中小型水庫大壩安全監測設施更新改造初探

張宇馳 周志維

(1.南昌經濟技術開發區社會發展局，江西 南昌 330013；2.江西省水利科學研究院，江西 南昌 330029)

中國作為世界上著名的筑壩大國，全國已建成各類水庫大壩近10萬座，數量和規模均居世界首位。江西省作為水利大省，中小型水庫眾多，據統計，全省已建成中小型水庫10605座，占全省水庫總數約98%，這些水庫在江西省的經濟建設和發展中發揮了巨大作用。水庫綜合能效的發揮必須建立在工程安全的基礎上。因此，采取合理有效的措施，了解和掌握在役水庫的安全狀況，對于保障水庫的安全運行具有重要意義。

水庫是否安全，要依托科學的數據。依托大壩預埋的各類監測設施，對大壩的安全狀況實施監測，及時獲取大壩安全監測資料，科學評估大壩的工作狀態，進而采取有效的工程性措施，以確保水庫的安全運行。江西省境內中小型水庫不僅數量多，且絕大多數建于20世紀60—70年代，加上長期以來重建輕管思想的影響，不少水庫至今無任何安全監測設施或監測設施不完善。為此，亟須對中小型水庫大壩安全監測設施實施更新改造，以滿足水庫健康運行的迫切需求。

1 監測設施現狀

大壩安全監測是監視和掌握水庫運行狀態的重要非工程性措施，現行相關行業技術規范規定，常見的大壩安全監測項目包括變形監測、滲流壓力監測、滲流量監測和環境量監測等。常見的中小型水庫安全監測設施主要包括變形觀測墩、測壓管、滲壓計、量水堰、水位計和雨量計等。

隨著江西省水利工程標準化管理工作的有序推進，大壩安全監測設施建設越來越受到水庫管理單位的重視，一大批試點水庫逐步修復完善了大壩安全監測設施。為進一步了解江西省水庫大壩安全監測設施建設及運行現狀，江西省大壩管理中心對全省中型水庫開展了監測資料匯總整編工作，截至2019年3月，累計調查中型水庫201座，調查占比達93%，其結果見表1。

由表1可以看出，江西省中小型水庫大壩安全監測設施主要存在以下幾個方面的問題：

a.設施建設不完備

以表面變形監測設施為例，江西省有93座中型水庫設有表面變形監測設施，占比約46%，雖較2018年的33%有所提高，但總體來看完備水庫數量較少。小型水庫該問題尤其突出，除水位、雨量設施較齊全外，基本未設置其他類型監測設施。

表1 江西省中型水庫大壩安全監測設施調查情況匯總 單位：座

b.自動化程度低

中小型水庫監測方式多以人工觀測為主，特別是表面變形監測，普遍采用水準儀、經緯儀等設備進行監測；僅少數中型水庫埋設了滲壓計，并設置了自動化采集系統。

c.監測數據有效性不高

在已開展滲流壓力監測的119座中型水庫中，有63座水庫存在監測數據異常或數據不可用的現象，占比約為47%，表面變形和滲流量監測數據異常或不可用占比分別為42%和23%。小型水庫以鄉鎮管理居多，技術力量相對薄弱，絕大部分水庫僅開展水位監測。

2 監測設施更新改造

監測設施更新改造是指對運行中的大壩安全監測項目不全、設施損壞、失效等進行的補設、更換、修復和重設等工作，主要內容包括監測設施考證評價、優化設計、埋設施工、驗收運用等。大壩安全監測設施更新改造總體框架見圖1。

圖1 大壩安全監測設施更新改造總體框架

2.1 考證評價

監測設施考證評價是基于現狀調查與現場檢查測試結果，結合大壩實際運行狀態，對照現行規程規范及技術要求，對現有監測設施進行綜合考證評價。涉及的重要安全病險隱患，應采取無損探測和質量檢測等手段輔助調查。

現狀調查需收集大壩結構特性、監測設施布置和安全鑒定報告等資料，并采用現場查看、人員訪談、查閱文件資料相結合的方式，充分了解大壩的基本情況及運行狀況；現場測試以大壩變形、滲流和環境量監測的單個測點為檢查測試評價單元，對所有監測設施點逐一進行檢查測試及整理評價。

監測設施考證評價結論分為正常、基本正常和不正常。考證正常的監測設施應繼續監測；基本正常和不正常的監測設施應及時進行更新改造。

2.2 優化設計

監測設施的優化設計應基于考證結果，滿足現行監測規范要求，密切聯系工程實際，具體布置原則如下：?全面性：以工程等別為依據，確保設計的監測項目齊全；?合理性：根據壩高和壩長，結合現狀調查結果，合理設置監測斷面及選取測點間距；?經濟性：中小型水庫監測設施更新改造經費普遍有限，要充分利用原有考證結果正常監測設施，嚴禁全部廢除，力求新增設施少而精；?先進性：在改造經費充足的前提下，充分考慮自動化監測設施，以滿足新形勢下水庫現代化管理的發展需要。

2.3 安裝埋設

監測設施安裝埋設質量直接關乎監測系統能否正常運行，該項工作應交由具有相關從業經驗的專業施工隊伍負責，嚴格按照設計要求，保證質量，及時到位。局部修復更改的監測設施應與原設施建立聯系，并確保監測數據連續、可靠。

測壓管作為最常見的滲流監測設施，其有效性檢測方法主要包括測壓管靈敏度檢測和淤積高度檢測，且均在庫水位穩定期進行。僅當靈敏度檢測和淤積高度檢測結果均為合格時，該測壓管考證評價結論為正常。

靈敏度檢測一般采用注水試驗，試驗前先測定管中水位，然后向管內注清水。若進水段周圍為壤土料，注水量相當于每米測壓管容積的3～5倍；若為砂粒料，則為5～10倍。注水后不斷觀測水位，直到恢復或接近注水前的水位。對于黏壤土，管內水位在120h內降至原水位為合格；對于砂壤土，24h內降至原水位為合格；對于砂礫土，1～2h降至原水位或注水后水位升高不到3～5m為合格。

測壓管淤積高度檢測采用鉛錘測距法，將系有鉛錘的測繩放入管中，當鉛錘觸碰管底時停止放入，并輕提輕放2～3次，確認鉛錘底部觸地，記錄管口處測繩刻度，用原考證表中對應的測壓管孔深減去記錄刻度，即得測壓管淤積高度，淤積高度在0.5m以內為合格。

2.4 驗收運用

監測設施安裝埋設完成后，由水庫管理單位負責組織專項驗收，驗收小組宜由2～3名熟悉大壩安全監測設施設計或施工的專家組成，并形成驗收意見。驗收完畢后，安裝埋設單位應及時將相關技術資料移交至水庫管理單位。

以土石壩監測設施安裝埋設為例，其測壓管鉆孔應采用錘擊干鉆方式，禁止泥漿護壁，鉆孔孔徑不小于110mm，50m深度內的鉆孔傾斜度應不大于3°；大壩垂直位移和水平位移監測宜共用一個觀測墩，變形監測點和基點均采用帶有強制對中基座的混凝土觀測墩，其底座深度不得小于80cm，強制對中基座應采用二期混凝土安置，二期混凝土與一期混凝土應牢固結合，觀測點水平傾斜度允許偏差不大于4′，基點水平傾斜度允許偏差不大于1′，對中誤差不超過±0.2mm；滲流量監測宜采用直角三角量水堰，堰口為直角等腰三角形，設置于集水溝直線段的堰槽段，并用混凝土將底板和側墻加以砌護固定，以防滲水。

3 案例分析

3.1 工程概況

江西省靖安縣石馬水庫是一座以灌溉為主，兼顧防洪、養殖等綜合利用的中型水庫，大壩為均質土壩。壩軸線長150.0m，壩頂高程97.5m，壩頂寬6.0m。大壩設有混凝土防滲墻，墻頂高程95.85m，墻厚0.60m。上游設有混凝土預制塊護坡，坡比自上而下分別為1∶2.7和1∶3.3，馬道高程87.40m；下游為草皮護坡，馬道設在高程89.35m處，馬道上、下坡比分別為1∶2.5和1∶3.3，壩腳設有排水棱體，棱體頂高程80.66m。

3.2 考證評價

3.2.1 現狀調查

大壩現狀滲流壓力監測設施包括：4根壩體測壓管、7根壩基測壓管和6根繞壩測壓管，總計17根。壩體測壓管位于樁號0+083.3斷面，每個斷面埋設4根；壩基測壓管位于樁號0+030.0和0+081.3斷面，分別布埋設3根和4根；繞壩測壓管位于左右岸壩肩，左右各埋設3根。大壩未設置變形監測設施。大壩滲流量監測設施為三角形量水堰，位于下游壩腳樁號0+087.0處。

3.2.2 現場測試

a.測壓管。P23號測壓管注水后歷時24h，管內水位未能恢復到注水前，故認定該測壓管靈敏度不滿足規范要求。根據測壓管有效性檢驗(靈敏度檢測和淤積高度檢測)結果，I21、P23、P24和I32號測壓管靈敏度較差或淤積較為嚴重，且I04號測壓管已遭到破壞，未能現場找到，難以滿足日常監測要求。

b.量水堰。現場檢查時，量水堰整體完好，堰體埋設合理，堰板銹蝕嚴重，集水溝整體完好，未出現破損現象。

3.2.3 無損探測

現場檢查時發現大壩下游部分區域有少量清水滲出，位置為樁號0+007.0～0+029.0、高程80.66～81.35m。為進一步確定滲漏隱患區域，利用水和土體電阻率的差異性，采用高密度電法對大壩下游壩坡開展無損隱患探測。本次共選取2條縱向測線，分別位于下游壩坡馬道以上1m和排水棱體以上3m處，且每次探測分左右兩個測試段，左測試段起點為左壩肩，右測試段終點為右壩肩。探測電極數量為20道，最小電極間距為2.5m，隱患探測結果見圖2和表2。

圖2 大壩隱患探測結果示意圖

表2 大壩隱患探測結果

從上述隱患探測結果來看，A、B1、B2、B3和B4等五處區域的含水量較高，其中B2和B3區域存在左右測試段部分重復區域，故認為樁號0+022～0+042、0+054.5～0+075、0+075～0+082.5和0+100～0+115四處區域可能存在滲漏通道，壩體或壩基可能存在滲透破壞，擬在相應位置增設滲流監測設施。

綜合現狀調查、現場測試和無損探測結果，大壩變形和滲流量監測設施考證評價結論均為不正常；原有滲流監測設施中，除編號為I21、P23、P24、I32號和I04號測壓管評價結論為不正常外，其余均為正常，需要增設部分測壓管。

3.3 優化設計

依據上述監測設施考證評價結論，在保留原有部分監測設施的前提下，開展大壩安全監測設施優化設計。

a.滲流監測

新增1個壩體滲流監測橫斷面(樁號為0+061.0)和2個壩基監測橫斷面(樁號分別為0+062.0、0+107.0)，合計8根測壓管。此外，重新鉆孔埋設5處(測壓管編號為I21、P23、P24、I32和I04號)，總計13根測壓管。其滲流監測設施優化設計平面布置見圖3。

圖3 滲流監測設施優化設計平面布置圖

b.變形監測

布置4條平行于壩軸線方向的位移觀測線，在樁號0+032和0+075處分別埋設4個位移觀測點(水平和垂直位移共用觀測點，觀測點編號S1～S8)，且在兩岸山體基巖穩定處各布設2個工作基點(測點編號GS1、GS2)和2個校核基點(測點編號JS1、JS2)，共計12個基點。其變形監測設施優化設計平面布置見圖4。

圖4 變形監測設施優化設計平面布置圖

c.滲流量監測

僅更換量水堰堰板。

3.4 安裝埋設

根據監測設施改造優化設計要求，測壓管埋設采用錘擊干鉆法，孔徑為110mm，測壓管選用外徑60mm的熱鍍鋅鋼管，測壓管現場埋設情況見圖5。變形監測點和基點均采用帶有強制對中基座的混凝土觀測墩，高出地面1.2m，變形觀測墩現場安置情況見圖6。三角量水堰板采用不銹鋼材質，過流堰口倒角為45°。

圖5 測壓管現場埋設情況

4 結 語

目前，水利行業關于在役水庫大壩安全監測設施更新改造缺乏明確的專項技術規程。本文在分析江西省中小型水庫大壩安全監測設施現狀的基礎上，提出適用于中小型水庫大壩安全監測設施更新改造系列方法，旨在為大壩安全監測設施更新改造工程實踐提供可借鑒的方法，并為將來制定大壩安全監測設施更新改造相關專項技術規范提供依據。