談土石壩滲流監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

胡國(guó)平

(江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌 330029)

1 概述

調(diào)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(jiān)測(cè)方法落后、人工監(jiān)測(cè)不及時(shí)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩體隱患等是其失事主要原因之一，因此先進(jìn)的大壩滲流監(jiān)測(cè)方法和技術(shù)在工程中的地位顯得日益重要，我國(guó)相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范都對(duì)土石壩的滲流監(jiān)測(cè)有著詳盡的闡述和規(guī)定，滲流監(jiān)測(cè)現(xiàn)已是中型及以上水庫(kù)土石壩除險(xiǎn)加固環(huán)節(jié)中的必測(cè)項(xiàng)目［1］，并隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，已逐步向自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的方向發(fā)展。

2 滲流監(jiān)測(cè)目的

滲流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一套監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)獲取大壩滲流、滲透壓力等重要參數(shù)，掌握大壩的工作性態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其在線、實(shí)時(shí)監(jiān)控，為實(shí)施大壩安全預(yù)警和制定應(yīng)急預(yù)案提供基礎(chǔ);通過(guò)分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和有無(wú)異常現(xiàn)象，判定大壩的安全與否，分析異常原因和發(fā)展趨勢(shì)，為項(xiàng)目管理者提供技術(shù)保障，為其制定適宜的大壩加固方案和運(yùn)行管理計(jì)劃;通過(guò)分析整理各監(jiān)測(cè)物理量的規(guī)律，驗(yàn)證原設(shè)計(jì)及原除險(xiǎn)加固措施，科學(xué)指導(dǎo)施工，同時(shí)為科研提供必要的資料。

3 滲流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)基本原則

1)安全監(jiān)測(cè)的范圍。

大壩安全監(jiān)測(cè)范圍包括壩體、壩基、壩肩，以及對(duì)大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸坡和其他與大壩安全有直接關(guān)系的建筑物和設(shè)備［2］。具體可以分為壩體滲流壓力及浸潤(rùn)線、壩基滲流壓力、繞壩滲流監(jiān)測(cè)等幾個(gè)方面。

2)項(xiàng)目布置及基本原則。

大壩滲流監(jiān)測(cè)是一門需要不斷研究探索的學(xué)科，它要求設(shè)計(jì)人員必須具備較廣博的知識(shí)，既要精通壩工理論和設(shè)計(jì)工作，又要對(duì)監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備的性能有充分的了解，特別是要及時(shí)掌握現(xiàn)代快速發(fā)展的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的硬軟件設(shè)備的知識(shí)，并要求設(shè)計(jì)人員有較豐富的安全管理經(jīng)驗(yàn)。一個(gè)成功的監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)者不僅要能充分領(lǐng)會(huì)設(shè)計(jì)和施工中的關(guān)鍵問(wèn)題，還要能盡量估計(jì)出大壩在今后的運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，選擇適宜的監(jiān)測(cè)方法，恰到好處地布置相應(yīng)的監(jiān)測(cè)設(shè)備，以最少的費(fèi)用投入，獲得最大的實(shí)際效益［3］。同時(shí)還要兼顧到監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性，以備在運(yùn)行期間根據(jù)需要加以改造和完善。為確保大壩滲流安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期，其基本原則可概括為:要保證自動(dòng)化系統(tǒng)軟硬件的可行性、可靠性、實(shí)用性與先進(jìn)性;滿足信息發(fā)布和資源共享等信息化要求，使數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和分析實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化要求;具有故障診斷功能和可靠的安全性能;應(yīng)滿足規(guī)范要求并考慮工程實(shí)際情況監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)既要有代表性，又要有連續(xù)性。監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備的選型既要有安全性又要有經(jīng)濟(jì)性;監(jiān)測(cè)項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該有重點(diǎn)地進(jìn)行，在施工期和運(yùn)行期應(yīng)區(qū)別對(duì)待。

4 滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

1)監(jiān)測(cè)儀器的選用。應(yīng)根據(jù)大壩實(shí)際情況(土體特性及埋設(shè)條件等)而選用適宜土石壩滲流監(jiān)測(cè)儀器及設(shè)備，目前對(duì)大中型水庫(kù)大壩監(jiān)測(cè)儀器主要是振弦式滲壓計(jì)，尤其是采用自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水庫(kù)。振弦式滲壓計(jì)(孔隙水壓力計(jì))其原理是土隙有壓水作用于承壓膜上而引起鋼弦應(yīng)力變化，將感應(yīng)到的振動(dòng)頻率信號(hào)傳送出來(lái)，以便采取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。采用高靈敏度固態(tài)壓阻式壓力傳感器構(gòu)成，用不銹鋼外殼封裝，在內(nèi)部基片上有激光刻蝕的溫度補(bǔ)償電阻，溫度特性好，可在0℃ ～50℃溫度范圍內(nèi)正常使用。具有分辨率高、對(duì)壓力變化反應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、測(cè)值可靠、穩(wěn)定性好和體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各建筑物土體的動(dòng)、靜孔隙水壓力觀測(cè)和測(cè)壓管水位計(jì)。目前市場(chǎng)上主要采用的是進(jìn)口Geokon公司生產(chǎn)的振弦式儀器，比國(guó)內(nèi)各廠家生產(chǎn)的振弦式滲壓計(jì)具有一定的優(yōu)勢(shì)［4］。

2)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的構(gòu)成。大壩滲流監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)量測(cè)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析利用了現(xiàn)代信息技術(shù)中的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的“感官”“神經(jīng)”和“頭腦”［5］。整個(gè)系統(tǒng)由密封機(jī)箱、智能數(shù)據(jù)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(jié)構(gòu)、智能節(jié)點(diǎn)技術(shù)、遙測(cè)遙控技術(shù)、工業(yè)控制及計(jì)算機(jī)等技術(shù)手段來(lái)共同完成對(duì)目標(biāo)的變化狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。中心控制單元、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件組成系統(tǒng)的信息接收、處理、存貯、計(jì)算分析等。其中野外測(cè)量單元是由埋設(shè)壩內(nèi)的傳感器(滲壓計(jì))和相關(guān)配套設(shè)施組成，按運(yùn)行要求進(jìn)行一定方式的自動(dòng)化測(cè)量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測(cè)量控制單元(MCU)和專業(yè)軟件兩部分構(gòu)成，是一種智能化、模塊化的多功能裝置，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，具有控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、防潮、防雷、抗干擾等各種功能，是分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。管理分析系統(tǒng)主要是由相關(guān)工程分析軟件組成，并以報(bào)表、圖形、過(guò)程線等形式輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

該系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性、準(zhǔn)確性、適用性、環(huán)境適應(yīng)性、兼容性和通用性、可擴(kuò)性、易維修性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，具有選測(cè)、巡測(cè)、自報(bào)等多種數(shù)據(jù)采集方式，實(shí)現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)采集，具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、查詢、圖形繪制、報(bào)表制作、信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、模型建立、誤差分析、安全評(píng)價(jià)等功能。

5 監(jiān)測(cè)資料分析及方法

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程、規(guī)范規(guī)定，應(yīng)對(duì)滲流監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行整編分析，使之達(dá)到經(jīng)常化、正規(guī)化、標(biāo)準(zhǔn)化，其分析成果是安全評(píng)價(jià)的主要依據(jù)。目前規(guī)范上推薦并應(yīng)用比較廣泛的分析方法主要有比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計(jì)法和數(shù)學(xué)模型法，并形成分析報(bào)告，分析成果對(duì)大壩當(dāng)前的工作狀態(tài)包括整體安全性和局部存在問(wèn)題作出綜合評(píng)估并為進(jìn)一步追查原因、加強(qiáng)安全管理和監(jiān)測(cè)乃至采取防范措施提出指導(dǎo)性意見(jiàn)。以上分析方法均屬于正分析范疇，其結(jié)果受制于土工試驗(yàn)獲得的物理力學(xué)參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性。為了克服這種參數(shù)受外界條件影響的局限性，可根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，以滲流模型理論為依據(jù)，用反演分析得出土石壩的滲透系數(shù)和滲流場(chǎng)，將其成果再次應(yīng)用數(shù)值計(jì)算得出土石壩的實(shí)際滲流性態(tài)，作為判斷土石壩滲流安全的標(biāo)準(zhǔn)。目前市場(chǎng)上已開(kāi)發(fā)了大壩原型觀測(cè)資料的分析評(píng)價(jià)系統(tǒng)軟件，該軟件集中了大壩原型觀測(cè)資料的各種分析技術(shù)(包括統(tǒng)計(jì)分析、反饋分析、有限元分析、灰色理論)，實(shí)現(xiàn)了與觀測(cè)儀器數(shù)據(jù)采集的接口，實(shí)現(xiàn)對(duì)觀測(cè)資料的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫(kù)管理與整編、資料的圖形處理、綜合分析與評(píng)價(jià)，并運(yùn)用各種數(shù)學(xué)模型、分析理論預(yù)測(cè)大壩未來(lái)發(fā)展性狀。

6 工程滲流監(jiān)測(cè)布置實(shí)例

1)工程概況。七一水庫(kù)位于江西省玉山縣境內(nèi)，坐落于鄱陽(yáng)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(fā)揮效益，后經(jīng)1970年～1974年、1984年～1987年，2009年～2011年三次加固擴(kuò)建達(dá)現(xiàn)有工程規(guī)模。壩址以上控制流域面積324．0 km2，總庫(kù)容22 862 ×104m3，設(shè)計(jì)灌溉面積 19．92 萬(wàn)畝，電站裝機(jī)9 250 kW，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大(二)型水庫(kù)。樞紐工程主要擋水建筑物主壩、副壩為心墻壩，主壩壩頂長(zhǎng)430．0 m，壩頂寬12．0 m，最大壩高56．68 m;副壩壩頂長(zhǎng)135．0 m，壩頂寬 8．0 m ～12．0 m，最大壩高24．5 m。為了使水庫(kù)主副壩能在有效的監(jiān)控下安全運(yùn)行，2010年～2011年由我院安裝了七一水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。在主、副壩各斷面布置了滲流監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備，以監(jiān)測(cè)大壩滲流狀態(tài)的變化，評(píng)價(jià)大壩滲流安全。2)滲流安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。七一水庫(kù)大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由安裝在壩體和壩基內(nèi)的GK4500S振弦式滲壓計(jì)、水工專用電纜、自動(dòng)采集系統(tǒng)(MCU×2套)、通訊和電源控制電纜、中央控制器系統(tǒng)(CCU)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成(見(jiàn)圖1)。監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要有壩體滲流浸潤(rùn)線、壩基滲透和繞壩滲流監(jiān)測(cè)三部分。主壩在(0+080，0+140，0+200，0+260，0+320，0+370)布置了六個(gè)浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)斷面，測(cè)壓管編號(hào) 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(cè)點(diǎn)，測(cè)壓管深入壩基1．0 m，用以監(jiān)測(cè)壩基滲流情況，斷面其他測(cè)點(diǎn)均布置在壩體塑性混凝土心墻后;同時(shí)在左壩肩布置了6根繞壩滲流測(cè)壓管，在右壩肩布置了3根繞壩滲流測(cè)壓管以監(jiān)測(cè)大壩繞壩滲流情況。共安裝了30支滲壓計(jì);副壩同理在左右壩肩各布置兩個(gè)測(cè)點(diǎn)，在壩體分四個(gè)斷面分混凝土心墻前、后布置壩體及壩基觀測(cè)點(diǎn)，共安裝了18支滲壓計(jì)。

圖1 七一水庫(kù)大壩滲流監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)示意圖

7 結(jié)語(yǔ)

大壩滲流安全監(jiān)測(cè)是水庫(kù)運(yùn)行管理中的重要環(huán)節(jié)之一，而自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是檢驗(yàn)大壩安全運(yùn)行的有效手段，通過(guò)該系統(tǒng)一年多的試運(yùn)行，其故障率極低，監(jiān)測(cè)資料精確可靠，運(yùn)行維護(hù)方便，能滿足大壩滲流安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際需要，是一套能長(zhǎng)期運(yùn)行的實(shí)用化系統(tǒng)。通過(guò)滲流監(jiān)測(cè)可以使水利主管部門及時(shí)掌握大壩的實(shí)際狀態(tài)，進(jìn)行大壩安全評(píng)價(jià)，提高運(yùn)行水平，充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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