新建重力壩自動化安全監測系統設計與應用

張力鵬

(山西省水利水電勘測設計研究院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概況

某在建水庫位于山西省境內，水庫正常蓄水位為304.50m，死水位為298.00m，壩頂高程為306.50m，正常庫容為982萬m3，水庫總庫容為1080萬m3，死庫容為345萬m3，屬Ⅲ等中型水庫工程。大壩采用混凝土重力壩，最大壩高為31.2m，最大壩寬為34.8m，壩頂軸線長度為180.9m，共分為12個壩段。壩址區地層主要為第四系和侏羅系中下統自流井組(泥巖、砂巖、粉砂巖以及頁巖)，未見斷層發育，在侏羅系中下統自流井組砂巖中發育有三組裂隙，整個壩址區巖體以弱透水性為主，地表水和地下水對混凝土均無腐蝕作用。壩址區多年平均氣溫為12.3℃，多年平均年降雨量為876.0mm。

2 安全監測系統設計

2.1 設備選型

為實現大壩運行狀態全過程監控，利用計算機、傳感器和信息采集處理技術構建大壩運行狀態自動化監測系統，該系統由監測儀器系統、監測數據自動采集系統、計算機網絡系統和安全監測信息管理系統組成[1- 3]，可實現環境量監測、變形監測和滲流監測，如圖1所示。

根據實用性、可靠性、先進性、標準化、經濟性和可擴展性的原則，采用TS11全站儀、Sprinter 250M水準儀，LCF- 1強制對中基座以及B- 2水準標志對大壩變形進行監測，采用VWD- 50J振弦式二向測縫計對大壩接縫變形進行監測，采用BGK- 4500SR滲壓計對繞壩滲透壓力和大壩揚壓力進行監測，采用BGK- 4675LV量水堰計對滲流量進行監測，同時采用NCT3000測量控制單元對所有監測儀器進行控制，并將數據進行統計和匯總。

圖1 自動化監測系統組成

2.2 系統安裝

大壩水平位移監測主要采用強制對中基座和全站儀，監測儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括工作基點2個、校核基點2個、測點12個(每個壩段布設1個)；大壩垂直位移監測主要采用水準標志和水準儀，監測儀器安裝在壩頂、壩肩處，其中包括起測基點2個、水準基點3個、測點12個(每個壩段布設1個)；接縫變形監測主要采用兩向測縫計，安裝在大壩廊道處，共安裝7組(分別在②和③、③和④、④和⑤、⑤和⑥、⑥和⑦、⑦和⑧、⑧和⑨壩段分縫處)共計14支；揚壓力監測和繞壩滲流監測均采用滲壓計，揚壓力共布設18個監測點(12個壩段各布置1個，并在壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700各布設2個橫向觀測點)，均在壩基，而繞壩滲流共布設4個監測點(左、右岸各2個)，均在壩肩；滲流量監測采用量水堰計，兩組均布設在廊道中(左、右岸各布設1組)[4- 5]。

2.3 監測頻率

大壩水平和垂直位移監測頻率為1次/月，大壩外部接縫、裂縫變形監測頻率為1次/月，大壩內部接縫、裂縫監測頻率為1次/月～1次/季，繞壩滲流監測頻率為1次/月，滲流量和揚壓力監測頻率為1次/旬～2次/月[6- 8]。

3 監測成果分析

3.1 表面變形

監測得到的大壩水平和垂直位移基準值情況如圖2所示。從圖2中可知：靠河兩側的壩段水平位移為正，而中間壩段的水平位移為負，表明中間壩段偏離視準線下游方向，兩側壩段偏離視準線上游方向；由于各壩段接縫的存在，各壩段之間存在一定的高程差；由于工程還未正式蓄水，因此目前表面變形監測值可作為今后大壩變形的基準值。

圖2 大壩表面變形監測結果

3.2 接縫變形

不同壩段接縫處的接縫變形量統計結果如圖3所示。從圖3中可知：接縫最大變形量出現在4號監測點(③和④分縫的4號監測點)，為0.56mm；接縫最小變形量出現在13號監測點(⑧和⑨壩段分縫的13號監測點)，為-0.58mm；平均最大變形量為0.32mm，平均最小變形量為-0.51mm，最大變幅為0.78mm，最小變幅為0.22mm。大壩各測縫計測值無突變現象，變形量較小且均勻，總體上向閉合方向發展；大壩分縫開合度受溫度的影響較大，且呈負相關關系，當氣溫較高時，縫面呈閉合狀態，當溫度降低后，縫面呈張開狀態，因此各測點的接縫變形量最小值均出現在12月—次年2月這段時間。

圖3 接縫變形監測結果

3.3 繞壩滲透壓力

監測得到的繞壩滲流滲壓結果如圖4所示。從圖4中可知：在4個繞壩滲流監測點中，右岸(3和4)監測點的滲流水位略大于左岸，平均滲流水位分別為291.07、293.91、294.11和294.88m；由于水庫目前尚未正式蓄水，河道內水位在290m左右，大壩兩側繞壩滲流主要受地下水位的影響，與河道當前水位基本不相關，待水庫正式蓄水后，繞壩滲流會發生相應變化。

圖4 繞壩滲流監測結果

3.4 大壩揚壓力

18個揚壓力滲壓計監測結果如圖5所示。從圖5中可以看到：兩側壩段(1～3監測點、10～12監測點)的揚壓力要明顯大于中間壩段(4～9監測點)的揚壓力；在橫向觀測斷面中，壩橫0+041.500、壩橫0+089.800、壩橫0+107.700的最大揚壓力(13～18監測點)基本相等，但最小揚壓力和平均揚壓力則呈逐漸減小的變化特征，揚壓力的變化幅度逐漸增大；河床段揚壓力主要受河道水位的影響，而岸坡段的揚壓力受河道水位的影響較小，由于目前水庫尚未正式蓄水，因而滲壓計呈現滲透壓力逐漸消散的情況，壩基滲流情況需在正式蓄水后作進一步分析。

圖5 揚壓力監測結果

3.5 滲流量

量水堰實測結果如圖6所示。從圖6中可知：水庫大壩左岸的滲流量大于右岸的滲流量，且變幅也較大；左岸最大滲流量為0.602L/s，平均滲流量為0.15L/s，右岸最大滲流量僅為0.055L/s，平均滲流量為0.041L/s，左岸平均滲流量約為右岸的3.65倍；由于水庫建成時間不長，還未正式蓄水，觀測時間較短，滲流量并沒有明顯規律，但總體來講，滲流量較小，可以認為壩基滲流正常。

圖6 滲流量監測結果

4 討論

本工程采用的是滲流滲壓一體化自動監測設備，可實現對水庫變形和滲流的實時監測，由于水庫并未正式蓄水，因而地下水位對水庫大壩的滲流滲壓的影響較大，這也適用于本地區其他重力壩蓄水初期的變形和滲流滲壓監測，同時可以推測后期影響滲流滲壓的主要因素將是庫區水位和地下水位，同時在系統監測過程中不可忽視的一個重要影響因素是降雨，降雨量和降雨頻率的升高，必然會導致地區地下水位的上升，在這種情況下地下水位對大壩滲流滲壓的影響可能會大于庫區水位對滲流滲壓的影響，從而對大壩整體抗滑穩定性造成危害，因此，在監測過程中必須重視降雨時段數據的異常情況，設置合理的預警值和報警值，從而避免大壩發生潰壩的風險。

5 結語

利用計算機、傳感器和信息采集處理技術，構建重力壩自動化安全監測系統，得出如下結論：

(1)河床段重力壩的滲流滲壓主要受庫區水位升降的影響，而岸坡段滲流滲壓主要受地下水位的影響較大。

(2)大壩分縫開合度受溫度的影響較大，且呈負相關關系，當氣溫較高時，縫面呈閉合狀態，當溫度降低后，縫面呈張開狀態。

(3)左岸的滲流量略大于右岸，前者平均滲流量約為后者的3.65倍，但整體上滲流量均較小，表明壩基巖體較為完整。

(4)由于屬于新建水庫，還未正式蓄水，監測資料還比較少，部分數據沒有表現出明顯規律，這將隨著進一步的觀測而逐漸完善；同時建議后期觀測過程中重點關注降雨時段滲流滲壓的變化情況。