碧流河水庫大壩安全監測自動化系統的運行情況分析

曹 洪

(大連市碧流河水庫管理局，遼寧大連116000)

大壩是水庫的主要水工建筑物，其類型按建筑材料可分為土石壩和混凝土壩2類。其中土石壩占水庫總數的95%以上，由于土石壩是散粒體結構，壩體的分析具有一定難度。壩體滲流和壩基、壩體滲透壓力等重要參數是進行大壩安全穩定性分析的基礎信息，及時獲取尤為重要［1－2］。

大壩安全自動化監測是確保大壩安全的最主要的非工程措施，在大壩工程設計、施工建設和運行管理中是不可或缺的。

1 碧流河水庫工程簡介

碧流河水庫為大連市主水源地，位于碧流河干流上，水庫控制流域面積2 085 km2，是一座以城市供水為主，兼有發電、灌溉、養魚、防洪等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程，總庫容9.34億m3。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級別為2級。防洪標準為500 a一遇洪水設計，設計洪水位 71.00 m，10 000 a一遇洪水校核，校核洪水位72.60 m。主要建筑物包括主壩、三座副壩、放水洞、輸水洞、壩后電站等，主壩為混合壩型，由堆石壩段、混凝土重力壩段、瀝青混凝土心墻土壩段組成，最大壩高53.5 m。

通過理論研究，結合實際工程監測施工設計，應用現代電子理論方法對監測系統的系統結構、計算機監測軟件、傳感器等方面進行了優選研究［3］。碧流河水庫大壩安全監測自動化系統由加方大壩安全監測自動化系統和中方大壩安全監測自動化系統兩部分組成。加方大壩安全監測自動化系統于1995年設計，1997年10月份開始安裝、調試，并于同年12月份完成并投入到碧流河水庫的大壩安全監測工作之中;中方大壩安全監測自動化系統始建于1995年，為巡檢SRB監測系統;1997年進行了更新改造，升級為MCU監測系統;2005年10月更新換代成DAMS－IV型智能模塊化結構分布式監測自動化系統，同年12月投入使用。

2 碧流河水庫加方大壩安全監測自動化系統

碧流河水庫加方大壩安全監測系統所采用的監測設備、2380數據采集系統及作圖軟件均由加拿大ROCTEST公司提供的，主要進行大壩變形監測、滲流監測和其它監測。各項監測數據存儲在各自的測控單元(MCU)中，主機應用數據采集系統將監測數據傳入計算機后，再進行數據處理及分析。各項監測均可進行人工比測，來確定自動監測數據的真實、準確與可靠性。

2.1 碧流河大壩變形監測系統

碧流河大壩變形監測系統由壩體裂縫監測和壩體傾斜監測組成。壩體裂縫監測所采用的儀器為測縫計，記為(C－1～C－13);壩體傾斜監測采用的儀器為靜力水準儀，記為(Diff lev)。自1997年12月份運行以來，裂縫監測只有C－7、C－8測值年變化較大，但最大變化量≤3 mm，其余各處變化量均＜1 mm，這一變化是受庫水位、水溫及其他因素的影響，總的來看，變化較小，認為裂縫較為穩定，沒有很大的發展;壩體傾斜監測的測值經計算所得的的最大傾角為0°0'28″。

2.2 碧流河大壩滲流監測系統

碧流河大壩滲流監測由大壩左、右岸繞壩滲流監測、壩基揚壓力監測、一副壩浸潤線監測、二副壩滲流監測和壩體滲流量監測組成。大壩左、右岸繞壩滲流監測(RB－1A～RB－12A)、壩基揚壓力監測(Y1～Y12)、一副壩浸潤線監測(K1－A～K8－A)、二副壩滲流監測(S1a～S7a)均采用振弦式滲壓計;壩體滲流量監測(US－1～US－3)采用超聲波水位計。左、右岸繞壩滲流監測中，經簡單分析認為各繞滲監測點處均有不同程度的繞壩滲流，繞壩滲流大小受到庫水位、所處位置的地質條件等因素的影響;揚壓力監測除左連接段的Y14～Y16滲壓系數較大，主要是地質條件較差所引起的，因為該幾處位于F101和F32兩大斷層處，雖然滲壓系數較大，但到目前為止均小于允許的最大滲壓系數0.3，其余各處滲壓系數均較小。一副壩浸潤線監測也能真實反映出其壩體的滲流狀況;壩體滲流量監測反映出了壩體在雨前、雨后的滲流情況，也說明了壩體的滲流情況。

2.3 其他監測系統

其他監測包括庫水溫監測，上、下游庫水位監測，氣溫、氣壓和降雨量等的監測。下游庫水位監測(LIM)采用振弦式滲壓計;上游庫水位監測采用編碼盤(ENC－1);氣壓(BAR)、雨量(RG－1)監測分別采用氣壓計和雨量計。庫水溫監測(WT1－A～WT1－C)反映出庫水溫呈現以年為周期的周期性變化，且清楚地表現出夏季水溫上部高于下部，冬季庫水溫上部低于下部，中間過渡期，水溫相差不大;氣壓監測只是對滲流監測進行相應的修正;上、下游庫水位監測、氣溫和降雨量的監測是作為資料分析所必要的環境量。

3 碧流河水庫中方大壩安全監測自動化系統

碧流河水庫中方大壩安全監測自動化系統主要是進行大壩變形監測，系統中的自動化監測儀器均由南瑞(NARI)大壩監測技術研究所研制。所運用的數據采集系統及作圖軟件也是由他們提供。自動化變形監測系統主要進行壩體的水平位移和撓度監測。

3.1 主壩水平位移監測

大壩變形監測系統是運用監測設備連續定期測量大壩在水平方向上的位置變化。規定向下游方向移動為正，向上游方向移動為負。水平位移監測系統由4條引張線和22臺垂線坐標儀及1臺變位計組成，其中2條引張線位于主壩壩頂，另外2條引張線位于大壩基礎廊道中。

碧流河水庫主壩壩頂引張線由29臺編號為EX01～EX21和EX23～EX30單向引張線儀組成。壩長708.5m，如果采用1條引張線，由于引張線線體過長，竄風等因素影響使線體產生晃動，導致測值不穩定，不能正確的反映大壩的運行狀況，對資料分析也會產生影響。在反復論證后，采用在主壩壩頂將1條引張線分為2條引張線。由EX01～EX21單向引張線儀組成其中的1條引張線，通過位于壩右岸的量距儀SD01和倒垂線儀TP01、倒垂線儀TP05進行控制觀測;由EX23～EX30單向引張線儀組成另一條位于壩頂的引張線，由位于壩左岸的量距儀SD01和倒垂線儀TP02、倒垂線儀TP05控制觀測(其中倒垂線儀TP05、量距儀SD01均位于17#壩段)。

廊道中有2條引張線，1條位于土壩廊道中，由4臺儀器編號為ES01～ES04單向引張線儀組成，引張線2個端點分別由編號為TD01和TD03雙向垂線儀器控制觀測。另外1條長為267.15 m的引張線位于混凝土壩段的灌漿廊道，由16臺單向引張線儀儀器編號為EX31～EX46組成，其左端由倒垂線儀器TP03(倒垂線位于17#壩段中)控制觀測，右端固定于廊道的基巖中。

所有的引張線儀均為電容感應式變形儀器。采用比率測量技術的測量單元，通過對各測點進行垂直于偏離基準線的變化量的測定，測出測點相對于引張線的變化，通過計算求得各測點的水平位移變化量。

材質為不銹鋼鋼絲的引張線是通過中間極(遙測RY型電容式引張線儀)與兩塊極板(位于測點儀器底板)測量大壩水平位移的。當水平位移測點位置變化時兩極板與中間極之間隨之發生相對位移，引起中間極與兩極板間電容比值變化，引張線的位移就是通過測量電容比確定的。

系統運行原理:

計算機工作組、數據采集單元(DAU)、通訊網絡、信息管理軟件及傳感器是組成DAMS－IV型智能模塊化結構分布式監測自動化系統的五大部分。在系統中，傳感器安裝在需要監測的部位，數據采集單元對傳感器進行數據采集;監控主機對整個數據采集系統進行管理，可隨時通過DAU進行數據采集，也可定時進行數據采集。各個數據采集單元(DAU)之間采用RS－485現場總線通訊(本工程的通信介質為4目單模光纜)及2芯220 V電源線相連接。每個數據采集單元由若干個不同類型的智能采集模塊(NDA)、通信模塊和電源部件組成，并配有防雷、防潮及浮充蓄電池供電等部件。智能采集模塊具有獨立的CPU、時鐘、數據存儲、數據通信等功能。

該變形系統運行至今，監測數值真實、可靠。水平位移主要受溫度、庫水位(水壓力)等因素的影響。運行以來壩頂、混凝土壩廊道和土壩最大值分別為8.27、1.0 mm和1.0 mm。

3.2 主壩壩體撓度觀測

碧流河水庫主壩撓度觀測通過雙向垂線坐標儀和6臺單向垂線坐標儀，對混凝土壩及土石壩壩體內垂直線上不同高程測點與倒垂線之間的水平位移進行連續定期監測。碧流河水庫大壩的自動化撓度監測是通過兩組正垂線和3條倒垂線進行的。土石壩的1#和2#豎井中分別布置了一組正垂線，由1#豎井中倒垂線儀TD1控制監測單向垂線坐標儀(PL03～PL08);由2#豎井中倒垂線儀TD3控制監測單向垂線坐標儀(PL09～PL14)。混凝土壩的撓度觀測是通過位于混凝土壩17#壩段中的倒垂線上安裝的3臺雙向垂線坐標儀(TP03～TP05)進行。

4 小結

碧流河水庫大壩安全監測自動化系統運行至今，整體運行良好，各項監測數據真實、可靠，為水庫大壩安全監測提供了大量寶貴的資料，該項大壩安全監測真正起到了大壩的耳目作用，也為水庫運行管理和科學調度提供了可靠的依據。

［1］劉奇，高永超，何維民.論棋盤山水庫大壩安全監測自動化系統技術研究［J］.現代農業科技，2009(07):280 －282.

［2］朱盟.大伙房水庫大壩安全監測自動化系統技術研究［J］.現代農業科技，2007(23):220 －222.

［3］潘偉暉，何建新.淺談磨子潭水庫大壩安全監測自動化系統建設［J］.治淮，2007(08):36－38.