土石坝自动化监测常用技术初探

徐继红

（新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆库尔勒841000）



土石坝自动化监测常用技术初探

徐继红

（新疆塔里木河流域希尼尔水库管理局，新疆库尔勒841000）

摘要：针对目前水库大坝安全监测存在问题，对水库大坝渗流监测、变形监测与视频监控中采用的重要监测技术进行了阐述，希望能对水库大坝安全运行管理工作起到借鉴作用。

关键词：土石坝；安全监测；技术应用；运行管理

我国是一个水灾害频繁的国家，建国后曾一度兴建了众多水库，但水库安全度汛一直是我国防汛抗洪的难点和重点，大部分中小型水库缺少必要的水雨情测报及大坝安全监测等设施，检查手段落后，隐患很大，水库自动监测的问题亟待解决［1，2］。

近年来，国家高度重视水库安全度汛工作，大力推动水库安全自动化监测体系的建设。随着社会经济的发展，对水文汛情、水库大坝监测手段和方法的实时性、准确性提出了越来越高的要求。

1　大坝安全监测存在问题

目前，国内水库以常见的土石坝为主（超过90%），主要有均质坝、心墙坝、斜心墙坝、斜墙坝以及一些改良坝及混合坝等。这些坝体有以下几个共同特点［3］。

（1）坝基坝身具一定的透水性，对防渗要求较高。

（2）因坝体材料受温度变化可能会产生物理性状改变，如土体胀缩产生孔穴和裂缝等，对坝体的质量有一定影响。

（3）坝顶受材料因素限制无法溢洪，必须另外开设溢洪通道。

（4）筑坝的填筑量较大，施工受到季节和天气的影响。

（5）坝体具一定塑性，不易出现整体性滑坡，抗震性能较好。

据国外历史上土石坝发生溃坝事故的统计分析，约有40%的事故是由于漫坝引发的，其余因为质量和运营管理原因而导致。而因质量问题造成的溃坝事故中，又有超过64%因为渗透破坏所造成。

据国内近年来的统计资料显示，约有50%的溃坝事故是由于漫坝引发的，其余因为质量和运营管理原因而导致。其中，由质量问题导致的溃坝事故中，渗流问题约占50%，溢洪泻洪涵洞等问题占比超过25%，滑坡塌陷约占10%。

2　大坝安全监测技术研究

由于渗流渗漏问题是导致溃坝的主要质量原因，其余的工程质量问题以及管理问题也应引起足够重视。那么，针对所出现的这些事故原因，从监测角度来讲，我们还可以采用哪些手段来预防、减少甚至避免这些事故呢？

众所周知，大坝监测的常用手段有：变形监测（内部位移监测、表面位移监测）、渗流渗漏监测、应力应变监测、气象水文监测、视频监控等。

对于众多现有中小水库的运行管理而言，理想情况下，当然是应该建设一个全面的自动化监测系统，能够覆盖到大坝安全运行的方方面面是最理想的。

据资料统计，我国目前已有大中小型水库超过9.8万座（第一次水利普查数据），其中病险水库数量超过40%。如果只给每座病险水库设立全面的自动化监测系统，所需的费用也是相当惊人的，更不要说所有的水库［4，5］。

结合水库管理及大坝安全运行的实际需要，以及土石坝常见溃坝原因，我们可以根据水库实际情况，选择一些现场认为关键的监测项目进行监测；而对于目前对水库运行影响不太大的监测项目，可暂缓实施，待资金允许时再进行。

就水库管理而言，水文监测（水位、雨量）是最基本的；就坝体质量来讲，渗流监测和变形监测尤为关键；针对无人管理或人为破坏等现象，在关键设施或区域布设视频监控则能发挥重要作用。

针对上述提出的问题，根据多年工作经验，笔者认为应当采用以下几种重要的监测手段。

2.1渗流监测

渗流监测是我国土石坝监测中对坝体坝基监测最关键的一环，且统计数据表明，我国坝体坝基渗流异常引起的溃坝约占总溃坝事故数的20%。所以，在水库监测的过程中渗流监测是不可或缺的，应根据实际情况确定传感器的布控位置。一般部署原则如下。

（1）横断面监测，可选择最大坝高处或坝中心、合龙段、地形地质条件复杂地段部署，一般不少于3个测点。

（2）对于横断面上测点的布置，可根据坝型结构、断面大小和渗流场特征，设置3～4条观测垂线，在坝肩、坡脚（一般也是渗流出口附近）处一般应设有观测垂线。渗压计高程布设在预计最低浸润线之下，针对渗流相异性明显的位置，可在一条垂线不同高程上布设多个测点。对于已建成的大坝，迎水面渗流入口可不设监测垂线。

（3）大坝两端的绕坝渗流可沿流线方向或渗流集中的透水带布设2～3个测点来观测横断面，每个断面上设3～4条观测垂线（含渗流进出口地段）。

（4）已安装监测系统的水库中，对于水压偏高或明显偏低的断面，可加大传感器的部署密度；对于坝体变形较大的横断面，也可以加大仪器部署密度，同时提高监测的频率。

（5）根据水头和土层渗透系数决定是否埋设测压管。

（6）应尽量分别监测两岸绕坝渗流量、坝体渗流量和坝基渗流量，一般情况下，推荐采用量水堰计进行监测。

（7）对于渗流水质，可部署含沙测量仪器或人工观测的方式，若水质混浊应警惕管涌。

2.2变形监测

变形监测是大坝监测最重要的手段之一，大多数溃坝事故发生前都能从变形监测上找到征兆。

变形监测主要分为表面变形监测和内部变形监测，坝体监测项目中表面位移监测主要有近坝岸坡位移、水平位移和竖向位移监测。内部位移监测主要由水平位移监测和竖向位移监测等对于土石坝坝体变形监测组成，内部变形一般要先于表面变形表现出来，所以会比表面变形更能提前发出警示。

管涌、裂缝往往有可能伴随内部变形而发生，由此可见，内部变形对坝体监测具有非常重要意义。

表面变形监测可通过仪器手段如经纬仪、全站仪等仪器进行，亦可在裂缝、结合部等易产生裂缝的关键部位安装表面位移传感器。

随着现代电子技术的进步，GNSS表面变形监测手段也越来越成熟，精度比以前有所提高，完全满足坝体监测精度要求。相比人工采用仪器观测，GNSS可以实现全自动的绝对位移观测，避免人为观测误差。同时，相比自动全站仪具有全天候、无需通视的优势。表面位移观测点一般部署原则有以下几点。

（1）横断面监测，可分别布置在大坝最高处或坝中心、河床处、施工合龙段、地形或地质条件复杂的部位以及其他被认定为关键的部位。

（2）纵断面监测，一般不少于3～4个测点，可分别布置在坝顶上下游、坝坡脚以及在半坡适当增设，对于软基坝体，可在坡脚外增设1～2个测点。

（3）在横断面和纵断面交汇处设置观测点。

（4）在岸坡上或上、下游稳定基岩上设立观测基准参考点，如果采用GNSS监测手段，参考站和观测站无需通视，只需要在同一星空下即可，且一般只要设1～3个参考站；而对于采用光学仪器作为观测手段时，坝外基准点作为工作基准，与相应的观测点应通视，如果条件允许，尽量每个纵断面两岸都设有工作基准点。

内部变形监测主要通过沉降仪和测斜仪来进行，其部署原则与表面位移观测点基本相一致，对于不同结构的土石坝，可以根据其自身设计特点针对性的增设观测点。

由于坝体整体主要受到水库蓄水的侧向压力，对于土石坝应重视坡脚的内部水平位移监测。如果大坝施工时坡脚处理得不好的应在除险加固时特别注意加固，确保坡脚深入到基岩中。

2.3 视频监控

大部分易导致溃坝的坝体质量问题都可以通过变形监测和渗流监测提前发现征兆，但对于溢洪道、涵洞的质量问题以及人为破坏等容易引起突发事件的因素，即使在溃坝前能通过坝体监测提前发现，留给决策者做出反应的时间往往不足。

视频监控虽然难以获取坝体质量的详细数据，但是对于一些非量化监测，如人为破坏、管理不当、溢洪道被占用等问题，可以很直观的通过录像或图片抓拍记录下来，从而起到重要作用。通常情况下，视频监控点的布设主要需考虑以下几个方面。

（1）库区全貌，特别是坝区全景，可及时发现坝区的人为破坏行为。

（2）重要建筑结构体，如影响溢洪泄洪的地段。

（3）历史上变形比较明显需加强观察的地方。

（4）设备房，重要设备或仪器安置地。

（5）水库水位监控，如水尺旁，通过视频可直观反映水库蓄水情况。

3　结语

综上所述，每个水库有其自身的实际情况，除了最基本的雨量、水位监测外，即使在资金不充足的情况下，应结合水库（特别是已投入运行多年的水库）自身特点合理布置渗流监测特别是浸润线监测项目，合理部署以表面变形监测与内部变形监测相结合的变形监测项目，关键场所布设视频监控等措施，对于提高水库管理水平、保障水库安全平稳运行具有非常重要的意义。

在监测到一些对水库安全不利的因素发生时，应当视具体情况进一步针对性地部署监测项目或直接进行险情排查，从而确保水库安全运行。

参考文献

［1］赵琳.土石坝安全监测分析评价技术研究［J］.东北水利水电，2013（06）：51-52.

［2］李永江.土石坝安全监测技术及安全监控理论研究进展［J］.水利水电科技进展，2006（05）：73-77.

［3］徐竹青，郦能惠.土石坝安全监测分析评价预报系统［J］.水利与建筑工程学报，2003（04）：9-12.

［4］李超，李天科.小型土石坝安全监测研究［J］.水利科技与经济，2010（01）：96-98.

［5］高胜杰.土石坝安全监测浅论［J］.科技情报开发与经济，2010 （09）：222-224.

中图分类号：TV698.1

文献标识码：A

文章编号：1008-1305（2016）01-0015-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.005

收稿日期：2014-09-02

作者简介：徐继红（1970年—），女，技术员。