后湾水库大坝安全监测设计

2010-04-14乔立

山西水利 2010年8期

乔立

（山西水务投资集团有限公司，山西太原 030002）

1 工程概况

后湾水库位于襄垣县后湾村，是海河流域浊漳河西源的控制性工程，控制流域面积1 300 km2，是一座以防洪为主，兼顾农业灌溉和工业供水的大（二）型多年调节水库。水库于1959—1960年建成，之后进行了5次改扩建，现状总库容1.3亿m3，枢纽主要建筑物包括大坝、溢洪道、输水洞及坝后发电站。

水库大坝为均质碾压土坝，最大坝高26 m，坝顶宽8 m，坝长300 m。建库以来，大坝曾出现过裂缝，虽经几次加高培厚，仍存在局部坝体质量较差、坝体渗透性差异较大、浸润线较高、集中渗漏等问题，2002年9月经山西省水利厅及水利部大坝安全管理中心审、核查，同意后湾水库大坝安全鉴定结论为三类坝。后湾水库除险加固防洪标准按100年一遇洪水设计，2 000年一遇洪水校核。工程等别为Ⅱ等，工程设防烈度为Ⅶ度。

2 监测现状及存在问题

大坝作为拦蓄水的巨大能量的建筑物，从勘测、设计、施工、投入运行直至废弃都有一定的生命周期，后湾水库大坝建成至今已有50年之久，随着运行时间的推移，其安全问题尤为重要，因此实施自动化监测与分析意义重大。

后湾水库监测现状包括水文气象观测、大坝浸润线及渗漏量观测，分别由后湾水库水文站、后湾水库灌区管理局负责。大坝浸润线观测孔位于大坝上下游坝面，为1980年12月凿孔埋设，1981年9月开始观测，1998年7月因全部损坏而停止观测，历史观测资料有1981年10月—1995年2月实测原始记录。目前，大坝浸润线观测设施因老化失修，无法使用。大坝渗漏量观测设施位于下游坝脚处，分别为坝后集中渗漏、黄土台地渗漏观测，历史观测资料有2004年实测数据。目前，大坝渗漏量观测设施简陋且已损坏，无法进行正常观测。另外，还存在观测项目不完善等问题。

3 观测项目设置

后湾水库大坝等级为2级，按照《土石坝安全监测技术规范》的要求，结合本次水库除险加固设计，对观测设施、安全监测系统进行更新改造及完善，实现自动化监测。观测项目主要包括大坝表面变形观测、大坝渗流压力观测、渗流量观测、水位观测、降水量与气温观测等。

3.1 大坝表面变形观测

新建大坝表面变形观测包括坝面水平观测和坝面沉降观测。根据坝体地形情况，大坝表面变形观测布置4个横断面、5个纵断面。4个观测横断面桩号分别为坝 0+050、坝 0+100、坝 0+150、坝 0+200，间距50 m，其中坝0+050、坝0+100为最大断面，坝0+200为左侧坝体（黄土台地）断面；5个观测纵断面为坝轴线上游侧设置1个（距离坝轴线10.0 m），坝轴线下游侧设置4个（分别距离坝轴线6.0 m，16.0 m，28.4 m，46.0 m）。坝 0+050、坝 0+100、坝 0+150处观测横断面均布置5个（上游坝坡1个、下游坝坡4个）坝体测点，坝0+200处下游为电站管理区，因此观测横断面布置3个（上游坝坡1个、下游坝坡2个）坝体测点。大坝两岸每排测点的延长线上各布置1个工作基点、一个校核基点，在大坝下游约1 km处选择坚实地基分别布设2个水准基点。本次观测设计大坝表面变形观测共设坝体测点18个、工作基点10个、校核基点10个、水准基点2个。坝体测点、工作基点和校核基点监测水平及沉降位移，水准基点只测沉降位移。沉降位移采用精密水准法测量，水平位移包括横向和纵向水平位移，横向水平位移采用视准线法测量，纵向水平位移采用钢尺测量。

3.2 大坝渗流压力观测

根据大坝渗流压力观测设施现状及现有历史观测资料情况，考虑与历史观测资料相衔接，使新旧观测资料能够相互比较、统一分析，本次观测设计将渗流压力观测位置尽量布置在原观测断面周围，保留原观测项目，重建观测设施。

大坝渗流压力观测包括坝体、坝基渗流压力观测。坝体渗流压力观测是为了确定坝体观测断面上的渗透压力分布和浸润线的位置，坝基渗流压力观测是为了确定坝基观测断面上的渗透压力分布。在原有坝体、坝基观测孔西南向约2 m处重新并排布置坝体、坝基渗流压力观测孔，孔距2.0 m。

根据大坝特点及地质条件，大坝渗流压力观测布置6个横断面、4个纵断面。坝体3个观测横断面桩号分别为坝0+041、坝0+075、坝0+135，坝基3个观测横断面桩号分别为坝0+043、坝0+077、坝0+137；坝体、坝基4个观测纵断面为坝轴线上游侧设置1个（距离坝轴线10.0 m），坝轴线下游侧设置3个（分别距离坝轴线6.0 m，28.4 m，46.0 m）。本次观测设计大坝渗流压力观测孔共设24个，坝体渗流压力、坝基渗流压力观测孔各12个。渗流压力采用振弦式测压计进行观测，振弦式测压计测头放入各测孔，测头引出信号接入DAU观测站房内的振弦采集仪，通过电缆与设置在水库监控中心的电子计算机连接组成自动化观测系统。振弦式测压计外部采用直径为50 mm的透水花管（镀锌无缝钢管制作）、铜丝网、棕皮、麻布等防护。

3.3 渗流量与水位观测

为准确观测大坝渗漏量，需在桩号坝0+070处、大坝下游坡脚重新设置三角量水堰，采用量水堰测量仪对其进行观测，测量包括坝后集中渗漏和黄土台地渗漏在内的坝体、坝基渗流量。目前水库通过水尺进行库水位观测，本次设计将其更新为超声波水位计，在库区左侧距坝轴线147.45 m处、溢洪道引渠段入口前侧、下游量水堰处分别设置3个超声波水位计。通过电缆接入水库监控中心的振弦采集仪，经信号转换纳入自动化监测系统，对上下游水位进行实时监测，为枢纽运行提供参考。

另外，由于水库现有降雨量与气温观测由后湾水库水文站负责，目前运行正常，本次设计不予考虑。

4 大坝安全监测系统

大坝表面变形观测需按照“土石坝安全监测项目测次表”人工进行监测，其余均可利用大坝安全监测系统自动实时监测。

大坝安全自动化监测系统包括两方面内容：一是实现各观测项目中监测仪器的自动化测量和数据的自动采集；二是实现观测数据的集中处理和用计算机对其进行处理分析。由于大坝监测点较分散，为保证自动化监测系统的长期稳定工作，采用抗干扰能力强、可靠性高、故障率低、扩展方便、易于维护的分布式数据采集系统。即采集装置分散地布置在靠近测点头仪器的地方，独立对所辖测点完成控制测量后，形成测量控制单元，采用A/D转换数据暂存和数据传输功能，通过电缆将各监测数据输入水库监控中心，进而实现自动化监测。

大坝安全监测系统布置时，根据大坝测点的分布情况，在大坝下游坝面设DAU观测站房，作为测量控制单元，负责采集大坝6个渗流观测横断面上24个测压计的原始数据。观测站房位于大坝下游马道高程918.00 m、中心线桩号坝0+100处，面朝下游马道布置，长2.67 m（垂直马道方向）、宽2.64 m（顺马道方向），高2.80 m。水库监控中心设在水库管理站院内，包括相应监控设备及一面水测屏，负责对渗流压力、渗流量、上下游水位、输水洞供水量观测等的监测数据的统一采集、分析、处理及查询，掌握水库大坝的实时运行状况，结合大坝表面变形观测、降雨量与气温观测结果，为水库大坝的安全决策提供依据。观测点至DAU站房、DAU站房至水库监控中心、观测点至水库监控中心的电源、数据信号电缆分别采用穿钢管地埋方式敷设。