關門巖水電站壩頂監測系統改造方案探討

陳闖

（湖南省水利水電勘測設計研究總院 長沙市 410007）

關門巖水電站工程是以發電為主、兼顧通航旅游等綜合利用的水電工程，水庫庫容2541萬m3，樞紐主要建筑物有：攔河壩、電站廠房、升船機等建筑物。攔河壩壩軸線為直線布置，由泄流閘、排漂閘、右岸非溢流壩、左岸非溢流壩、左岸土石壩等建筑物組成，壩頂總長344.59m，壩高30.92m。關門巖水電站庫水位漲幅較快，氣溫變化也較大，實時監控壩頂的實際位移情況是保證大壩安全穩定運行的重要條件。目前，關門巖水電站壩頂監測項目存在較大缺陷，不能及時有效地監控壩頂位移變化，對壩頂監測系統的改造已經十分必要。

1 壩頂監測系統布置情況

為了掌握壩頂的位移變化情況，在壩頂布置了視準線、垂直位移觀測兩個觀測項目。壩頂水平位移采用視準線法測量。視準線用以觀測壩頂上、下游方向的水平位移，布置在壩頂上游側，兩岸壩肩所建的兩個工作基點為端點觀測墩，工作基點兩端各建有一個校核基點。每個壩段布置1個觀測墩，監測各壩段壩頂上下游方向的水平位移。視準線布置如圖1所示。壩頂垂直方向的位移通過對設在壩頂的沉陷觀測點進行水準測量而取得。大多數沉陷觀測點布置于視準線觀測墩旁，其布置如圖2所示。

圖1 壩頂視準線示意圖

圖2 壩頂垂直位移監測水準路線圖

2 目前壩頂監測系統的主要缺陷

2.1 壩頂水平位移

（1）大壩位于高山與丘陵交接地區，壩頂視準線測點裝置裸露于外部，受外界風沙、雨雪天氣等外部環境因素影響，強制對中裝置均已嚴重銹蝕，已經不能正常安裝觀測覘牌，且部分觀測墩已經損毀。

（2）壩頂視準線右岸工作基點和校核基點均建在大壩施工引起的滑坡區域，從現場觀察及測量數據顯示，右岸工作基點和校核基點均不穩定，從而導致無法建立一條穩定的基線。

（3）視準線的兩端點距離有481m，距離較長，采用固定端點設站方法觀測，大氣折光和人為誤差影響較大，觀測精度相對較低。

2.2 壩頂垂直位移

壩頂垂直位移采用一等水準測量，水準路線是由左岸工作基點AS起測，依次經過各監測點再閉合到AS。垂直位移監測系統的主要缺陷是沒有埋設穩定的水準基點，無法校核工作基點AS的穩定性。

3 壩頂監測系統的改造方案

3.1 壩頂水平位移的改造

針對壩頂視準線監測系統存在的實際問題及現場情況，考慮以下三種方案：

方案1:重建損毀的監測點觀測墩，更換銹蝕嚴重的強制對中裝置；重建右岸工作基點和校核基點；視準線觀測方法由固定端點設站法改為逐點設站法觀測。

方案2:重建損毀的監測點觀測墩，更換銹蝕嚴重的強制對中裝置；加固右岸工作基點和校核基點；建立一個小型的高精度邊角網，用于觀測兩岸工作基點和校核基點的位移量；視準線觀測方法由固定端點設站法改為逐點設站法觀測。

方案3:重建整個視準線觀測系統；視準線觀測方法采用中點設站法。

通過對現場地形、地質條件的分析，并綜合考慮到觀測精度，經濟性以及前后監測數據的延續等方面，建議選擇方案2作為關門巖水電站壩頂視準線觀測系統的改造方案。

3.2 壩頂垂直位移的改造

在水庫壓力區外埋設一組基巖水準基點，并周期性測量該基點到大壩垂直位移工作基點的高差，用于檢測工作基點的穩定性。

4 改造后壩頂監測系統運行效果預測

國內同行的研究表明，相比固定端點設站觀測法，對于300m以上的長壩，逐點設站觀測法能很明顯的提高觀測精度。

逐點設站觀測法如圖3所示。

圖3 逐點設站觀測法

如將大壩分為四段 (各段長度最好相等)，A、B為固定工作基點，1、2、3等為非固定工作基點。現將儀器安置于1號點，后視A點，倒轉望遠鏡前視2號點，可得：

式中l1與l2分別為1號和2號點的偏離值，l"2由活動覘牌讀得。1號點觀測完畢，儀器搬至2號點，后視1號點，前視3號點，得：

根據式（1）、（2）、（3）聯立求解可得：

式中l3為3號點偏離值，l"B為B點至視線的垂距，由活動覘牌N測回讀數算得。式（4）～（6）適用于圖4情況，若1、2、3點的點位不同，計算式應另行推導。

逐點設站法前、后視距離相等，而且均為最短，可以有效地消除調焦誤差，消除大氣折光的影響，提高照準精度，因而是解決本項目觀測困難的方法之一。但此法計算較為麻煩，而且觀測誤差容易積累，因此觀測時應加倍小心。

本項目建議采取的改造措施有：對視準線右岸工作基點和校核基點進行加固處理；對監測點銹蝕嚴重的強制對中裝置進行更換；改變觀測方法；通過邊角網的觀測得到工作基點的位移量，并用此位移量修正監測點實際水平位移；周期性觀測基巖水準點到工作基點的高差，以檢測水準工作基點的穩定性。我們預測通過這些措施的采用，能保證關門巖水電站壩頂觀測系統的可靠運行。

5 結 語

準確掌握關門巖水電站壩頂位移變化情況，對保證大壩安全具有十分重要的意義。由于目前該系統存在的諸多缺陷，必須對壩頂視準線觀測系統和垂直位移觀測系統進行改造。本文探討了幾種改造方案，經過比較，選擇一種最優方案，并預測經過改造后，該系統能夠及時準確地監測壩頂位移變化情況。

[1]李青岳.工程測量學[M].北京：測繪出版社，1984.

[2]杜治國，DUZhi-guo.大壩水平位移視準線觀測方法及精度分析[J].大壩與安全，2006，（5）：25.