響洪甸水庫大壩安全監測設施現狀分析及改進

陳金干

(安徽省響洪甸水庫管理處，安徽 金寨 237335)

響洪甸水庫流域面積1 400 km2，總庫容26.1×108m3。設計洪水標準500年一遇，校核洪水標準5 000年一遇，同時為淮河干流預留5×108m3蓄洪錯峰庫容。水庫樞紐由大壩、溢洪道、新泄洪隧洞、老泄洪隧洞、發電廠等組成。大壩為等半徑定圓心混凝土重力拱壩，壩頂高程 143.4 m，大壩最大壩高87.5 m。水庫正常蓄水位128.0 m，設計洪水位140.98 m，校核洪水位143.37 m。

1963年發現左壩肩 F2斷層，1965年、1985年分別對F2斷層進行設置排水孔、灌漿、設置監測儀器處理，2009年除險加固中增設了混凝土抗滑墩、斷層表面混凝土塞和237根單根錨桿鎖定值3000kN預應力錨索。

1 大壩安全監測設施現狀及存在的不足

1.1 現有監測設施

水庫大壩現有監測項目包括環境量(水位、氣溫、水溫、降雨等)、變形監測(大壩水平位移、垂直位移及壩體裂縫等)、滲流監測(揚壓力、壩基排水量、繞壩滲流)及混凝土溫度、F2斷層平硐監測等項目。

(1)環境量監測。主要有：水位監測為浮子式自計水位計、水尺；水溫監測采用安裝于15#壩段壩前的13支水溫計(2011年11月更換)；氣溫監測為設立在壩頂及壩后工作橋的兩支自記溫度計進行監測( 2012年3月更換)；降雨量為自記雨量計監測，從1977年開始監測。

(2)變形監測。水平位移監測：響洪甸水庫分別在13#壩塊基巖、13#壩塊頂、右拱座、左拱座設置拱冠倒、拱冠正、右垂、左垂舊、左垂新5個水平位移觀測點。每個測點安裝CW-CG2型遙測垂線觀測儀1臺和人工觀測垂線坐標儀1臺，觀測時采用兩臺光學讀數儀，進行徑向和切向位移的觀測。

垂直位移監測：共布置了40個測點，分別在壩頂、壩下游面壩后橋約86.5 m高程處7#-19#壩塊、23#壩塊下游壩腳布置了25個、13個、2個測點，每壩塊設1個監測標點，大壩垂直位移監測網的校核水準點設在大壩下游約1 km處，公路旁設有3個基點，在壩上、壩下各設1個基點。

(3)滲流監測。壩基揚壓力監測：自動化監測測點共34個，并保留21支人工監測點，分別布置在6#、9#-12#、14#、16#、18#和20#壩段。監測方法:對于測壓管水位較高的，安裝壓力表進行監測；對測壓管水位低于管口的，用萬用表配合探棒測電阻法進行測量，自動化監測是孔內安裝滲壓計。

壩基滲漏量監測：人工監測壩基排水孔共61個，對排水孔用容積法施測，每月觀測一次。采用量水堰進行自動化監測壩基總滲流量。

繞壩滲流監測：繞壩滲流自動化監測測點共22個，安裝BGK-4500S滲壓計22只，其中，右岸5個，左岸17個。

(4)壩體混凝土溫度監測。混凝土溫度監測共計28支溫度計。在15#壩塊內的141.5 m、132.5 m、117.5 m、102.5 m高程分別布置3支混凝土溫度計，87.5 m和70.5m高程分別布置5支溫度計。在廊道9#、11#、14#3個壩塊各埋設2支電阻溫度計，深入基巖0.5 m～1 m。在大壩安全監測系統自動化工程中，另安裝壩后保溫層溫度計6組12支，接入15#壩塊。

(5)壩縫監測。共計安裝3向測縫計31套，2向測縫計21套。在壩后高程128 m的2#～23#壩塊接縫共布置2向測縫計21套，分別在壩后高程101 m的5#～21#壩塊接縫布置16套、廊道內高程74.5 m的6#～20#壩塊接縫布置14套3向測縫計，同時于1#壩塊貫穿裂縫安裝3向測縫計1套，用于觀測裂縫變化。

(6)F2斷層監測。包括①斷層溫度監測。F2平硐溫度計5支，TP01～TP05。②引伸儀、剪切計、測縫計。引伸儀2只，其中長引伸儀橫跨F2系列斷層，用以測量F2系列斷層的張合，并在其上安放了兩只電阻溫度計，用以溫度修正；短引伸儀橫跨F2-1斷層，用以測量F2-1斷層的張合。長引伸儀精度0.1 mm，短引伸儀精度0.06 mm。剪切計安裝在F2-2斷層上下盤，用以測量F2-2斷層的剪切變形。2組3向測縫計，安裝在F2主斷層F2-1兩邊支洞上，用以測量F2-1X、Y、Z三向的變化規律。③多點位移計。多點位移計5組，由上至下貫穿F2斷層，觀測F2斷層變化。一組多點位移計共有4個錨頭，錨頭1深入巖體4 m，錨頭2深入巖體10 m，錨頭3深入巖體18 m，錨頭4深入巖體24 m。④錨索測力計。F2斷層錨索測力計共6支，分3個臺面布置，分別在高程115 m、125 m、135 m平臺上面。

1.2 大壩安全監測設施存在的不足

(1)響洪甸水庫大壩作為1級水工建筑物，監測項目基本完整，但缺少壩體表面水平位移監測設施以及左岸邊坡的表面位移監測設施。

(2)現有5套垂線裝置運行環境潮濕，儀器銹蝕，部分設備缺少備品備件；觀測墩設計存在缺陷，不便于取電與觀測，維護保養困難；缺少防灰防潮設施。

(3)排水設施布置不合理，影響廊道內美觀及安全性，且不便于監測；揚壓力監測設施缺少自動排氣裝置，存在讀數表量程選擇不合理等問題。

(4)F2斷層平硐因常年潮濕悶熱，原引伸計連接裝置和固定裝置等設備出現嚴重銹蝕，影響儀器觀測成果。

(5)大壩自動化系統部分儀器設備、線纜等已損壞或測值異常。

(6)大壩監測數據中發現疑點或異常測值，需系統分析異常測值的成因，重新擬定重點監測項目的監控指標。

(7)大壩安全監測、閘門監視監控、水文自動測報等自動化系統的運行多年，為適應水庫運行管理工作需要，有必要進行升級改造。

(8)沒有壩頂水平位移和左岸邊坡變形觀測設施。

2 大壩安全監測設施的完善

2.1 變形監測設施

2.1.1 大壩表面位移監測

為了全面監測壩頂的表面變形情況，在大壩每個壩段的壩頂增設1個水平位移標點和1個垂直位移標點，共24個水平位移標點和24個垂直位移標點，并在大壩左右岸設置2個水平位移工作基點和2個水平位移校核基點。

2個水平位移校核基點分別設置在大壩左右岸山體上，測點布置位置應滿足平面控制網精度要求和通視要求。

為了提高外觀變形工作效率、觀測精度和響應速度，滿足全天候觀測的需要，特別是極端氣候條件下觀測的需要，新建測量機器人自動化觀測系統。

大壩壩頂弧長367.5 m，弦長307 m，采用1臺高精度測量機器人觀測方案可滿足精度要求。測量機器人采用0.5″級高精度全自動全站儀，并配備相應觀測軟件和分析軟件，安置在測量機器人站房的工作基點上，站房中配備有自動視窗系統、防雷系統、門禁系統、安防系統、氣壓計、干濕溫度計、風雨感應器、空調、交換機、配電箱等設備，系統可根據需要定時觀測和實時召測。

2.1.2 大壩壩體傾斜監測

由于原有步進式垂線坐標儀性能降低，將原有5個步進式垂線坐標儀更換為CCD光電式垂線坐標儀，并對坐標儀支架和基座進行改造；增設5個可以防塵、防潮的防護罩，防護罩上開透明觀測窗，便于觀測垂線坐標儀讀數。對原老化通訊線、電源線進行更換，并用不銹鋼線纜保護管(線槽板)對線纜加以保護。

2.1.3 左岸邊坡表面變形監測

在左岸邊坡滑坡體每個平臺各增設1個水平位移標點和1個垂直位移標點，共3個水平位移標點和3個垂直位移標點，用于監測左岸邊坡表面變形，并將其納入大壩壩頂測量機器人系統進行自動化觀測。

2.1.4 F2斷層平硐監測

F2斷層平硐內儀器出現不同程度銹蝕，引伸計銹蝕情況較嚴重，可能對后續監測結果造成影響。為了保證儀器長期穩定運行與數據準確可靠，對銹蝕較重的長引伸計、短引伸計和三向測縫計連接裝置和固定裝置更換為不銹鋼材料。

2.2 滲流監測設施

根據現場調研及評判，滲流監測設施更新主要包括：①采用壓力表監測的儀表量程偏大，導致監測精度降低，擬選擇35個測點，根據每個測點的實際讀數選擇合適量程的高精度壓力表來提高測量精度；②現有量水堰堰槽存在一定安全隱患，除留出現有量水堰堰體滲流通道外，其余部位進行砌筑封閉；③對采用壓力表監測的測壓管，加裝15套自動排氣裝置，防止人工排氣不及時、管道內殘留空氣或真空等因素對揚壓力測值準確性的影響；④對73.5 m高程廊道中排水孔進行更新改造，增設24套廊道排水孔排水裝置，將排水孔引伸至廊道靠上游側，同時取消排水孔蓋板，對原有廊道排水孔溝槽砌筑封閉；⑤對銹蝕嚴重，暴露在外的傳感器電纜線進行更新，并用不銹鋼線纜保護管加以保護。

2.3 環境量監測設施

原有水庫水溫計13支，均位于15#壩段壩前，原13支水溫計安裝于兩套保護管中，均有部分損壞。完善方案擬構造一個溫度計豎井，井內布置13支水庫水溫計，水溫計外用DN200熱鍍鋅鋼管加以保護，并用五芯電纜線接入自動化監測系統。

3 安全監測自動化系統

3.1 自動化采集設備系統改進

3.1.1 更換增加數據采集單元

原有數據采集單元長時間在惡劣環境下工作，部分測量模塊已失效或功能不穩定，新增測量機器人等監測設施。對失效或不穩定的測量模塊進行更換，并適當新增測量模塊。

3.1.2 更換光端機

在大壩原光端機所在部位布置1個發射光端機，在機房布置1個接收光端機。響洪甸水庫共需1個發射光端機，1個接收光端機，光端機均應符合標準。

3.1.3 更換MCU保護箱

在每個數據采集單元集或儀器電纜測量端集中點，布置保護箱，要求保護箱具有防潮、防腐蝕、接地等功能，保護箱內放置防雷、供電及光端機等設備，根據現場情況，設置3套保護箱。

3.2 計算機網絡與通信系統

(1)服務器、客戶端設備升級。現有的安全監測服務器和客戶端計算機已經運行多年，硬件配置已經不滿足應用需求。根據需要更新2臺客戶端計算機、增購2臺移動工作站和1臺服務器。

(2)網絡安全升級。改造內容包括新增網絡防火墻、更新管理處機房現有的路由器、核心交換機和接入交換機，并且按照規定要求設置網絡訪問策略，保證局域網內的網絡安全。

3.3 大壩安全管理信息系統

結合工程情況和相關實時數據采集系統對大壩安全進行監管，功能包括大壩安全監測數據采集、監測數據分析、大壩安全評估、巡視檢查等方面，主要功能貫穿于水庫大壩安全監測和管理的各個環節，在系統總體設計時需要考慮響洪甸水庫即將建設的標準化管理系統，數據采集存儲、分析評估、巡視檢查等業務必須滿足標準化管理的要求，并且預留與其他業務系統的接口，形成一套滿足響洪甸水庫大壩安全監管業務需求的業務管理平臺。

3.3.1 功能框架

包含有水庫大壩一張圖、基本信息、大壩安全監測、監測數據分析、大壩安全評估和系統管理等功能，系統的主要功能結構詳如圖1所示。

圖1 系統功能結構圖

3.3.2 系統功能

(1)水庫大壩一張圖。借助于地理信息系統(GIS)，在一張地圖上展示水庫各類監測儀器設備的位置關系、數據信息和統計信息，結合圖形、表格、熱點、氣泡等表現方式，充分實現系統的可視化、形象化，將水庫的主要信息進行集中展示。

(2)基本信息。基本信息查詢主要用于水庫信息的在線查詢、查看，主要包括水庫的工程概況、地理位置、管理機構及人員、水庫概況、水庫特性、工程面貌、工程信息、管理法規以及水庫下游防護對象的社會經濟情況等，主要采用直觀、清晰的地圖、圖形表格以及簡要文字等方式。

(3)大壩安全監測。大壩安全監測模塊主要用于針對水庫大壩安全監測信息進行集中管理分析，實現數據整編，提供數據查詢、特征值查詢，并記錄監測數據的超限記錄情況，查看過程變化趨勢，形成滿足需求的圖形報表。系統還提供安全巡視檢查記錄輸入，可以形成巡檢報告。可以從數據庫中自動抽取數據進行分析整編，對大壩安全運行情況做出評價，自動生成綜合管理報告。

大壩安全監測系統的結構圖如圖2所示。

圖2 安全監測系統結構圖

(4)大壩安全分析評價。大壩安全評估主要根據當前水庫本期監測數據和歷時監測數據，通過數值計算和分析，計算大壩各項安全指標，預測大壩各監測分量發展趨勢。

4 結束語

水庫大壩安全監測設施是監控大壩運行的眼睛，它能及時反映水庫大壩的運行狀態，對水庫大壩安全管理至關重要。根據新時代水庫管理現代化智能化的新要求，目前，響洪甸水庫管理處正在對大壩安全監測設施完善提出方案。本文提出的大壩安全監測設施改造方案，給響洪甸水庫大壩安全監測設施改造提供思路和參考。