大壩安全監測系統在方洲水庫的應用

葉留根 李春燕 代世軍

我國現有各類水庫約8.5萬座，居世界第一位，中、小型水庫占了99.5%。大多數中、小型水庫建于20世紀50～70年代，很多水庫設施、監管落后、防洪標準低、老化嚴重，經過這幾年的除險加固已經得到很大改善，但大多水庫地處偏遠，不能及時觀測到水庫可能出現的險情，存在很大安全隱患。隨著科技的進步，充分利用現代通信技術、計算機技術、網絡技術及檢測技術建立大壩安全監測系統，有效地提供水庫運行信息，大大提高了大壩安全監測的實時性和可靠性。本文結合方洲水庫工程實例闡述了該系統的實際應用效果。

一、概述

安徽省太湖縣方洲水庫除險加固工程位于太湖縣城西鄉方洲村境內的方家洲河出口處，屬皖河水系長河支流，壩址以上集水面積28.68km2，總庫容1750萬m3，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發電、養殖等綜合效益的省重點中型水庫。水庫樞紐工程由攔河壩、溢洪道、輸水低涵及輸水隧洞等建筑物組成，工程等別為Ⅲ等，主要建筑物為3級。大壩壩頂高程93.8m，最大壩高33.8m，壩頂寬度5.0m，壩頂長度180m，上游壩坡 1∶2.0～1∶3.5，下游壩坡1∶2.12～1∶3.0，壩頂防浪墻高程94.5m；溢洪道位于主壩的右端，開敞式實用堰，重力壩高18m，挑流消能，溢流堰頂高程88.0m，堰頂寬46.0m；放水低涵位于溢洪道底部；輸水隧洞位于大壩右岸山體內，有壓隧洞，全長120m，發電結合灌溉功能。

二、大壩安全監測系統構建

1.大壩安全監測系統建設的主要內容

監測建設內容有變形觀測、滲流滲壓觀測、水文視頻監視系統。滲流觀測包括：壩體滲壓（浸潤線）觀測、壩基滲壓觀測、繞壩滲流觀測、滲流量觀測。對滲流滲壓觀測項目實施自動化監測。

2.系統關鍵技術與基本功能

大壩監測預警系統的目標是：實時顯示各監測量（監測項目）的變化情況，以便管理人員根據評價結果，分析具體情況，作出相應的預警和控制措施，保障大壩的安全運行。

（1）監測預警系統關鍵技術問題

監測實施、合理布置監測點、儀器設備選型、防雷保護等。

（2）大壩監測系統擬實現的功能

數據庫管理：自動生成數據庫，便于處理海量數據和調用。

數據存儲和顯示：對于重點斷面，實時數據自動采集、存儲和處理，直觀顯示監測量的變化趨勢，監測數據按采集時間間隔入庫，可隨時調用和處理；對于一般斷面，采用人工監測，監測數據可通過計算機由人工輸入存儲到上位機中。

3.系統基本構成

（1）量測儀器

采用孔隙水壓力計。

（2）采集站（或稱測控單元）

由自動采集控制器、電源組成，具有自動采集、檢測、存儲、控制、通信的功能。

（3）監控主站

為自動監測及預警中心，對各個采集站進行管理，發布采集指令，接收、處理、顯示采集的信息數據。

（4）通信網絡

在傳感器、采集站、監控主站、遠程信息中心之間進行數據和命令傳輸的由電纜、因特網或電話網等組成的通信網絡。

（5）監測軟件

針對大壩安全，實現采集、檢測、存儲、控制、計算、通信、報警等操作功能的應用軟件。

4.大壩安全監測系統的布置

（1）大壩安全監測項目

大壩表面變形監測；粘土心墻底部接觸帶及粘土心墻滲流壓力監測；壩體浸潤線監測；繞壩滲流監測；滲流量監測；上、下游水位監測；水情視頻監測等。

（2）斷面選擇

大壩安全監測選取大壩樁號0＋050、0+095、0＋130 等 3 個斷面外加繞壩滲流觀測的1個斷面，其中0+130為重點觀測斷面，采用自動化監測，大壩上的3個斷面可輔以人工監測進行相互對照。

（3）大壩表面變形監測

觀測標點共計9座；工作基點共計6座；校核基點共計2個。

（4）粘土心墻底部接觸帶及粘土心墻滲流壓力監測

在樁號0＋130斷面的上、下游粘土心墻內、下游粘土心墻底部接觸帶各埋設孔隙水壓力傳感器1只，共計孔隙水壓力計4支，均采用自動監測。

（5）壩體浸潤線監測

布置3個監測斷面，采用測壓管和孔隙水壓力計監測。

樁號0＋130斷面由4根測壓管組成，分別位于壩頂（高程93.8m）及下游壩坡高程85.0m、77.0m、70.0m處。樁號0＋050、0+095斷面由3根測壓管組成，分別位于壩頂（高程93.8m）及下游壩坡高程85.0m、77.0m處。測壓管應在壩體內，深入壩基強風化層1.0m，共計測壓管10根。大壩上3個斷面同時采用自動化監測，設孔隙水壓力計13支（包括心墻底部及粘土心墻內滲透壓力觀測的4支）。

（6）繞壩滲漏監測

在左壩肩設置1個監測斷面，共埋設孔隙水壓力計2支，測壓管3根，其中2根采用自動化觀測，1根人工觀測。

（7）上、下游水位監測

上游在水庫深水中安放一支滲壓計，下游增設水位監測井1個，內設孔隙水壓力計1支。上、下游水位監測均采用自動化監測，同時下游監測井的水位還可采用平尺水位計進行人工觀測。

（8）大壩下游滲流量監測

利用截滲墻與集滲溝測滲流量，在大壩下游距反濾壩壩腳5m處設置集滲溝，樁號范圍0+125～0+130。量水堰采用三角堰形式，人工觀測。

（9）視頻監視系統

方洲水庫安裝了3套視頻監視系統，1套視頻監視溢洪道，1套視頻監視大壩，另外1套視頻監視方洲水庫管理所辦公樓。

三、大壩安全監測自動化采集系統

1.滲壓計自動化測量原理

滲壓計是一種壓力傳感器。該工程選用BGK-4560S鋼弦式滲壓計，其各種性能優異，長期穩定性好。用滲壓計測量水位，其原理是通過測量張緊鋼弦的頻率變化來測量鋼弦的張力/應變等物理量，將其埋設在水工建筑物、基巖、測壓管、鉆孔、堤壩、管道和壓力容器里，通過壓力感應裝置測量孔隙水壓力，并將得到的壓力換算成相應的水位。

2.大壩安全監測自動化采集系統

采用分布式結構，在方洲水庫管理所設立監控主站，主站內設一臺微機接收來自采集站的數據，主站的作用是對各個采集站進行管理和控制、接收采集的信息、評價安全狀況、報警、向遠程信息中心（遠程辦公室或防汛指揮中心）發送監測數據和評價結果。大壩安全監測系統形象見圖1。

監控主站組成部分包括：系統軟件、微機（及掃描、打印機等輸入輸出設備）、通訊電纜、Modem（調制解調器）、電話線路、防雷器等。

采集站為標準化設置，具有自動采集、檢測、控制、通信的功能。具有獨立性，可以在主站停機的情況下自行采集和處理數據。采用基康公司生產的BGK-Micro-40多通道數據采集儀，適合于自動測讀各種類型的振弦傳感器，每臺儀器可同時接入40支振弦式傳感器，抗干擾能力強，設置RS-232及RS-485雙串口配置。根據現場情況，采集站設在樁號0+170下游高程85.0m平臺上。

圖1 大壩安全監測系統形象圖

四、大壩安全監測系統運行情況

大壩安全監測系統建成至今，已運行多年。在試運行期間所有儀器設備使用運行正常，各監測項目具體運行情況如下：

1.大壩滲壓計水位監測

方洲水庫大壩滲流監測共布置17支滲壓計，從測壓管水位過程曲線可以看出，各測壓管水位變化跟庫水位變化相關，但防滲墻前測壓管水位與庫水位相關性較強，幾乎與庫水位同步變化，而防滲墻后的測壓管水位則與庫水位相關性較弱，尤其是庫水位處于高位運行時，防滲墻后的幾支測壓管沒有顯著的水位上升，變化幅度相對較小。

根據滲流監測數據分析成果可以看出，該監測系統所反映的滲流監測數據穩定并符合土石壩防滲工程一般規律。

2.防滲墻滲控效果分析

（1）防滲墻前后水位差分析

從觀測成果來看，0+130和0＋095斷面在庫水位處于高水位時，防滲墻前后水位差最大達到12.699m，水位差最小也超過了8.839m。

0＋050斷面防滲墻前后水位差相對小一些。影響壩體浸潤線形態的因素很多，包括上游庫水位、降雨及時效、壩殼料土質、壩基形態等因素。左岸岸坡附近測壓管水位相對較高，綜合分析認為，左岸壩殼料土質砂性較強，降雨入滲及左岸山體排水所致。

（2）加固前后壩體滲流場變化

從加固前后觀測成果看出，在上游水位接近或者高的情況下，防滲墻實施后壩體滲壓水位有了一定程度的降低，測壓管水位下降了0.463～1.173m，防滲墻對于降低壩體浸潤線高度，起到了比較明顯的作用。

分析結果表明，防滲墻實施后，壩體滲流情況得到改善，浸潤線得到了降低。測壓管位勢在不同水頭作用下是基本穩定的，大壩運行狀態正常。

3.壩基滲流量分析

滲流量的監測是通過流量堰進行的。對于直角形（θ=90°）三角形堰，滲流量公式可寫成：

式中：C為直角形三角堰的系數，根據實驗（H≈0.05～0.25m），m0=0.396，可得C=1.4；H為堰上水頭。

汛期高水位，通過量水堰測得壩基最大滲流量為0.00253m3/s（含降雨引起的滲流量），滲流量較小。在庫水位小于85.0m，滲流量接近于0。加固前，可查詢的最大滲流量為1994年的0.00698m3/s，

可見，工程加固后，滲流量降低值較大，量水堰所測滲流量最大值較小，目前大壩的滲透穩定是有保障的。

4.巡視檢查

從日常觀測及巡視檢查中，防浪墻、壩頂、迎水坡、背水坡未發現異常現象。防浪墻沒有出現開裂、擠碎、架空、錯斷、傾斜等情況。壩坡未發現裂縫、剝落、滑動、隆起、塌坑、散浸、管涌等現象；壩體與岸坡連續處無裂縫、錯動、滲水等現象。巡視檢查表明，目前大壩運行正常。

5.視頻監視

系統圖像清晰、運行正常。

五、結語

方洲水庫應用大壩安全監測系統，滿足了當前水庫安全與信息管理的需要，測量數據穩定可靠，監測成果反映了大壩的滲流分布及變化情況，正確反應大壩運行狀態，有效地維護了水庫安全生產運行，并為防汛工作提供了重要保障，同時改善了觀測、測量工作人員的工作環境，減少工作人員，真正做到了無人值守、少人值班■