西藏高寒高烈度地區超高心墻堆石壩安全監測的思考

唐宜盛+++達娃+++席隆海+++楊飛

摘 要：根據近年土石壩安全監測技術發展，結合高海拔、高寒、高烈度特點，列舉西藏地區某規劃建設300m級心墻堆石壩工程實例，對安全監測設計和施工過程中的各監測項目、氣象修正、系統防雷、電源布置、監測自動化進行全面論述，指出監測的重點、難點并提出應對措施。

關鍵詞：心墻堆石壩；安全監測；監測項目；監測自動化

引言

近年來，由于土石壩充分利用當地材料、節約投資、工期相對較短等優勢，在國內外壩工建設上廣泛采用。據不完全統計，世界上已建和在建的壩高在230m以上的當地材料壩共有15座，其中14座采用了土質心墻防滲型式，其中300m級高壩1座，詳見表1。施工期和運行期的安全監測可以獲取大壩運行性態的第一手資料，從而了解和掌握大壩安全狀況，確保工程安全，但中國目前尚無300m級心墻堆石壩施工和運行經驗，本文結合西藏地區高寒高烈度特點，對超高心墻堆石壩安全監測進行分析和思考。

心墻堆石壩安全監測量分為環境量和效應量兩類，環境量包括庫水位、水溫、氣溫、氣壓、降水（降雨和降雪）、地震等，效應量包括位移、偏轉、滲流壓力、滲流量、應力、應變等。

1 項目概況

西藏地區某規劃建設的水電站位于瀾滄江上游河段，根據當地氣象資料統計，多年平均氣溫4.8℃，極端最高氣溫26.1℃，極端最低氣溫-24.6℃；多年平均相對濕度61.1%，多年平均降水量575.4mm，多年平均蒸發量1632mm。電站工程建設的場地基本烈度為Ⅶ度，工程抗震設防類別為甲類，設計工況時取100年超越概率2%的地震動參數0.32g，校核工況時取基準期100年超越概率1%的地震動參數0.41g。電站規劃擋水建筑物為心墻堆石壩，最大壩高315m，大壩從上游至下游分區為上游堆石區、上游過渡料區、上游反濾料區、心墻區、下游反濾料區、下游過渡料區、下游堆石區。

心墻堆石壩安全監測量分為環境量和效應量兩類，環境量包括庫水位、水溫、氣溫、氣壓、降水（降雨和降雪）、地震等，效應量包括位移、偏轉、滲流壓力、滲流量、應力、應變等。結合工程實際，按照DL/T5259的有關規定，心墻堆石壩監測項目有巡視檢查、環境量監測、變形監測、滲流監測、壓力（應力）監測、監測自動化。巡視檢查包括按照各類檢查規定程序進行現場填表和記錄，必要時附有略圖、素描、照片或錄像；環境量監測包括氣溫、上下游水位、庫水溫、降水、冰壓、地震等；變形監測包括表面變形、內部變形、壩基深部變形、結構縫及堆石體與防浪墻接縫開合度等；滲流變形作為心墻堆石壩重點監測項目包括浸潤線、滲流壓力、滲流量、繞壩滲流、滲流水質、防滲效果監測等；壓力（應力）監測包括土壓力監測、混凝土墊層應力監測；監測自動化是為連續穩定獲得心墻堆石壩永久監測項目數據，將各測點組網集成，從而實現在工控機上數據采集和資料整理整編。

2 安全監測思考

2.1 環境量監測

環境量如水位、冰壓等變化會引起壩體變形、滲流等效應量變化，加之西藏地區高海拔、氣候干燥、晝夜溫差大和冬季極端低溫氣候影響，很多監測儀器（弦式）測值也需要進行氣溫、氣壓等氣象修正，除需在壩址位置建立一個環境量監測站外，還應在大壩壩坡不同高程觀測房適當位置增設氣溫、氣壓傳感器。

考慮到壩體滲流總量準確性對判別心墻堆石壩滲流穩定的重要性，建議在下游壩后量水堰處建立簡易氣象站，主要監測降水和蒸發兩環境量，為計算總體滲漏量剔除氣候影響因子。壩址場地基本烈度為Ⅶ度，心墻堆石壩有必要建立強震監測系統進行地震反應監測和壩體抗震措施監測，以掌握心墻堆石壩在地震荷載作用下的反應和檢驗抗震措施發揮的效果。

2.2 變形監測

2.2.1 斷面選擇

為更好的監測心墻堆石壩的工作性態，選擇具有代表性的心墻中心線為主要的監測縱斷面，以河床中心線選擇兩個最大壩高斷面作為一主一輔橫斷面，左右岸根據心墻堆石壩的布置情況、壩基地質條件，選擇2～3個斷面作為左右岸監測重要監測斷面。

2.2.2 表面變形監測

表面變形監測主要以心墻堆石壩表面觀測墩作為主要監測手段，為充分反映壩體各高程和左右岸協調變形情況，同時結合壩體內部變形監測布置，在壩體上下游選擇具有代表性的部位設置觀測墩測線，考慮視準線法監測的需要，測線兩端設工作基點，工作基點與工程永久外部變形監測網聯測，以求得大壩表面變形絕對值。本工程心墻堆石壩規模巨大，因此應選用技術可靠而成熟的監測手段，并在滿足監測量程、精度及相關要求的情況下盡量節約投資，在施工期及初蓄期表面變形監測建議采用傳統大地變形測量法。同時，考慮到本工程需布置的表面變形監測點數量較多、人工觀測及數據處理工作量較大的情況，為及時采集數據并提高觀測效率，在初蓄期及運行期選擇具有代表性的部分測點進行改造后采用GNSS和測量機器人兩種方法進行監測。

2.2.3 內部變形監測

心墻堆石壩內部變形監測項目包括沉降監測、水平位移監測、土體位移監測和不同材料接觸界面錯動監測，所有內部監測需通過對應的外部變形監測測點校核得出內部變形的絕對值。

大壩內部變形監測主要采用測斜儀、電磁沉降儀、弦式沉降系統、水管式沉降儀、引張線式水平位移計及剪變形計等儀器設備。測斜儀與電磁沉降儀技術較成熟，根據國內其他已建工程經驗，可將兩種儀器結合埋設，用來監測心墻的水平位移和沉降，即沿心墻中心線布置測斜暨電磁沉降孔，在測斜管上等間距（3m）套上電磁沉降環。由于施工期心墻沉降變形量較大，加之心墻會產生上下游向和左右岸向位移，為防止測斜管的接頭阻礙沉降環隨壩體一同變形，同時適應測斜管彎曲變形，建議測斜管接頭采用內置式暗扣連接頭，接頭處帶伸縮節。考慮到最大壩高斷面孔深超過300m，其埋設風險大，一旦失效將無補救，建議在輔助斷面同時布置弦式沉降系統或橫梁式沉降儀以監測儀器埋設抗風險能力。另外施工期應注意孔口保護，防止被施工機械撞擊損壞或石塊掉落堵孔，避免降低監測設施的監測范圍。endprint

引張線式水平位移計和水管式沉降儀廣泛用于監測下游堆石體的水平位移和沉降，技術也成熟，考慮到本工程心墻堆石壩規模較大，對于監測管線超過300m的高壩，水管式沉降儀常常會出現因線路過長帶來監測精度下降、壩體不均勻沉降堵管等難題，為提高儀器精度和可靠性，將水管式沉降儀建議由改進為四管式，測讀端采用采用雙測管，兩水管互為校核補充。由于引張線式水平位移計和水管式沉降儀每次測讀前張緊銦鋼絲和通水后穩定后再測讀，且本工程測點數量較多，蓄水期前可對其進行自動化改造，為節約投資，在監測設備采購時就需考慮自動化改造成熟的產品，避免自動化改造時更換測讀端設備，另外自動化改造時需增加自動加載裝置和通水排氣裝置，因此觀測房設計時需預留出一定的空間保證設備布置。上游堆石體內部水平位移可采用弦式沉降儀監測，但由于弦式沉降儀的測量范圍不超過70m，故只能用于施工期和初蓄期，可在每支弦式沉降儀對應布置1支滲壓計，監測大壩上游堆石體蓄水后的沉降，通過滲壓計水頭和上游水位可換算得出相應部位的沉降。考慮到本工程處于西藏高寒地區，受冬季極端氣溫影響，水管式沉降儀及弦式沉降儀都會受水低溫結冰的影響，從而影響儀器工作，選擇可靠的防凍液或保溫措施是提高儀器可靠性的關鍵。

界面錯動監測主要指岸坡與壩體接觸面之間、壩體反濾與心墻之間可能發生的相對位移，一般采用布置剪變形計監測。另外根據工程經驗，在大壩蓄水過程中或水庫水位變動等情況下壩頂可能會產生輕微“搖頭”的現象，堆石體與防浪墻間接觸面可能發生相對錯動，故在堆石體與防浪墻接觸面布置測縫計以監測開合度變化及相對錯動。

2.3 滲流監測

壩體壩基滲流監測主要包括壩體浸潤線監測、滲透壓力監測、防滲效果監測、繞壩滲流監測和滲流量監測等，一般采用埋設滲壓計和部署繞壩水位孔、量水堰等設備監測。考慮到滲流監測對心墻堆石壩極端重要性，建議所有滲流監測項目均進入自動化實現實時連續觀測。滲流將引起周圍溫度場變化，因此也可以借助樞紐區內溫度計、振弦式儀器溫度補償（目前大多數振弦式儀器所測溫度精度在0.5℃以內）監測土體介質內、土體與巖體界面、混凝土墊層內溫度場，通過長時間溫度監測數據庫可模擬出溫度場變化從而分析出滲流變化趨勢。

隨著近年監測科學技術發展，光纖測溫測滲流技術在壩工界廣泛探索應用，在心墻堆石壩測滲漏建議在下游反濾料中沿橫河向布置滲漏光纖和光電傳感單元，當滲流通過時會引起周圍溫度場的變化，通過采集光電傳感單元反饋回來的光信號或波長來判斷滲流。此種方法已在國內大型土石壩科研試用，由于光纖測溫測滲流又需長時間持續通電，施工期穩定電源保障是關鍵。國內糯扎渡電站心墻堆石壩采用分布式光纖布拉格光柵滲壓傳感技術監測滲流，但波段信號數據采集不穩定，數據分析結果與其他滲流監測成果存在差異，未取得較好成功經驗，本工程可持續關注此項技術的發展選擇性采用。

2.4 壓力（應力）監測

土石壩應力監測常用的儀器是是土壓力計，通過埋設不同類型的土壓力計了解壩體內部應力及壩體與壩基接觸面應力變化情況，判斷工程的安全狀況。目前土石壩穩定計算有總應力法和有效應力法，為便于后期資料分析，同時考慮到心墻料變形模量較低而壩殼料變形模量較高，心墻區可能出現拱效應，為判斷心墻出現水力劈裂的可能性，在每支土壓力計旁均應布設滲壓計監測孔隙水壓力。

2.5 監測自動化

本工程心墻堆石壩規模大，安全監測項目眾多，且測點布置較分散，需要大量的人力和資源（時間、設備）進行觀測、數據采集和整編分析，因此為節約資源，同時實現快速、準確的測量與數據采集，自動進行監測資料整編分析，盡早發現可能的事故隱患，必須將大壩安全監測系統與其他監測系統（引水發電系統、泄水建筑物、邊坡等）組網形成安全監測自動化系統。而大壩安全監測系統除接入自動化的心墻堆石壩內觀監測項目子系統外，還包括心墻堆石壩表面變形外觀監測（GNSS和測量機器人）、強震監測（地震反應和抗震措施監測）、經自動化改造的引張線水平位移計和水管式沉降儀測控系統、光纖測滲漏系統四個獨立系統，如何將以上五個子系統有效集成為大壩安全監測預警系統有以下幾個重點與難點。

2.5.1 系統通訊組網

隨著當今技術的進步發展，目前國內大壩安全監測系統大都采用分布式數據采集系統，由于本項目工程規模巨大、測點和各建筑物分布分散、監測數據傳輸距離長易受外界干擾等特點，監測自動化系統宜采用國內廣泛應用的分布式、多級連接的網絡結構型式，系統網絡總線結構采用RS-485形式，根據國內大中型水電工程經驗，通訊方式也采用RS-485總線通訊，但由于總線通訊方式各網絡單元都賦以獨立地址，且為了便于外觀監測系統和強震系統接入系統并有效組網，建議自動化系統采用基于TCP/IP協議以太網通信方式，特別是在某測站或基站布置有線通訊距離較遠，布線成本較高的情況下，基于TCP/IP協議以太網通信可較方便的實現無線通訊。RS-485總線通訊和以太網通訊兩者比較如表2。

2.5.2 系統供電

根據工程規模，自動化系統宜采用分散供電方式，在各監測站就近接入永久供電電源，但心墻堆石壩安全監測自動化改造一般都是在蓄水期前或過程中就要完成，永久供電系統基本上還未能建成投入使用，過渡期建議采用施工臨時電源分散供電方式，但臨時供電電源存在電壓過高及噪聲問題，造成系統存在安全隱患且影響儀器設備的正常運行，導致測值失真，故在每個觀測站中都需安裝凈化電源，對供電電源進線穩壓、降噪，這將增加工程建設成本。特別是在某測站或基站布置較遠，永久供電電源布置至站成本較高時考慮采用太陽能電池板供電方式。

2.5.3 系統防雷

對安全監測自動化系統造成危害的雷擊主要有兩種形式：直擊雷和雷電電磁脈沖，為了保證安全監測自動化系統的安全暢通，有必要對防雷接地進行設計，以提高自動化系統的防雷避雷性能。根據本工程規模和其他工程經驗，心墻堆石壩所有測站均可接入工程的防雷和接地設施，系統防雷設計主要從直擊雷防護和雷電感應過電壓防護兩方面進行，直擊雷的防護采用合理自動化系統設計和外部技術防雷措施（避雷針、避雷帶等），雷電感應過電壓防護主要從電源防雷、室外線路防雷、信號線端口隔離和通訊線路防雷等幾方面進行。endprint

2.5.4 系統集成

大壩安全監測系統包括心墻堆石壩內觀監測項目子系統GNSS和測量機器人系統、強震監測系統、引張線水平位移計和水管式沉降儀測控系統、光纖測滲漏系統。上述系統將在監測管理站物理層面集成，每個系統將在各自或公用的工控機上獨立運行，進行遠程監測（測量）、數據采集。另外為了方便數據的統一管理，實現各系統間互訪、監測數據互備份、監測資料的統一整編分析和24小時不間斷運行的在線監控及分級報警功能，還要進行軟件層面集成，即采用同一監測信息管理系統對上述各系統進行統一管理，這就要求管理站工作計算機和服務器共用統一的數據庫，所以在軟件層面集成時有兩大重、難點需攻克：一是各系統采用不同編程語言開發，底層數據庫格式不一，且沒有統一的通訊協議或通訊協議不開放，特別是GNSS和測量機器人采用瑞士徠卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系統（以下將兩系統數據庫簡稱徠卡數據庫），其底層數據庫不開放，要實現系統集成只能在統一數據庫和徠卡數據庫之間再建立一個中間數據庫，實現有用數據的相互提取和轉換，由于徠卡數據庫結構復雜，要提取有用的信息傳輸至統一庫并且最終實現數據反饋（即監測信息管理系統可對徠卡系統實現監測命令下達），其過程涉及水工、監測、計算機、軟件編程等專業，需要一定數量的技術人員協調合作才能實現。二是強震監測EDAS系統在監測到地震反應后如何根據地震效應量分級給監測信息管理系統下達巡回監測指令。大壩安全監測系統內包含監測項目及測點眾多，如果每發生一次地震就全部進行一次數據采集不僅反饋數據量大，而且數據采集和傳輸都需要一定時間，所以需要對現場布置的多個強震儀數據進行分析后進行工況評級，根據不同工況等級選擇性的對部分監測項目或測點進行即時數據采集與分析。由于地震評級分析是一門非常專一的學科，很難將地震評級分析用計算機語言進行編程，而且還需要工程設計和科研單位提出可行的分級監測管理意見，列出分級監測項目或測點，才能結合上述成果由軟件編程人員實現強震監測與大壩安全監測系統通訊。

3 結束語

西藏高海拔高寒高烈度區修建300m級心墻堆石壩在國內水電站建設史上將是一次挑戰，其常規安全監測項目及儀器設備均可能超規范、超量程情況，如內觀監測儀器和電纜連接如何提高耐水壓能力，在300m水頭下正常工作等，需要國內同類型已建在建土石壩工程施工、運行經驗，設計科研單位和儀器制造商大力開展科研試驗和科技創新。監測自動化系統集成及信息管理系統的開發需要跨專業協調合作，安全監控預警指標需要工程經驗、監測計算成果、計算機技術將定量和定性分析有機結合，綜合分析，實現實時分級預警，達到指導大壩施工、運行的目的。本文僅對心墻堆石壩幾項常規監測和自動化進行了簡要分析和思考，尚有許多實際問題需要在施工和運行過程中結合實際提出改進和完善。

參考文獻

[1]巖土工程安全監測手冊（第二版）[M].北京：中國水利水電出版社.

[2]沈嗣元，馬能武.超高心墻堆石壩安全監測工程的創新技術探討[J].人民長江，2010（20）.

[3]DL/T5259-2010.土石壩安全監測技術規范[S].

作者簡介：唐宜盛（1986-），男，漢族，四川宜賓人，四川大學水利水電工程專業，本科，助理工程師，主要從事水電工程建設管理工作。endprint

2.5.4 系統集成

大壩安全監測系統包括心墻堆石壩內觀監測項目子系統GNSS和測量機器人系統、強震監測系統、引張線水平位移計和水管式沉降儀測控系統、光纖測滲漏系統。上述系統將在監測管理站物理層面集成，每個系統將在各自或公用的工控機上獨立運行，進行遠程監測（測量）、數據采集。另外為了方便數據的統一管理，實現各系統間互訪、監測數據互備份、監測資料的統一整編分析和24小時不間斷運行的在線監控及分級報警功能，還要進行軟件層面集成，即采用同一監測信息管理系統對上述各系統進行統一管理，這就要求管理站工作計算機和服務器共用統一的數據庫，所以在軟件層面集成時有兩大重、難點需攻克：一是各系統采用不同編程語言開發，底層數據庫格式不一，且沒有統一的通訊協議或通訊協議不開放，特別是GNSS和測量機器人采用瑞士徠卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系統（以下將兩系統數據庫簡稱徠卡數據庫），其底層數據庫不開放，要實現系統集成只能在統一數據庫和徠卡數據庫之間再建立一個中間數據庫，實現有用數據的相互提取和轉換，由于徠卡數據庫結構復雜，要提取有用的信息傳輸至統一庫并且最終實現數據反饋（即監測信息管理系統可對徠卡系統實現監測命令下達），其過程涉及水工、監測、計算機、軟件編程等專業，需要一定數量的技術人員協調合作才能實現。二是強震監測EDAS系統在監測到地震反應后如何根據地震效應量分級給監測信息管理系統下達巡回監測指令。大壩安全監測系統內包含監測項目及測點眾多，如果每發生一次地震就全部進行一次數據采集不僅反饋數據量大，而且數據采集和傳輸都需要一定時間，所以需要對現場布置的多個強震儀數據進行分析后進行工況評級，根據不同工況等級選擇性的對部分監測項目或測點進行即時數據采集與分析。由于地震評級分析是一門非常專一的學科，很難將地震評級分析用計算機語言進行編程，而且還需要工程設計和科研單位提出可行的分級監測管理意見，列出分級監測項目或測點，才能結合上述成果由軟件編程人員實現強震監測與大壩安全監測系統通訊。

3 結束語

西藏高海拔高寒高烈度區修建300m級心墻堆石壩在國內水電站建設史上將是一次挑戰，其常規安全監測項目及儀器設備均可能超規范、超量程情況，如內觀監測儀器和電纜連接如何提高耐水壓能力，在300m水頭下正常工作等，需要國內同類型已建在建土石壩工程施工、運行經驗，設計科研單位和儀器制造商大力開展科研試驗和科技創新。監測自動化系統集成及信息管理系統的開發需要跨專業協調合作，安全監控預警指標需要工程經驗、監測計算成果、計算機技術將定量和定性分析有機結合，綜合分析，實現實時分級預警，達到指導大壩施工、運行的目的。本文僅對心墻堆石壩幾項常規監測和自動化進行了簡要分析和思考，尚有許多實際問題需要在施工和運行過程中結合實際提出改進和完善。

參考文獻

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[3]DL/T5259-2010.土石壩安全監測技術規范[S].

作者簡介：唐宜盛（1986-），男，漢族，四川宜賓人，四川大學水利水電工程專業，本科，助理工程師，主要從事水電工程建設管理工作。endprint

2.5.4 系統集成

大壩安全監測系統包括心墻堆石壩內觀監測項目子系統GNSS和測量機器人系統、強震監測系統、引張線水平位移計和水管式沉降儀測控系統、光纖測滲漏系統。上述系統將在監測管理站物理層面集成，每個系統將在各自或公用的工控機上獨立運行，進行遠程監測（測量）、數據采集。另外為了方便數據的統一管理，實現各系統間互訪、監測數據互備份、監測資料的統一整編分析和24小時不間斷運行的在線監控及分級報警功能，還要進行軟件層面集成，即采用同一監測信息管理系統對上述各系統進行統一管理，這就要求管理站工作計算機和服務器共用統一的數據庫，所以在軟件層面集成時有兩大重、難點需攻克：一是各系統采用不同編程語言開發，底層數據庫格式不一，且沒有統一的通訊協議或通訊協議不開放，特別是GNSS和測量機器人采用瑞士徠卡的GeoMos Monitor和GNSS Spider系統（以下將兩系統數據庫簡稱徠卡數據庫），其底層數據庫不開放，要實現系統集成只能在統一數據庫和徠卡數據庫之間再建立一個中間數據庫，實現有用數據的相互提取和轉換，由于徠卡數據庫結構復雜，要提取有用的信息傳輸至統一庫并且最終實現數據反饋（即監測信息管理系統可對徠卡系統實現監測命令下達），其過程涉及水工、監測、計算機、軟件編程等專業，需要一定數量的技術人員協調合作才能實現。二是強震監測EDAS系統在監測到地震反應后如何根據地震效應量分級給監測信息管理系統下達巡回監測指令。大壩安全監測系統內包含監測項目及測點眾多，如果每發生一次地震就全部進行一次數據采集不僅反饋數據量大，而且數據采集和傳輸都需要一定時間，所以需要對現場布置的多個強震儀數據進行分析后進行工況評級，根據不同工況等級選擇性的對部分監測項目或測點進行即時數據采集與分析。由于地震評級分析是一門非常專一的學科，很難將地震評級分析用計算機語言進行編程，而且還需要工程設計和科研單位提出可行的分級監測管理意見，列出分級監測項目或測點，才能結合上述成果由軟件編程人員實現強震監測與大壩安全監測系統通訊。

3 結束語

西藏高海拔高寒高烈度區修建300m級心墻堆石壩在國內水電站建設史上將是一次挑戰，其常規安全監測項目及儀器設備均可能超規范、超量程情況，如內觀監測儀器和電纜連接如何提高耐水壓能力，在300m水頭下正常工作等，需要國內同類型已建在建土石壩工程施工、運行經驗，設計科研單位和儀器制造商大力開展科研試驗和科技創新。監測自動化系統集成及信息管理系統的開發需要跨專業協調合作，安全監控預警指標需要工程經驗、監測計算成果、計算機技術將定量和定性分析有機結合，綜合分析，實現實時分級預警，達到指導大壩施工、運行的目的。本文僅對心墻堆石壩幾項常規監測和自動化進行了簡要分析和思考，尚有許多實際問題需要在施工和運行過程中結合實際提出改進和完善。

參考文獻

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[3]DL/T5259-2010.土石壩安全監測技術規范[S].

作者簡介：唐宜盛（1986-），男，漢族，四川宜賓人，四川大學水利水電工程專業，本科，助理工程師，主要從事水電工程建設管理工作。endprint