西溪水库大坝安全监测仪器可靠性评价

张 勇，李子阳，马福恒，胡 江

(1.西溪(黄坛)水库管理局，浙江 宁海 315600；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)



西溪水库大坝安全监测仪器可靠性评价

张 勇1，李子阳2，马福恒2，胡 江2

(1.西溪(黄坛)水库管理局，浙江 宁海 315600；2.南京水利科学研究院，水文水资源与水利工程科学国家重点实验室，江苏 南京 210029)

西溪水库大坝安全监测系统近年来逐渐出现了部分监测仪器老化和损坏、测值不稳定和规律性差及精度下降等现象，影响大坝安全监测和评价效果.根据水库大坝安全监测系统布置及监测仪器情况，从安全监测项目的完备性评价、监测仪器现场检测评价、监测仪器可靠性评价等三个方面对大坝安全监测仪器的运行状态进行综合分析评价.结论认为，大坝安全监测项目完备性较好，部分项目或测点仪器损坏，大坝安全监测仪器正常工作率一般.

西溪水库；监测仪器；现场检；测；可靠性评价

1 工程及监测概况

西溪水库工程位于浙江省宁海县境内的白溪支流大溪上，水库以防洪、供水为主，结合灌溉、发电等综合利用.拦河坝为碾压混凝土重力坝，共13个坝段，最大坝高71.0 m；溢流坝位于河床中间，全长39.00 m，堰顶高程142.00 m.水库正常蓄水位147.00 m，设计洪水位152.02 m，校核洪水位152.45 m，总库容0.85 亿m3.

水库大坝安全监测系统于2007年6月正式投入使用，至今已运行近10年.随着运行时间的增长，逐渐出现了部分监测仪器老化和损坏、测值不稳定和规律性差及精度下降等现象.为判断监测仪器的可靠性，本文结合大坝安全监测系统监测仪器现场检查检测情况，从安全监测项目的完备性、监测仪器现场检测、监测仪器可靠性评价等三个方面对西溪水库大坝安全监测仪器的运行状态进行综合分析和评价[1-3].

2 监测项目完备性评价

2.1 监测设置

西溪水库大坝建设期设置的安全监测设施有：外部变形、坝段接缝、坝基接缝、坝基扬压力、渗漏量、混凝土渗透压力、绕坝渗流、环境量等监测项目.监测平面布置图(见图1).

图1 西溪水库大坝安全监测平面布置图

(1)大坝变形监测

大坝变形监测包括坝顶垂直位移、坝顶和坝体水平位移和接缝开合度等项目.

坝顶水平位移采用引张线法观测，在2#-12#坝段坝顶各设置一个引张线测点，共11个测点(编号EX1-EX11)；在引张线两端点处各设1条倒垂线(编号IP1、IP3)，作为坝体水平位移基准点.在河床中部的8#坝段闸墩内设一正倒垂线组(编号PL、IP2)，正垂线悬挂在坝顶高程153.00 m处，在高程85.00 m廊道内设一垂线观测点.

在坝顶水平位移观测墩旁均布置有坝顶垂直位移测点，共11个(编号LD1-LD11)，并在左右岸坝头及坝下游设有2个工作基点和1个基准点.

坝基测缝计共布置13支(编号J1-J7、Ji1-Ji6)，均为差阻式.在大坝基础灌浆廊道中，2#坝段-12#坝段接缝处埋设三向型板式测缝计(人工观测)、差阻式三向测缝计(自动化观测)各10组(SK1-SK10).

(2)大坝渗流监测

大坝渗流监测包括坝基扬压力、坝体和坝基渗透压力、绕坝渗流和坝基渗流量等监测项目.

坝基扬压力观测，沿灌浆廊道在12#-2#坝段共设置11个测压管，对应测点编号为UP1-UP11，自动化观测采用振弦式传感器.

坝体和坝基混凝土渗透压力监测，在坝左0+050.00、坝右0+013.25、坝右0+049.00等3个观测断面布设渗透压力计，在上游面防渗层及防渗层与内部碾压混凝土界面附近埋设7支坝体渗压计(P1-P7)；布置5支坝基渗压计(Pj1-Pj5).坝体和坝基渗压计均为差阻式.

绕坝渗流采用测压管内安装渗压计进行监测，每岸布置两支测压管，共4支测压管(渗压计).

坝体坝基渗漏量观测共设量水堰4支，WE1-WE4.在集水井交通排水廊道排水沟左右侧约坝下8.5 m处各设一个量水堰，为WE1、WE2，用水尺或水位测针分别监测坝左、右段的渗漏量，并据此计算坝基总渗漏量.

(3)环境量观测

大坝环境量监测包括上下游水位、雨量、库水温及气温等监测项目.其中，上下游水位和雨量从水情监测系统中取用；此外，设置有4支库水温度计(TS1-TS4)；在大坝右岸平洞顶设有一个气温箱，装有气温计Tq.

(4)自动化系统

为及时掌握各观测项目测点处的监测效应量的变化情况，西溪水库大坝布设了安全监测自动化系统，接入自动化系统的监测项目有：坝顶引张线11个测点、坝顶左右岸倒垂线2个测点、基础正倒垂线2个测点、坝段接缝10组三向测缝计、坝基接缝13支单向测缝计、坝基扬压力测压管11个测点、坝基渗透压力渗压计5支、坝体渗透压力渗压计7支、绕坝渗流4孔4支渗压计、量水堰计4支等.

2.2 监测项目完备性评价

工程设置了外部变形、内部变形、坝段接缝、坝基接缝等变形监测项目，坝基扬压力、渗漏量、坝体渗透压力、绕坝渗流等渗流监测项目，坝体内部混凝土温度等应力应变监测项目；气温、水温等环境量监测项目，同时，上下游水位、降雨量等环境量监测数据可从水情系统读取.本工程属Ⅲ等中型，对照《混凝土坝安全监测技术规范》(SL 601—2013)，监测项目、测点布置和设备选型符合现行规范要求，监测系统总体满足实际工程安全管理需要.综上，西溪水库大坝安全监测项目完备性较好.

3 现场检测评价

在对监测仪器测点保护、工作环境、设施状况等现场检查的基础上，对不同类型监测仪器主要进行如下现场检测和分析[4].

3.1 垂线复位差及稳定性测试

垂线复位差及稳定性测试主要目的是检验垂线的安装质量.具体方法如下：在垂线未扰动情况下，整平垂线坐标仪，分别测读X(左右岸方向)、Y(上下游方向)读数；再将垂线轻轻地向上游推移约30 mm后松手，等待垂线稳定，计算稳定后的读数及稳定所需时间；然后将垂线轻轻地向左岸推移约30 mm后松手，同样查看垂线的稳定状况，记录稳定后的读数及稳定所需的时间；以此类推，将垂线轻轻地向右岸或下游推移约30 mm后松手，记录稳定后的读数及稳定所需的时间.测试检查结果详(见表1).可以看出，垂线复位情况良好，说明安装质量良好.

表1 垂线复位差及稳定性测试记录表

3.2 扬压力计重复测量精度检验

利用监测自动化系统的采集主机在30 min内对11个测点连续测读15次，由15次读数计算其观测中误差，以此检验坝基扬压力计的测量精度.由于自动化系统中断，利用计量认证有效的便携式仪器检测仪表对11个测点连续测读15次，由15次读数计算其观测中误差.经计算分析，UP01～UP11测点的观测中误差在0.01～0.04 m.

3.3 堰上水位计重复度测试

利用监测自动化系统的监测主机在20 min内对两个量水堰处堰上水位计连续测读15次，由多次读数计算其观测中误差.由于自动化系统中断，利用计量认证有效的便携式读数仪在20 min内对四个量水堰处堰上水位计连续测读5次，由5次读数计算其观测中误差，在0.01～0.03 mL/s之间.计算表明，4台堰上水位计重复度较好，满足测量要求.

3.4 差动电阻式监测仪器电阻检测

西溪水库大坝安全监测仪器中的差动电阻式传感器包括13支坝基测缝计、7支坝体渗压计、5支坝基渗压计、10组三向测缝计、4孔绕坝渗流观测渗压计.

(1)检测方法

差动电阻式仪器的检测主要是反测电阻比z和z′[2]，其方法与步骤(见图2).采用数字电桥测量差动电阻式仪器仪器的电阻值及电阻比值，正常情况下电阻值一般应为实测0 ℃电阻值(卡片上读数)与由于温度变化引起的电阻值变化量之和(不计电缆电阻时，约在30～35 Ω之间)，电阻比范围应在9 500～10 500之间.如果电阻太大或无穷大，则为断路；如果电阻太小或接近0，则为短路或地气故障；如果电阻在正常范围内，而没有读数，则一般为传感器故障.

图2 差动电阻式仪器的现场检测流程

本工程差阻式仪器除气温计、水温计外全部采用五芯传感器.当用SBQ型电桥测量时，五芯传感器系统的电阻比与电阻值分别为：Z=R1/R2，Rl=R1+R2+r1+r4，2r=r1+r2；当用数字电桥测量时，系统的电阻比与电阻值分别为：Z=R1/R2，Rl=R1+R2.

(2)现场检测

对于五芯差阻式传感器，可以测量的各芯线间电阻为r黑白、r黑蓝、r黑红、r黑绿、r蓝白、r蓝红、r蓝绿、r绿白、r绿红和r红白.通过对芯线电阻值的测量，可以简单的判断该仪器的状态及电缆芯线与接线箱电缆和接头的质量，各个芯线间的电阻值经比较后，可知该仪器有无断线，芯线间电阻值的偏差有多大[5].五芯测量时，应测量正反测电阻比及各芯线间的电阻值，根据这些电阻值可计算出R1、R2、r1、r2、r3、r4、r5由此可以得到计算电阻比和计算电阻值.由各测量值可进一步算得正反测电阻比之和(Z+Z′)、仪器的分线电阻R1、R2、计算电阻比Z计和电缆芯线电阻r白、r绿、r红等，将它们与规定的质量控制指标和正常情况下的测值进行比较，可以判定仪器是否正常或确定产生不正常变化的原因[6].

(3)技术标准

绝缘度：用标准兆欧表对每支仪器进行绝缘电阻测试，根据已有工程经验，提出以下评价标准：R绝≥2 MΩ，则为优秀；0.1 MΩ≤R绝<2 MΩ，则为合格；R绝<0.1 MΩ，则为不合格.

电阻比：根据规范要求，正测电阻比Z和反测电阻比Z′之和为20 000±A2±2来控制观测质量，其中A=(10 000-Z)/100，即按表2控制观测质量.

表2 电阻比质量控制表

(4)评价结果

根据前述原理对本工程中的差动电阻式仪器进行了计算，相应计算结果(部分)(见表3).可以看出，本工程中的59支差动电阻式仪器中，54支仪器为优良，占91.52%；5支仪器损坏，占8.4%.

表3 差动电阻式仪器检测结果

4 监测仪器可靠性评价

4.1 仪器分类标准

根据现场检测及可靠性评价成果，将监测仪器的工作状态分为三大类，即正常(A类)、留待观察(B类)和报损(C类)等[2].为工作方便，特将上述三大类细化为六小类，即：

A1类：仪器工作正常，测值稳定可靠，可作为分析和引用依据，且观测中误差达到优良标准；

A2类：仪器工作正常，测值基本稳定可靠，亦可作为分析和引用的依据，且观测中误差达到合格标准；

A3类：仪器工作基本正常，但存在采集错误(包括仪器接反、人工记录错误、自动化采集错误等)、整编错误或未整编(含埋设高程不准确)等问题，建议恢复或修正；

B类：测值稳定性差，或测值不合理，仅能作为分析时参考，观测中误差不合格，建议留待观察；

C1类：电缆存在故障，且无法恢复的，建议封存；

C2类：仪器损坏，建议报废处理.

4.2 仪器鉴定成果

通过监测仪器现场检测及计算分析和综合评价，94支接入自动化监测系统仪器及41支坝体混凝土温度计的鉴定成果汇总(见表4).目前西溪水库大坝接入自动化监测系统的94支监测仪器中，工作正常的仪器有55支，占仪器总数的58.5%；留待观察的仪器有19支，占20.2%；报损的仪器有20支，占总数的21.3%.可见西溪水库大坝安全监测系统中仪器正常工作率一般.

表4 自动化监测仪器的鉴定结果汇总表

5 结 语

本文根据西溪水库大坝安全监测系统布置及监测仪器情况，首先结合规范要求对监测项目的完备性进行评价，进而根据监测仪器类型进行现场检测，包括垂线复位差及稳定性测试、扬压力计重复测量精度检验、堰上水位计重复度测试、差动电阻式监测仪器电阻检测等，根据现场检测结果对监测仪器可靠性进行分析评价.结论认为，大坝安全监测系统完备性较好，部分项目或测点仪器损坏，大坝安全监测仪器正常工作率一般.鉴于当前西溪水库大坝安全监测系统的状况，为实时掌握大坝安全性态，确保工程安全运行，建议对大坝安全监测系统进行必要维护、完善和改造.

[1] 何金平,吴雯娴,涂圆圆,等.大坝安全监测系统综合评价(I)基本体系[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(1):40-43.

[2] 华伟南,马福恒,李子阳.大坝安全监测工程质量评价技术研究[J].中国农村水利水电,2012,5(7):124-127.

[3] 马福恒,华伟南,李子阳.浙江省大中型水库大坝安全监测系统现状调研[J].水电能源科学,2012,30(5):48-50,76.

[4] 水利部大坝安全管理中心,宁海县西溪(黄坛)水库管理局.浙江省宁海县西溪水库大坝安全监测资料分析及系统鉴定[R].宁海县西溪(黄坛)水库管理局，2014.

[5] 何金平,马传彬,谢德清,等.大坝安全监测系统综合评价(Ⅳ)工程实例[J].水电自动化与大坝监测,2011,35(4):59-63.

[6] 储海宁.关于差阻式仪器的几个技术问题[J].大坝与安全,2007(1):21-28.

Reliability Evaluation on Dam Safety Monitoring Instrument of Xixi Reservoir

ZHANG Yong1, LI Zi-yang2, MA Fu-heng2, HU Jiang2

(1.Xixi Reservoir Administration Bureau, Ninghai 315600, China；2.State Key Lab of Hydrology-Water Resources and Hydraulic Engineering, Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210029, China)

Some monitoring instrument in dam safety monitoring system of Xixi Reservoir is aging and damaged gradually in recent years, resulting in unsteady measured values, poor regularity and precision, which affects the effect of dam safety monitoring and evaluation. According to the layout of dam safety monitoring system and the arrangement of monitoring instrument, the running status of dam safety monitoring instrument is analyzed and evaluated in 3 aspects, that is, the completeness evaluation of safety monitoring project, field detection and evaluation of monitoring instrument, and reliability evaluation of the monitoring equipment. It can be concluded that the dam safety monitoring project is perfectly complete, the instrument in some parts or survey points is damage, and the normal work rate of the dam safety monitoring instrument seems fine.

Xixi Reservoir; monitoring instrument; on-the-spot detection; reliability evaluation

2015-07-20

国家自然科学基金资助项目(51209144,51139001)；水利部公益性行业科研专项经费项目(201401022)；江苏省科技计划项目(RQ715001)；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金项目(Y715012、Y715009、Y714014)

张 勇(1968-)，男，浙江宁海人，工程师，主要从事水库工程管理工作.

TV64

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1008-536X(2015)09-0022-06