泰安大河水庫大壩變形監測設計分析

孫雪琦，卞俊威，崔文戈

（1．山東省水利科學研究院，山東 濟南 250014；2.沂南縣水利工程保障中心，山東 沂南 276300）

水庫在防洪、供水、發電、灌溉、環境生態等方面發揮著巨大作用，有著明顯的社會效益和經濟效益，水庫的安全也關系到下游地區經濟社會的發展和廣大人民的生命財產安全。大壩是水庫的關鍵性構造，受到季節、環境等因素影響，常要面臨巨大的水流壓力，大壩的各種結構破壞問題也成為了水庫最大的安全隱患。水庫大壩變形監測系統是水利工程管理工作中的一項重要工作。通過建立該系統可及時掌握閘壩位移等安全指標和運行狀況，為工程調度運行提供可靠的依據，提高大壩的安全度。因此，在原有監測設施的基礎上，更新完善水庫大壩變形監測系統是十分必要的。

1 工程概況

大河水庫位于岱岳區粥店辦事處二十里埠村，旅游經濟開發區腹地，坐落于大汶河水系泮汶河上游，控制流域面積84.53 km2，是一座以發電供水為主，兼顧防洪和城市供水功能的中型水利（樞紐）工程。

大河水庫樞紐工程主要為攔河壩、溢洪道、放水洞。其中攔河壩總長773 m，分主壩和副壩兩段，主壩總長460 m，最大壩高22.0 m，副壩長313 m，最大壩高7.3 m，為均質土壩，壩頂寬8 m，壩后為天平湖公園。溢洪道位于攔河壩右岸，為正槽式，底凈寬45.7 m，堰凈寬37.5 m，堰頂高程157.5 m，消能方式底流消能，水閘共有5 孔，設計泄洪流量1 413 m3/s（P=1%），為開敞式鋼筋混凝土結構，平面鋼閘門控制。

2 大壩變形安全監測存在問題

水庫大壩和溢洪閘安全管理是水庫運行管理的核心工作，水庫閘壩變形監測作為水庫安全管理的重要內容，是及時發現安全隱患、掌握閘壩安全狀態的最有效手段。目前，大河水庫閘壩的變形監測設施不完備，已建監測設施存在設備老化、技術落后、數據失準的現象，這給大壩安全管理帶來嚴重的安全隱患。主要問題包括以下幾個方面：

2.1 監測設施不完善

溢洪閘沒有安裝變形監測設施，壩體變形監測采用定期人工監測方式，監測水平落后，缺乏必要的自動化觀測設備，在數據觀測的實時性和連續性方面有所欠缺，不能滿足水庫現代化管理的需要。

2.2 監測功能較為單一

大壩位移監測系統功能比較單一，僅僅實現數據的采集、報表、曲線等功能，缺少必要的數據分析、資料整編等功能，軟件大多基于C/S 開發，只能在特定的電腦進行操作，應用不便捷。

2.3 監測點布置不合理

大河水庫建設年代久遠，已有的監測設施和監測點所測數據已不能反映大壩位移變化情況，從而對大壩運行帶來一定的安全隱患。

3 大壩變形自動化監測設施設計

3.1 設計原則

1）科學規劃，分步實施。按照“科學規劃、規范設計、完善功能、滿足需求、分步實施、節約投資”的指導思想，搭建技術先進、功能完善的系統基礎框架，可根據需求的緩急程度及資金狀況分布實施，既滿足管理需要，又避免了重復投資造成的浪費。

2）統籌兼顧，突出重點。系統建設要圍繞水庫安全管理中心工作，完善物聯感知、提升基礎保障、完善業務應用、強化數據分析功能、改善資料整編、建立運行維護體系等，同時堅持統籌兼顧、急用先建，逐步推進水庫運行安全體系建設。

3）統一標準、資源共享。標準和安全是信息化建設的重要保障，加快推進標準化與規范化建設，全面推進水庫信息資源的交互共享，打破信息壁壘，消除信息孤島，深入挖掘海量信息資源價值，提升信息資源利用效率和應用能力，支撐和促進信息資源的廣泛共享和深度開發。

4）技術創新、先進適用。隨著現代信息技術的日新月異，應堅持開發和應用高新技術，包括物聯網、云計算、大數據、移動互聯等，在大壩運行管理方面能更及時、客觀的獲得數據和信息，更準確、高效的預測、預報和預警等，更好服務于經濟社會全面、可持續發展的科學決策。

5）建管并重，保障到位。在確保系統建設質量、進度和安全的同時，進一步理順管理體制，明確管理職能，落實管護經費，加強工程管護，通過統籌建設、集中管理、持續維護，確保系統建設的整體效益和可持續性。

3.2 監測原理

壩體、溢洪閘變形監測基點選建在位于壩體附近穩定基巖之上，可視為“不動點”，當壩體、溢洪閘發生變形時，變形監測跟隨樁隨之變化，安裝在跟隨樁上的水利設施變形遠程監測終端便實時監測到相對監測基點的垂直和水平變化量。水利設施變形遠程監測終端的原理主要分為以下幾個方面：

1）針對壩體、溢洪閘的垂直位移監測，采用傳統的靜力水準原理，利用高精度激光測量技術手段，實現壩體、溢洪閘等設施的垂直位移的高精度測量，測量精度±1 mm，原理可靠，運行穩定，安裝方便。

2）針對壩體、溢洪閘的水平位移監測，采用引張線原理或GNSS 衛星定位技術，實現壩體、溢洪閘等設施的水平位移測量，測量精度±3 mm。

3）針對壩體滑坡和溢洪閘的傾斜位移監測，采用三軸陀螺傾角測量技術，結合智能芯片技術，將傾角進行位移換算，從而得出側方位移量，用以監測壩體、溢洪閘等設施的傾斜與滑坡。

3.3 設計方案

1） 監測點設計。在水庫主壩0+100、0+200、0+300、0+400、放水洞斷面設5 個橫斷面，與大壩后壩肩及后壩坡2/3 高程處的兩個縱斷面交匯點，各縱向監測斷面上各監測點之間的間距小于100 m，并嚴格控制在同一高程上，按《土石壩安全監測技術規范》（SL551-2012）要求，施工建設壩體變形監測點，共設置壩體變形監測點10 個。在溢洪閘1 個中墩、兩側邊墩上游和下游兩端同一高程處，各設立一處監測點，共設置溢洪閘變形監測點6 個。

2）監測基準點設計。沉降位移監測基準點應設置在監測區附近周邊地質條件較好的地區，按《土石壩安全監測技術規范》（SL551-2012） 的要求，與監測點同一高程處施工建立2 個基準點，溢洪閘變形監測基點可與同一高程的壩體變形監測基點共用。

監測基準點應建在壩頭附近的基巖上，或者在壩頭附近的基巖相對淺的位置，采用“鉆孔水泥注樁”的方式，建設變形監測基準點。

3）系統組網、通訊設計。安裝于壩體變形監測點和溢洪閘變形監測點的水利設施變形遠程監測終端，與安裝于壩體兩變形監測縱斷面和溢洪閘變形監測點的三個“無線通信管理網關”，分別組成三個“無線局域”，各變形監測終端通過“物聯網”和“管理網關”將數據傳送到數據庫。

4）供電系統設計。基準站和觀測站采用太陽能供電系統。包括太陽能電池板、蓄電池、太陽能控制器，以及其他配件，對于太陽能電池板功率，電池容量需要根據當地氣象局給出的標準天氣情況具體確定。太陽能供電時，需根據當地的日照時間、最長陰雨天氣來配置太陽能電池板大小以及蓄電池容量。確保蓄電池能夠持續給設備供電。電池板制作安裝支架，朝向正南，傾角在20°～45°之間，根據當地太陽高度角來確定。注意不要有任何遮擋，視情況定期清潔太陽能板。電線走線盡量選用國標；太陽能板接線要牢固，裸露在外面的線要穿管，推薦PVC 管，可以彎折走線，美觀而且耐用。蓄電池正負極不要短接，用地埋箱安裝，接口處做好防水處理，用防水膠帶裹一層再用絕緣膠帶綁扎好。根據監測站設備的功耗計算，現場需配置太陽能板和蓄電池。

5）系統防雷與接地設計。由于監測基點和監測點均處于室外，因此其防雷與接地尤顯重要，主要從防直接雷和感應雷兩個方面進行設計。系統除直接利用工程的防雷和接地設施外，還應滿足如下要求：

監測設備的感應避雷防護，應設置天線饋線和電源線的感應避雷器，避雷器必須接地良好，接地電阻小于4 Ω；各測點與大壩接地網相連，附近如就近無接地網可用，需單獨設置接地網；避雷針針尖高度應高過GNSS 天線2.5 m 以上；接地網采用角鋼和扁鐵制作，地極埋地深度大于1 m，引下線應該采取必要的防腐和絕緣措施，并且距離監測設備30 cm 以上；避雷針基座成網形布置，并與接地網焊接。

4 結語

本文主要對水庫大壩安全自動化管理中變形監測的設計進行了詳細探究。閘壩變形自動化監測系統通過對壩體、溢洪閘和放水洞的位移、滑坡、傾斜等參數實時測量，對閘壩穩定性、應力和變形進行實時驗算，得出其變形趨勢，并對其所處的安全狀態做出數據分析，有效保證水庫的安全運行。