程度及資金狀況分布實(shí)施，既滿(mǎn)足管理需要，又避免了重復(fù)投資造成的浪費(fèi)。

2）統(tǒng)籌兼顧，突出重點(diǎn)。系統(tǒng)建設(shè)要圍繞水庫(kù)安全管理中心工作，完善物聯(lián)感知、提升基礎(chǔ)保障、完善業(yè)務(wù)應(yīng)用、強(qiáng)化數(shù)據(jù)分析功能、改善資料整編、建立運(yùn)行維護(hù)體系等，同時(shí)堅(jiān)持統(tǒng)籌兼顧、急用先建，逐步推進(jìn)水庫(kù)運(yùn)行安全體系建設(shè)。

3）統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)、資源共享。標(biāo)準(zhǔn)和安全是信息化建設(shè)的重要保障，加快推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化建設(shè)，全面推進(jìn)水庫(kù)信息資源的交互共享，打破信息壁壘，消除信息孤島，深入挖掘海量信息資源價(jià)值，提升信息資源利用效率和應(yīng)用能力，支撐和促進(jìn)信息資源的廣泛共享和深度開(kāi)發(fā)。

4）技術(shù)創(chuàng)新、先進(jìn)適用。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的日新月異，應(yīng)堅(jiān)持開(kāi)發(fā)和應(yīng)用高新技術(shù)，包括物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)等，在大壩運(yùn)行管理方面能更及時(shí)、客觀(guān)的獲得數(shù)據(jù)和信息，更準(zhǔn)確、高效的預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和預(yù)警等，更好服務(wù)于經(jīng)濟(jì)社會(huì)全面、可持續(xù)發(fā)展的科學(xué)決策。

5）建管并重，保障到位。在確保系統(tǒng)建設(shè)質(zhì)量、進(jìn)度和安全的同時(shí)，進(jìn)一步理順管理體制，明確管理職能，落實(shí)管護(hù)經(jīng)費(fèi)，加強(qiáng)工程管護(hù)，通過(guò)統(tǒng)籌建設(shè)、集中管理、持續(xù)維護(hù)，確保系統(tǒng)建設(shè)的整體效益和可持續(xù)性。

3.2 監(jiān)測(cè)原理

壩體、溢洪閘變形監(jiān)測(cè)基點(diǎn)選建在位于壩體附近穩(wěn)定基巖之上，可視為“不動(dòng)點(diǎn)”，當(dāng)壩體、溢洪閘發(fā)生變形時(shí)，變形監(jiān)測(cè)跟隨樁隨之變化，安裝在跟隨樁上的水利設(shè)施變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到相對(duì)監(jiān)測(cè)基點(diǎn)的垂直和水平變化量。水利設(shè)施變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端的原理主要分為以下幾個(gè)方面：

1）針對(duì)壩體、溢洪閘的垂直位移監(jiān)測(cè)，采用傳統(tǒng)的靜力水準(zhǔn)原理，利用高精度激光測(cè)量技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)壩體、溢洪閘等設(shè)施的垂直位移的高精度測(cè)量，測(cè)量精度±1 mm，原理可靠，運(yùn)行穩(wěn)定，安裝方便。

2）針對(duì)壩體、溢洪閘的水平位移監(jiān)測(cè)，采用引張線(xiàn)原理或GNSS 衛(wèi)星定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)壩體、溢洪閘等設(shè)施的水平位移測(cè)量，測(cè)量精度±3 mm。

3）針對(duì)壩體滑坡和溢洪閘的傾斜位移監(jiān)測(cè)，采用三軸陀螺傾角測(cè)量技術(shù)，結(jié)合智能芯片技術(shù)，將傾角進(jìn)行位移換算，從而得出側(cè)方位移量，用以監(jiān)測(cè)壩體、溢洪閘等設(shè)施的傾斜與滑坡。

3.3 設(shè)計(jì)方案

1） 監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)。在水庫(kù)主壩0+100、0+200、0+300、0+400、放水洞斷面設(shè)5 個(gè)橫斷面，與大壩后壩肩及后壩坡2/3 高程處的兩個(gè)縱斷面交匯點(diǎn)，各縱向監(jiān)測(cè)斷面上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間的間距小于100 m，并嚴(yán)格控制在同一高程上，按《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551-2012）要求，施工建設(shè)壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)10 個(gè)。在溢洪閘1 個(gè)中墩、兩側(cè)邊墩上游和下游兩端同一高程處，各設(shè)立一處監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置溢洪閘變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)6 個(gè)。

2）監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)計(jì)。沉降位移監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在監(jiān)測(cè)區(qū)附近周邊地質(zhì)條件較好的地區(qū)，按《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（SL551-2012） 的要求，與監(jiān)測(cè)點(diǎn)同一高程處施工建立2 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，溢洪閘變形監(jiān)測(cè)基點(diǎn)可與同一高程的壩體變形監(jiān)測(cè)基點(diǎn)共用。

監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)建在壩頭附近的基巖上，或者在壩頭附近的基巖相對(duì)淺的位置，采用“鉆孔水泥注樁”的方式，建設(shè)變形監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。

3）系統(tǒng)組網(wǎng)、通訊設(shè)計(jì)。安裝于壩體變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和溢洪閘變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水利設(shè)施變形遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端，與安裝于壩體兩變形監(jiān)測(cè)縱斷面和溢洪閘變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)的三個(gè)“無(wú)線(xiàn)通信管理網(wǎng)關(guān)”，分別組成三個(gè)“無(wú)線(xiàn)局域”，各變形監(jiān)測(cè)終端通過(guò)“物聯(lián)網(wǎng)”和“管理網(wǎng)關(guān)”將數(shù)據(jù)傳送到數(shù)據(jù)庫(kù)。

4）供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)?；鶞?zhǔn)站和觀(guān)測(cè)站采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。包括太陽(yáng)能電池板、蓄電池、太陽(yáng)能控制器，以及其他配件，對(duì)于太陽(yáng)能電池板功率，電池容量需要根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀缶纸o出的標(biāo)準(zhǔn)天氣情況具體確定。太陽(yáng)能供電時(shí)，需根據(jù)當(dāng)?shù)氐娜照諘r(shí)間、最長(zhǎng)陰雨天氣來(lái)配置太陽(yáng)能電池板大小以及蓄電池容量。確保蓄電池能夠持續(xù)給設(shè)備供電。電池板制作安裝支架，朝向正南，傾角在20°～45°之間，根據(jù)當(dāng)?shù)靥?yáng)高度角來(lái)確定。注意不要有任何遮擋，視情況定期清潔太陽(yáng)能板。電線(xiàn)走線(xiàn)盡量選用國(guó)標(biāo)；太陽(yáng)能板接線(xiàn)要牢固，裸露在外面的線(xiàn)要穿管，推薦PVC 管，可以彎折走線(xiàn)，美觀(guān)而且耐用。蓄電池正負(fù)極不要短接，用地埋箱安裝，接口處做好防水處理，用防水膠帶裹一層再用絕緣膠帶綁扎好。根據(jù)監(jiān)測(cè)站設(shè)備的功耗計(jì)算，現(xiàn)場(chǎng)需配置太陽(yáng)能板和蓄電池。

5）系統(tǒng)防雷與接地設(shè)計(jì)。由于監(jiān)測(cè)基點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)均處于室外，因此其防雷與接地尤顯重要，主要從防直接雷和感應(yīng)雷兩個(gè)方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。系統(tǒng)除直接利用工程的防雷和接地設(shè)施外，還應(yīng)滿(mǎn)足如下要求：

監(jiān)測(cè)設(shè)備的感應(yīng)避雷防護(hù)，應(yīng)設(shè)置天線(xiàn)饋線(xiàn)和電源線(xiàn)的感應(yīng)避雷器，避雷器必須接地良好，接地電阻小于4 Ω；各測(cè)點(diǎn)與大壩接地網(wǎng)相連，附近如就近無(wú)接地網(wǎng)可用，需單獨(dú)設(shè)置接地網(wǎng)；避雷針針尖高度應(yīng)高過(guò)GNSS 天線(xiàn)2.5 m 以上；接地網(wǎng)采用角鋼和扁鐵制作，地極埋地深度大于1 m，引下線(xiàn)應(yīng)該采取必要的防腐和絕緣措施，并且距離監(jiān)測(cè)設(shè)備30 cm 以上；避雷針基座成網(wǎng)形布置，并與接地網(wǎng)焊接。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)水庫(kù)大壩安全自動(dòng)化管理中變形監(jiān)測(cè)的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)探究。閘壩變形自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過(guò)對(duì)壩體、溢洪閘和放水洞的位移、滑坡、傾斜等參數(shù)實(shí)時(shí)測(cè)量，對(duì)閘壩穩(wěn)定性、應(yīng)力和變形進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)算，得出其變形趨勢(shì)，并對(duì)其所處的安全狀態(tài)做出數(shù)據(jù)分析，有效保證水庫(kù)的安全運(yùn)行。