談土石壩滲流監測自動化設計及工程應用

胡國平

(江西省水利科學研究院，江西南昌 330029)

1 概述

調查表明，在以往失事的土石壩中，30%～40%是直接由滲流破壞造成的，而大壩滲流監測方法落后、人工監測不及時、監測數據不準確、不能及時發現壩體隱患等是其失事主要原因之一，因此先進的大壩滲流監測方法和技術在工程中的地位顯得日益重要，我國相關的規程、規范都對土石壩的滲流監測有著詳盡的闡述和規定，滲流監測現已是中型及以上水庫土石壩除險加固環節中的必測項目［1］，并隨著現代計算機技術的進步，已逐步向自動化監測的方向發展。

2 滲流監測目的

滲流監測設計的目的是設計一套監測系統，通過監測獲取大壩滲流、滲透壓力等重要參數，掌握大壩的工作性態，實現對其在線、實時監控，為實施大壩安全預警和制定應急預案提供基礎;通過分析監測數據的變化規律和有無異常現象，判定大壩的安全與否，分析異常原因和發展趨勢，為項目管理者提供技術保障，為其制定適宜的大壩加固方案和運行管理計劃;通過分析整理各監測物理量的規律，驗證原設計及原除險加固措施，科學指導施工，同時為科研提供必要的資料。

3 滲流監測設計基本原則

1)安全監測的范圍。

大壩安全監測范圍包括壩體、壩基、壩肩，以及對大壩安全有重大影響的近壩區岸坡和其他與大壩安全有直接關系的建筑物和設備［2］。具體可以分為壩體滲流壓力及浸潤線、壩基滲流壓力、繞壩滲流監測等幾個方面。

2)項目布置及基本原則。

大壩滲流監測是一門需要不斷研究探索的學科，它要求設計人員必須具備較廣博的知識，既要精通壩工理論和設計工作，又要對監測儀器和設備的性能有充分的了解，特別是要及時掌握現代快速發展的自動化監測系統的硬軟件設備的知識，并要求設計人員有較豐富的安全管理經驗。一個成功的監測設計者不僅要能充分領會設計和施工中的關鍵問題，還要能盡量估計出大壩在今后的運行中可能出現的問題，選擇適宜的監測方法，恰到好處地布置相應的監測設備，以最少的費用投入，獲得最大的實際效益［3］。同時還要兼顧到監測系統的靈活性和可擴充性，以備在運行期間根據需要加以改造和完善。為確保大壩滲流安全監測系統達到預期，其基本原則可概括為:要保證自動化系統軟硬件的可行性、可靠性、實用性與先進性;滿足信息發布和資源共享等信息化要求，使數據采集、數據傳輸、數據處理和分析實現全自動化要求;具有故障診斷功能和可靠的安全性能;應滿足規范要求并考慮工程實際情況監測點布置，監測點既要有代表性，又要有連續性。監測儀器設備的選型既要有安全性又要有經濟性;監測項目在設計時應該有重點地進行，在施工期和運行期應區別對待。

4 滲流監測系統

1)監測儀器的選用。應根據大壩實際情況(土體特性及埋設條件等)而選用適宜土石壩滲流監測儀器及設備，目前對大中型水庫大壩監測儀器主要是振弦式滲壓計，尤其是采用自動化監測系統的水庫。振弦式滲壓計(孔隙水壓力計)其原理是土隙有壓水作用于承壓膜上而引起鋼弦應力變化，將感應到的振動頻率信號傳送出來，以便采取監測數據。采用高靈敏度固態壓阻式壓力傳感器構成，用不銹鋼外殼封裝，在內部基片上有激光刻蝕的溫度補償電阻，溫度特性好，可在0℃ ～50℃溫度范圍內正常使用。具有分辨率高、對壓力變化反應靈敏、動態響應好、測值可靠、穩定性好和體積小等優點，廣泛應用于各建筑物土體的動、靜孔隙水壓力觀測和測壓管水位計。目前市場上主要采用的是進口Geokon公司生產的振弦式儀器，比國內各廠家生產的振弦式滲壓計具有一定的優勢［4］。

2)監測系統的構成。大壩滲流監測的數據量測、數據采集、數據分析利用了現代信息技術中的傳感器技術、通信技術和計算機技術，它們分別構成了安全監測系統中的“感官”“神經”和“頭腦”［5］。整個系統由密封機箱、智能數據采集模塊、電源模塊、防雷模塊、通信模塊等組成，采用分布式結構、智能節點技術、遙測遙控技術、工業控制及計算機等技術手段來共同完成對目標的變化狀況進行實時監測。中心控制單元、計算機網絡和應用軟件組成系統的信息接收、處理、存貯、計算分析等。其中野外測量單元是由埋設壩內的傳感器(滲壓計)和相關配套設施組成，按運行要求進行一定方式的自動化測量。數據采集系統主要由測量控制單元(MCU)和專業軟件兩部分構成，是一種智能化、模塊化的多功能裝置，體積小巧，結構緊湊，具有控制、測量、數據存儲、防潮、防雷、抗干擾等各種功能，是分布式系統的關鍵設備。管理分析系統主要是由相關工程分析軟件組成，并以報表、圖形、過程線等形式輸出數據處理結果。

該系統具有先進性、可靠性、準確性、適用性、環境適應性、兼容性和通用性、可擴性、易維修性、經濟性等特點，具有選測、巡測、自報等多種數據采集方式，實現可視化數據采集，具有數據存儲、查詢、圖形繪制、報表制作、信息發布、網絡瀏覽、模型建立、誤差分析、安全評價等功能。

5 監測資料分析及方法

根據相應的規程、規范規定，應對滲流監測資料進行整編分析，使之達到經常化、正規化、標準化，其分析成果是安全評價的主要依據。目前規范上推薦并應用比較廣泛的分析方法主要有比較法、作圖法、特征值統計法和數學模型法，并形成分析報告，分析成果對大壩當前的工作狀態包括整體安全性和局部存在問題作出綜合評估并為進一步追查原因、加強安全管理和監測乃至采取防范措施提出指導性意見。以上分析方法均屬于正分析范疇，其結果受制于土工試驗獲得的物理力學參數的可靠性和準確性。為了克服這種參數受外界條件影響的局限性，可根據實測數據，以滲流模型理論為依據，用反演分析得出土石壩的滲透系數和滲流場，將其成果再次應用數值計算得出土石壩的實際滲流性態，作為判斷土石壩滲流安全的標準。目前市場上已開發了大壩原型觀測資料的分析評價系統軟件，該軟件集中了大壩原型觀測資料的各種分析技術(包括統計分析、反饋分析、有限元分析、灰色理論)，實現了與觀測儀器數據采集的接口，實現對觀測資料的實時監控、數據庫管理與整編、資料的圖形處理、綜合分析與評價，并運用各種數學模型、分析理論預測大壩未來發展性狀。

6 工程滲流監測布置實例

1)工程概況。七一水庫位于江西省玉山縣境內，坐落于鄱陽湖水系信江支流。始建于1958年7月1日，1960年3月基本建成并發揮效益，后經1970年～1974年、1984年～1987年，2009年～2011年三次加固擴建達現有工程規模。壩址以上控制流域面積324．0 km2，總庫容22 862 ×104m3，設計灌溉面積 19．92 萬畝，電站裝機9 250 kW，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖、旅游等綜合效益的大(二)型水庫。樞紐工程主要擋水建筑物主壩、副壩為心墻壩，主壩壩頂長430．0 m，壩頂寬12．0 m，最大壩高56．68 m;副壩壩頂長135．0 m，壩頂寬 8．0 m ～12．0 m，最大壩高24．5 m。為了使水庫主副壩能在有效的監控下安全運行，2010年～2011年由我院安裝了七一水庫大壩安全監測系統。在主、副壩各斷面布置了滲流監測儀器設備，以監測大壩滲流狀態的變化，評價大壩滲流安全。2)滲流安全監測系統。七一水庫大壩滲流監測系統由安裝在壩體和壩基內的GK4500S振弦式滲壓計、水工專用電纜、自動采集系統(MCU×2套)、通訊和電源控制電纜、中央控制器系統(CCU)、計算機系統組成(見圖1)。監測內容主要有壩體滲流浸潤線、壩基滲透和繞壩滲流監測三部分。主壩在(0+080，0+140，0+200，0+260，0+320，0+370)布置了六個浸潤線監測斷面，測壓管編號 0+080 為 P1-1，UP1-1，UP1-2，UP1-3，UP1-4，UP1-5;0+140 為 UP2-1;0+200 為 P3-1，UP3-1，UP3-2，UP3-3，UP3-4;0+260 為 UP4-1;0+320 為 P5-1，UP5-1，UP5-2，UP5-3，UP5-4，UP5-5;0+370 為 UP6-1，UP6-2。其中 P1-1，UP1-1，P3-1，UP3-1，P5-1，UP5-1布置在壩體塑性混凝土心墻前，UP1-5，UP5-5，UP6-2為混凝土心墻后壩基觀測點，測壓管深入壩基1．0 m，用以監測壩基滲流情況，斷面其他測點均布置在壩體塑性混凝土心墻后;同時在左壩肩布置了6根繞壩滲流測壓管，在右壩肩布置了3根繞壩滲流測壓管以監測大壩繞壩滲流情況。共安裝了30支滲壓計;副壩同理在左右壩肩各布置兩個測點，在壩體分四個斷面分混凝土心墻前、后布置壩體及壩基觀測點，共安裝了18支滲壓計。

圖1 七一水庫大壩滲流監測自動化系統示意圖

7 結語

大壩滲流安全監測是水庫運行管理中的重要環節之一，而自動化監測是檢驗大壩安全運行的有效手段，通過該系統一年多的試運行，其故障率極低，監測資料精確可靠，運行維護方便，能滿足大壩滲流安全監測的實際需要，是一套能長期運行的實用化系統。通過滲流監測可以使水利主管部門及時掌握大壩的實際狀態，進行大壩安全評價，提高運行水平，充分發揮經濟效益和社會效益。

［1］黃敏武，羅少彤．廣東水庫大壩——土石壩安全監測［J］．吉林水利，2006，291(9):34-36．

［2］何玉春，謝明勇．水庫大壩安全觀測與運行管理［J］．水利技術監督，2009(1):71-72．

［3］胡 軍．土石壩自動化安全監測系統設計［J］．水電能源科學，2010，28(4):127-129．

［4］方衛華，李燕輝．土石壩安全監測綜述［J］．四川水力發電，2004，23(4):68-71．

［5］周 揚，劉頂明．大壩安全監測儀器應用問題探討［J］．水電自動化與大壩監測，2009，33(2):41-44．