抽水蓄能電站棄渣場自動化監(jiān)測設(shè)置研究

張建龍，劉殿海，王 玨，程亞男，徐亞楠，田 侃

（國網(wǎng)新源控股有限公司抽水蓄能技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究院，北京市 100761）

0 引言

通常情況下，抽水蓄能電站的上、下水庫均是利用自然地形開挖形成的，發(fā)電廠房及輸水系統(tǒng)均為地下工程，因此，抽水蓄能電站建設(shè)過程中一般會產(chǎn)生大量的棄渣，棄渣場也因此而生，并成為抽水蓄能電站重要的施工輔助工程。然而，由于棄渣場規(guī)模大，數(shù)量多，且結(jié)構(gòu)疏松，容易在降水、大風(fēng)和重力作用下發(fā)生侵蝕，因此，成為引發(fā)水土流失的主要來源，成為抽水蓄能電站建設(shè)、運(yùn)行期間的重大安全風(fēng)險源[1-2]，如2015年12月20日發(fā)生的深圳市光明新區(qū)渣土場特別重大滑坡事故。因此，對棄渣場開展日常安全監(jiān)測是非常必要的。

近期針對我國17個抽水蓄能電站共48個棄渣場的運(yùn)維情況進(jìn)行了調(diào)研，結(jié)果如圖1所示，可見，有13個棄渣場在后期運(yùn)行中出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，并投入專項(xiàng)資金進(jìn)行維護(hù)，約占總量的31%；面對這種不穩(wěn)定風(fēng)險源，而僅有3個棄渣場有監(jiān)測設(shè)施，其余電站均無監(jiān)測設(shè)施。

圖1 棄渣場運(yùn)維情況統(tǒng)計(jì)[2]Figure 1 Operation and maintenance statistics of spoil area

另在本次調(diào)研中，就棄渣場自動監(jiān)測的必要性與各電站進(jìn)行了溝通交流，各電站均反映，目前各電站棄渣場基本上均未設(shè)監(jiān)測設(shè)施，日常以現(xiàn)場巡檢為主要檢查手段，方式單一，無法及時發(fā)現(xiàn)攔渣壩變形情況，強(qiáng)烈建議在后續(xù)電站棄渣場建設(shè)中埋設(shè)、布置可靠的監(jiān)測儀器，接入自動化系統(tǒng)。

1 抽水蓄能電站棄渣場自動化監(jiān)測的任務(wù)與作用

1.1 棄渣場監(jiān)測的任務(wù)與內(nèi)容

棄渣場穩(wěn)定性監(jiān)測的主要任務(wù)就是確保渣場安全，通過監(jiān)測數(shù)據(jù)反演分析邊坡穩(wěn)定性機(jī)理及其物理力學(xué)的分布特征；同時積累豐富的資料，作為工程其他部位設(shè)計(jì)和施工的參考依據(jù)。根據(jù)《生產(chǎn)建設(shè)項(xiàng)目水土保持監(jiān)測規(guī)程（試行）》（辦水保〔2015〕139號，以下簡稱《規(guī)程》），棄渣場的監(jiān)測內(nèi)容包括渣場的數(shù)量、位置、方量、表土剝離、防治措施落實(shí)情況等。除《規(guī)程》規(guī)定的監(jiān)測內(nèi)容外，還應(yīng)對棄渣施工方式、堆渣邊坡情況、防治措施效果等開展監(jiān)控。在棄渣場關(guān)鍵部位（具體部位可根據(jù)在日常運(yùn)維過程中發(fā)現(xiàn)的有裂縫、滑坡等部位設(shè)置）增加自動化監(jiān)測和視頻監(jiān)控[3]，一方面可提前發(fā)現(xiàn)異常情況，另一方面在極端天氣情況下可做好預(yù)警，提前通知下游人員，做好人員設(shè)備轉(zhuǎn)移，確保安全。如某抽水蓄能電站2018年對上水庫壩腳渣場左側(cè)邊坡進(jìn)行整體護(hù)坡處理。確保攔渣壩邊坡結(jié)構(gòu)牢固，防止壩腳渣場出現(xiàn)位移、變形等安全隱患，保障渣場安全穩(wěn)定運(yùn)行。電站根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，布設(shè)排水溝、排水管等排水設(shè)施，并在渣場裝設(shè)監(jiān)測設(shè)施，測點(diǎn)建成后并入上庫變形觀測網(wǎng)進(jìn)行觀測。通過監(jiān)測儀器數(shù)字化的手段及時掌握渣場的位移、變形，以及通過排水設(shè)施的裝設(shè)及時排除渣體的滲水、積水，保障渣場安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 棄渣場監(jiān)測作用

渣場監(jiān)測內(nèi)容應(yīng)根據(jù)渣場等級、失事危害程度、渣場布置等因素確定，并納入工程整體監(jiān)測范圍。渣場監(jiān)測斷面或監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置應(yīng)根據(jù)渣場布置、穩(wěn)定分析、地形地貌等因素確定，監(jiān)測設(shè)施宜采用自動化設(shè)備，并設(shè)置監(jiān)測通道。對渣體邊坡工程實(shí)施監(jiān)測的作用在于：

（1）邊坡監(jiān)測可獲得更充分的現(xiàn)場資料和邊坡穩(wěn)定性發(fā)展的動態(tài)，從而圈定邊坡的不穩(wěn)定區(qū)段[4]。

（2）通過渣體邊坡監(jiān)測，確定不穩(wěn)定邊坡的滑坡破壞模式，確定不穩(wěn)定邊坡變形和滑移的變化規(guī)律，為采取必要的防護(hù)措施提供重要的依據(jù)[4]。

（3）為渣體邊坡的穩(wěn)定性分析和安全預(yù)警提供重要依據(jù)[4]。

2 棄渣場的監(jiān)測方法

棄渣場邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測系統(tǒng)包括儀器安裝、數(shù)據(jù)采集、傳輸和存儲、數(shù)據(jù)處理、預(yù)測預(yù)報(bào)等。穩(wěn)定性監(jiān)測應(yīng)采用先進(jìn)和經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方法技術(shù)。監(jiān)測內(nèi)容一般包括：地表大地變形監(jiān)測、地表裂縫位移監(jiān)測、邊坡內(nèi)鉆孔傾斜儀變形觀測、邊坡裂縫多點(diǎn)位移計(jì)監(jiān)測、邊坡深部位移監(jiān)測、地下水動態(tài)監(jiān)測、孔隙水壓力監(jiān)測等[4]。

（1）地表大地變形監(jiān)測是邊坡監(jiān)測中常用的方法。采用全站式電子測距經(jīng)緯儀、水準(zhǔn)儀以及GPS自動化遙測系統(tǒng)等測量儀器，用以監(jiān)測了解邊坡體的水平位移、垂直位移以及變化速率。

（2）地下水動態(tài)監(jiān)測是了解地下水位、水壓的變化，以進(jìn)行地下水孔隙水壓力、動水壓力及地下水浸潤線的觀測。

（3）邊坡深部位移監(jiān)測是監(jiān)測邊坡體內(nèi)部變形的重要方法，采用鉆孔伸長計(jì)和傾斜儀了解邊坡深部的位移情況。

2.1 渣場地表位移觀測方法

（1）應(yīng)用幾何測量方法進(jìn)行渣場變形與位移觀測；在渣場平臺及邊坡上埋設(shè)觀測點(diǎn)，采用經(jīng)緯儀和水準(zhǔn)儀分別對觀測點(diǎn)的水平位移和垂直位移進(jìn)行定期觀測。這種常規(guī)測量方法的精度較高，但是外業(yè)和內(nèi)業(yè)工作量較復(fù)雜。

（2）應(yīng)用高精度紅外線測距儀，全站式光電測距經(jīng)緯儀代替常規(guī)的鋼尺量距，三角高程和一般經(jīng)緯儀導(dǎo)線網(wǎng)測量，可以提高觀測精度和工作效率。

（3）應(yīng)用立體攝影經(jīng)緯儀監(jiān)測渣場大面積位移，當(dāng)渣場表層位移量大時，攝影測量可能達(dá)到實(shí)用的精度。同時，它的外業(yè)工作量大量減少，內(nèi)業(yè)計(jì)算和成圖可以自動化。

2.2 渣體邊坡內(nèi)部位移監(jiān)測

邊坡深部位移監(jiān)測是監(jiān)測渣場邊坡內(nèi)部變形和潛在滑移面位置的重要手段。傳統(tǒng)的地表測量具有范圍大、精度高等優(yōu)點(diǎn)；裂縫測量也因其直觀性強(qiáng)、方便適用等特點(diǎn)而廣泛使用，但它們不能測到渣體邊坡巖土體內(nèi)部的變化；而深部位移測量可以了解邊坡深部，特別是滑動帶的位移情況[4]。內(nèi)部位移監(jiān)測手段目前使用較多的有鉆孔伸長儀和鉆孔測斜儀。

（1）在渣場和地基巖層內(nèi)部安裝多點(diǎn)位移計(jì)和長距離發(fā)送信號的位移傳感器（無線傳送）可以高精度遙測渣場邊坡內(nèi)部測點(diǎn)的變形，也可以在渣場邊坡面設(shè)置 GPS點(diǎn)位自動觀測站，做到自動監(jiān)測和滑坡預(yù)報(bào)。

（2）安裝水壓計(jì)進(jìn)行渣場及地基孔隙水壓力的觀測，可以預(yù)測基底承載能力和邊坡穩(wěn)定性狀態(tài)。

2.3 渣場自動化監(jiān)測

常規(guī)導(dǎo)線測量的觀測方法對于渣場穩(wěn)定性的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)精度不足以滿足位移預(yù)測分析的需要，尤其采用人工觀測方法，往往觀測頻度不夠，觀測數(shù)據(jù)較為分散，對于地下水的變化和地下水位線觀測等難于得到連續(xù)而自動化的觀測數(shù)據(jù)，故難以滿足渣場滑坡位移預(yù)測分析的需要，使得渣場安全管理存在不確定性和潛在風(fēng)險。

渣場穩(wěn)定性的自動化監(jiān)測系統(tǒng)組成和監(jiān)測目標(biāo)包括整體監(jiān)測系統(tǒng)、GPS表面變形監(jiān)測系統(tǒng)，以及電腦監(jiān)測軟件系統(tǒng)。觀測站采用的儀器設(shè)備包括GPS衛(wèi)星坐標(biāo)自動觀測系統(tǒng)，鋼絲（含玻璃纖維線）伸長計(jì)、鉆孔傾斜儀、鉆孔水壓計(jì)、振弦式滲壓計(jì)、應(yīng)力應(yīng)變計(jì)、浮子式水位計(jì)等。

自動監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測目標(biāo)是保證在任何氣候條件下，能在現(xiàn)場及時采集浸潤線數(shù)據(jù)、渣體內(nèi)部位移數(shù)據(jù)、降雨量數(shù)據(jù)、渣體表面水平位移和壩體沉降數(shù)據(jù)；電腦監(jiān)測軟件系統(tǒng)，可及時地對有關(guān)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行自動采集、存儲、加工處理和輸入輸出，可以利用安全監(jiān)測數(shù)據(jù)和各種安全信息對渣體活動性態(tài)做出初步分析判斷和報(bào)警，能對壩體的安全監(jiān)測資料進(jìn)行整編分析，生成有關(guān)報(bào)表和圖形，并可通過網(wǎng)頁瀏覽和發(fā)布，做好渣場安全運(yùn)行和管理工作。

渣場監(jiān)測宜根據(jù)原始地形、地貌、地下水位線選取典型監(jiān)測斷面，采取自動化監(jiān)測手段，減少人力成本，降低安全風(fēng)險。

3 典型案例

本文以福建某抽水蓄能電站1號棄渣場邊坡自動化監(jiān)測[5]進(jìn)行分析。

3.1 自動化監(jiān)測系統(tǒng)的布設(shè)

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)由3個子系統(tǒng)組成，即深部位移監(jiān)測子系統(tǒng)、地下水監(jiān)測子系統(tǒng)、雨量監(jiān)測子系統(tǒng)，監(jiān)測內(nèi)容為邊坡土體深部位移、地下水位變化、降雨量等（見圖2、圖3）。邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)可以監(jiān)測水電站渣場堆填體變形數(shù)據(jù)以及邊坡滲流場變化情況，并對邊坡滑移方向、滑移變化速度、滑動面位置進(jìn)行監(jiān)測，得到變形與滲流場相互作用情況，從而對邊坡安全進(jìn)行分析評估。

圖2 自動化監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)框架圖[5]Figure 2 Technical framework of automatic monitoring system

圖3 監(jiān)測設(shè)備布設(shè)示意圖[5]Figure 3 Schematic diagram of monitoring equipment layout

邊坡自動化監(jiān)測系統(tǒng)包括深部位移自動化監(jiān)測子系統(tǒng)、地下水監(jiān)測子系統(tǒng)、降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)。

深部位移自動化子監(jiān)測系統(tǒng)是以柔性測斜儀進(jìn)行監(jiān)測，地下水監(jiān)測子系統(tǒng)是以滲壓計(jì)進(jìn)行監(jiān)測，而雨量計(jì)則承擔(dān)降雨量監(jiān)測子系統(tǒng)的功能。

根據(jù)電站1號棄渣場特點(diǎn)，選取了3個位置進(jìn)行深部位移自動化監(jiān)測，分別是CX1、CX2、CX3。基站的放置位置需考慮到太陽能使用，且與3個孔位相距不宜太遠(yuǎn)，經(jīng)過綜合考慮，地表監(jiān)測設(shè)備放置在鉆孔 CK2 附近。

3個滲壓計(jì)放置于3個測斜孔內(nèi)，安裝順序先于柔性測斜儀。柔性測斜儀與滲壓計(jì)放置于同一個孔內(nèi)，安裝順序上是滲壓計(jì)優(yōu)先。滲壓計(jì)放置于孔底后，進(jìn)行填砂處理，使得柔性測斜儀能夠在制定位置上進(jìn)行放置。鑒于柔性測斜儀價格昂貴，本項(xiàng)目選購是3個長度10m的柔性測斜儀，選取的柔性測斜儀固定點(diǎn)位置是入巖4m位置，柔性測斜儀放置完畢后，仍進(jìn)行填砂處理，以便固定柔性測斜儀于測斜孔內(nèi)，達(dá)到同步變形的效果。隨后進(jìn)行灌水處理，使得沙子可以隨重力下降，避免產(chǎn)生測斜儀孔部分位置中空現(xiàn)象，影響測量數(shù)據(jù)異常。現(xiàn)場照片見圖4。

圖4 現(xiàn)場照片F(xiàn)igure 4 The scene photos

本次采用的柔性測斜儀有如下特點(diǎn)：

（1）自動化程度高，通過外網(wǎng)，可遠(yuǎn)程、自動化采集和處理數(shù)據(jù)。

（2）變形測試范圍大，可測試10m長度范圍內(nèi)渣體的位移和變形。

（3）不僅可以測試順坡面方向位移，還可以測試平行于坡面方向的位移。

（4）測斜儀有4m長位于中風(fēng)化基巖中，理論上位于基巖中的測斜儀無任何方向的位移，可以用來作為基準(zhǔn)校核其余6m長度的位移。

（5）地下水位、降雨量測試和渣體變形同時監(jiān)測，即監(jiān)測系統(tǒng)可以同時接收到的監(jiān)測信息包括：3個柔性測斜儀收集的深層水平位移；滲壓計(jì)收集的地下水位變化；雨量計(jì)收集的降雨量。

（6）監(jiān)測設(shè)備維護(hù)要注意防治螞蟻對傳輸線路的破壞，本次踏勘發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和傳輸箱內(nèi)螞蟻聚集，可能會損壞設(shè)備[見圖4（c）]，后續(xù)類似項(xiàng)目野外設(shè)備要考慮和做好密封和防蟲處理。

3.2 自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析評估

監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、傳輸均為自動化，可通過外網(wǎng)無線收集處理，通過對接收到的監(jiān)測信息進(jìn)行處理來對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性評估。

監(jiān)測系統(tǒng)于2019 年3 月20 日初始值設(shè)定后便持續(xù)采集監(jiān)測信息，開始采用的監(jiān)測頻率為每小時采集一次數(shù)據(jù)，監(jiān)測獲取信息經(jīng)過“某抽水蓄能電站安全監(jiān)測信息處理系統(tǒng)”以圖表形式表示，鑒于監(jiān)測頻率過高，該處理系統(tǒng)中數(shù)據(jù)以“日”為單位顯示變化情況。

3.2.1 位移監(jiān)測成果

根據(jù)監(jiān)測成果，監(jiān)測周期內(nèi)總位移相對變化量較少，最大不超過1mm，考慮到監(jiān)測設(shè)備的精度和誤差等，就變形監(jiān)測而言，棄渣體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2.2 地下水位

監(jiān)測期內(nèi)地下水位的變幅有如下特點(diǎn)：

（1）DXS1 滲壓計(jì)埋設(shè)于CX1 孔內(nèi)，初始值讀數(shù)為79.35kPa，可見在監(jiān)測周期內(nèi)，水位一直處于上升趨勢，最高上升了1.94m，這和CX1鉆孔所處的位置可能有關(guān)。鉆孔CX1位于斜坡段，且高程較低，可能受渣體內(nèi)地下水潛在排泄的影響，棄渣受大氣降雨影響，下滲和運(yùn)移的地下水對CX1鉆孔處的水位可能有一定的補(bǔ)給作用，故地下水位不斷抬升，見表1。

表1 DXS1水位變化情況匯總表Table 1 A summary table of changes in water levels for DXS1

（2）DXS2 滲壓計(jì)埋設(shè)于CX2 孔內(nèi)，初始值讀數(shù)為144.78kPa，根據(jù)表2進(jìn)行分析，地下水水位變化幅度不及CX1顯著，但一定程度上表明，雖然棄渣體透水性較差，但是CX2鉆孔底部的地下水仍然受周邊地下水的影響。

表2 DXS2水位變化情況匯總表Table 2 A summary table of changes in water levels for DXS2

（3）DXS3 滲壓計(jì)埋設(shè)于CX3 孔內(nèi)，初始值讀數(shù)為87.93kPa，由表3分析可知，監(jiān)測期內(nèi)地下水水位均低于初始水位，和鉆孔中原始水位相比，5月28日最大高度差可達(dá)1.3m，但6月19日水位又回升顯著，和原始水位僅差0.17m。CX3鉆孔位于棄渣場的平臺地區(qū)，地下水位變化可能和渣體表面大氣降雨入滲渣體有關(guān)。

表3 DXS3水位變化情況匯總表Table 3 A summary table of changes in water levels for DXS3

3.2.3 降雨量監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

從2019 年3 月20 日到6 月10 日的雨量變化趨勢見圖5，可以看到，5月1日降雨量最大，雨量達(dá)到6.8mm。3月23日雨量達(dá)到2.6mm，6月2 日雨量達(dá)到2.0mm。

圖5 雨量變化曲線[5]Figure 5 Rainfall curve

地下水水位的變化和降雨量有一定的相關(guān)性，且明顯滯后于降雨量的變化，這一規(guī)律也符合混雜堆積體—棄渣體中地下水的滲流和運(yùn)移特點(diǎn)。

4 結(jié)論和建議

綜上所述，棄渣流失具有形式多樣、失穩(wěn)后強(qiáng)度變化大、危害大等特點(diǎn)，因此，埋設(shè)自動化監(jiān)測設(shè)備是非常必要的，特別是在極端天氣情況下，正是棄渣場發(fā)生穩(wěn)定風(fēng)險的關(guān)鍵時間[6-7]。通過自動化監(jiān)測設(shè)備可實(shí)時獲得渣場的情況，為安全事故的發(fā)生起到很好的應(yīng)急預(yù)警作用。建議新建抽水蓄能電站在設(shè)計(jì)時就考慮監(jiān)測設(shè)施的布設(shè)，觀測和監(jiān)測設(shè)施盡可能采用先進(jìn)可靠的自動化采集設(shè)備。已運(yùn)行電站，建議在棄渣場運(yùn)維期間投入專項(xiàng)資金改造現(xiàn)有渣場的監(jiān)測監(jiān)控設(shè)備，確保安全生產(chǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。