中国面板堆石坝安全监测技术进展

吴毅瑾，邹青，谭志伟，杨泽艳，孙永娟

（1.中国水利水电建设工程咨询有限公司，北京市西城区 100120；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

中国面板堆石坝安全监测技术进展

吴毅瑾1，邹青2，谭志伟2，杨泽艳1，孙永娟1

（1.中国水利水电建设工程咨询有限公司，北京市西城区 100120；2.中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南省昆明市 650051）

本文通过收集整理国内具有代表性高面板堆石坝关键监测技术及应用情况，对国内200m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查，总结高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析，总结相关经验，为将来拟建的300m级高面板堆石坝安全监测技术提升和改进提供解决思路和方向。

高面板堆石坝；安全监测；关键技术；进展与展望

0 引言

以天生桥一级（坝高178m）、洪家渡（坝高179.5m）、三板溪（坝高185.5m）和水布垭（坝高233m）水电站等为代表的一批典型面板坝工程的相继建成，将面板堆石坝建设高度逐步由100m级提升至200m级，使我国面板坝设计理论及施工技术达到国际先进水平。但是，随着我国面板坝筑坝技术由200m级向300m级迈进，面板堆石坝监测技术发展明显滞后于筑坝技术的发展，不少监测仪器适应性、耐久性、抗冲击等性能仍停留在100～200m级坝高的水平。

目前我国已建成和在建的坝高超过100m的混凝土面板堆石坝有近40座，其中已建成的天生桥一级、洪家渡、三板溪和水布垭坝，均为世界高面板堆石坝，尤其是水布垭和洪家渡面板坝被国际大坝委员会评为里程碑工程。这些高面板堆石坝的安全监测设计、施工及运行既有共性，也有各自的特点。通过对国内200m级高面板堆石坝安全监测技术进行深入调查，亟待总结高堆石坝安全监测技术特点、难点，对主要监测措施的有效性和存在的问题进行分析，为300m级高面板堆石坝安全监测技术研究提供技术支撑。

1 高面板堆石坝安全监测技术的发展及现状

面板坝的监测项目一般有坝内和坝外变形及面板挠度和脱空，坝身、坝基及绕坝渗流，堆石体应力及面板应力应变和温度，环境量和强震等监测项目。其中表面变形监测主要采用位移标点进行，内部主要采用垂直水平位移计和电磁式沉降仪等，部分进行了纵向变形监测。渗流监测主要采用渗压计、水位监测孔和量水堰等，有的工程采取渗漏量分区监测，还采用光纤传感器监测渗漏。环境量和强震监测项目与其他工程相差不大。

自20世纪80年代引进面板堆石坝技术以来，我国十分重视面板堆石坝安全监测工作，在“六五”、“七五”、“八五”和“九五”科技攻关期间都将高面板堆石坝安全监测列为国家科技攻关项目。有关科研单位先开发了满足100m级高面板堆石坝原型观测所需的仪器设备，又开发了200m级高面板堆石坝安全监测所需的大量程、高精度监测仪器，代表性的主要有：由水管式沉降仪和引张线式水平位移计组成的水平垂直位移计，满足了天生桥一级面板堆石坝观测碾压堆石体内部变形的需要；伺服加速度活动式测斜仪和斜面测斜仪，分别满足了高面板堆石坝坝体内部水平位移观测和高面板堆石坝面板挠度观测的需要；高精度、小直径压阻式和钢弦式孔隙水压力计，可以直接放置在测压管中，满足了已建面板堆石坝原型观测设备更新改造的需要。特别是在“九五”国家科技攻关项目研究中，研制出遥控遥测水平垂直位移计和高精度双向固定测斜仪，满足了坝高233m的水布垭面板堆石坝及洪家渡、吉林台、公伯峡、紫坪铺等200m级面板堆石坝工程坝体内部变形和面板挠度观测的需要，这两项仪器设备技术性能达到了国际领先水平。经过30多年的国家科技攻关，我国面板堆石坝安全监测已经形成了可以观测200m级高面板堆石坝的坝体和坝基变形、应力和渗流；面板应力、应变和挠度；周边缝与垂直缝变形等项目的一整套安全监测技术。

20世纪90年代以后，我国开始重视面板堆石坝安全监测自动化，国内科研单位开发了分布式面板堆石坝安全监测数据采集系统，在采用计算机网络技术、通信技术的基础上，实现数据自动采集、数字量传输和资料整理的自动化。目前，国内很多水电工程都实现了监测自动化。

随着筑坝高度的不断增加，目前多座200m级高面板堆石坝的水平垂直位移计长度超过400m后，位移计出现失效问题，仪器设计不能满足监测要求。蓄水后，存在上游水下面板表面位移点不能监测等问题。针对超高混凝土面板堆石坝，需从传统监测技术的适用性、监测新技术的研制和开发等方面进行系统的研究。因此需要尽快研发大尺度水平垂直位移监测设施，其适应变形的能力和技术可靠性需进一步评估并找出解决方案。深厚覆盖层上面板堆石坝渗漏量的监测方法和设施需进一步摸索和发展。监测自动化也需要适应高面板堆石坝的建设而有快速的发展。

2 面板堆石坝主要监测项目及手段

根据《土石坝安全监测技术规范》（DL/T 5259—2010）规定，面板堆石坝主要监测项目包括：变形、渗流、应力等。合适的典型监测断面上变形、渗流、压力（应力）等监测项目和测点宜能结合布置，互相校验。典型横向监测断面宜选在最大坝高、地下突变、地质条件复杂等部位，一般不宜少于3个。纵断面一般不少于4个，通常在坝顶的上下游侧布设1～2个断面，下游坝坡半坝高以上布设1～3个断面，半坝高以下布设1～2个断面。在每个观测横断面和纵断面交点处布设表面变形观测点。典型纵向监测断面可由横向监测断面上的测点构成，必要时可根据坝体结构、地形地质情况增设纵向监测断面。

面板堆石坝由面板—趾板—接缝止水组成的防渗体系和堆石（或砂砾石）坝体两部分构成，面板与堆石坝体又是两个材料不同、刚度与质量相差悬殊的结构物，因此面板与堆石坝体的变形协调及其相互作用是影响面板工作性状的关键。此外，对面板堆石坝渗流控制极为重要，需要重点监测有无发生通过面板裂缝或因面板破碎、接缝张开或损坏造成的严重渗漏，以及渗流对坝体材料的冲蚀。所以混凝土面板堆石坝安全监测的重点是坝体变形，接缝位移，面板变形和应力以及渗透压力和渗流量。

变形与渗流监测是面板堆石坝最主要的监测项目，其中内部变形监测是面板堆石坝安全监测的关键项目之一，大坝施工期能采集到有效沉降数据，对控制筑坝速度、保证施工质量、合理调配施工机械等具有指导性的作用；运行期如果大坝沉降过大，就有可能发生裂缝和滑坡破坏。沉降变形是反应堆石坝工作性态是否正常的最主要方面之一。以往工程实践及研究表明在高水头作用下，面板周边缝将产生复杂的三向位移，使周边缝成为漏水通道。一旦止水结构被破坏，面板堆石坝将会在高水头作用下沿周边缝漏水，造成严重的渗漏问题，继而引发堆石体不均匀沉降、坝体局部或大面积失稳，甚至引起渗透破坏。因此，为了保证大坝的安全运行，需要对面板堆石坝内部变形及渗流进行全面的监测，掌握坝体、周边缝等在施工期、蓄水期和运行期的工作状态，为大坝安全评估及预报提供可靠的监测资料。面板堆石坝主要监测项目及手段见表1。

表1 面板堆石坝主要监测项目及手段Tab.1 The main monitoring items and methods of concrete faced rock-fill dam

目前的监测手段基本能满足200m级面板堆石坝的监测要求，指导筑坝施工和设计反馈。我国典型面板堆石坝近期监测成果：

天生桥一级面板堆石坝截至2014年7月11日，量水堰渗流量为84.52L/s，2014年5月1日C3-V2沉降量358.77mm。在国内属首次采用面板电平器监测面板挠度，蓄水期面板最大挠曲为19.79cm，后期仪器损坏。

洪家渡面板堆石坝截至2014年1月，最大沉降1471mm，最大水平位移299.2mm，渗流量为25L/s，面板电平器损坏，无数据。

三板溪面板堆石坝截至2008年9月坝体最大沉降1754mm，仪器坏后根据坝顶沉降速率和高程404马道沉降速率推算出截至2012年2月坝体最大沉降约1820mm，坝后实测渗流量为140L/s。

水布垭面板堆石坝截至2010年4月，最大沉降2502mm，最大挠度57.3cm，坝体变形趋于收敛，最大渗漏量为46.3L/s。

3 国内已建典型面板堆石坝的传统监测技术及应用

3.1 变形监测技术应用

3.1.1 外部变形监测技术

面板堆石坝变形监测主要包括外部变形、内部变形和接缝变形等。外部变形监测手段较为成熟，一般采用在大坝表面布置表面变形监测点，采用视准线法、边角网法，通过全站仪等手段进行监测。

我国面板堆石坝外部变形观测的测量仪器主要采用光学水准仪和经纬仪，随着科学技术的进步，在外部变形监测仪器在测量精度、方便适用、自动化等方面都有持续的改进，如高精度的水准仪和全站仪，更有“测量机器人”之称的全自动全站仪；GNSS系统虽测量精度相对较低，但对测点与基点间无通视要求；光纤陀螺仪等适合全天候自动观测的新型仪器设备都在研究和应用之中。

GNSS观测具有精度高、速度快、自动化、全天候以及测点之间无需通视等优点。随着接收机硬件性能和软件处理技术的提高，近年来GNSS定位技术已在大坝测量、地壳变形监测、精密工程测量等诸多领域得到了普及，但GNSS安全监测在国际上尚属于前沿课题，我国在这方面已做过一些探索性的研究工作。目前，对于GNSS精密测量，采用性能优良的接收机和较好的数据处理软件，平差后点位的平面位置精度为1m～2mm，高程精度为2～3mm。当然影响GPS定位精度的因素有很多，还应针对具体内容采取相应的措施，减小误差，提高精度。目前能大大降低成本的GPS一机多线技术也得到迅速发展。

光纤陀螺仪监测高坝面板挠度，解决了测斜孔监测高坝面板挠度变形精度差的问题。自从1976年美国犹他大学的VALI和SHORTHILL等人成功研制第1个光纤陀螺（fiber-optic gyroscope， FOG）以来，光纤陀螺已经发展了30多年。光纤陀螺仪是当光学环路转动时，在不同的前进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化，利用光程的变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，能够精确地确定运动物体的方位。光纤陀螺仪为全固态，没有旋转部件和摩擦部件，寿命长，动态范围大，瞬时启动，结构简单，尺寸小，重量轻，成本低。

3.1.2 传统内部变形监测技术

内部变形监测包括分层竖向位移、分层水平位移监测等，主要采用水管式沉降仪和引张线水平位移计观测。

引张线水平位移计适用于长期观测面板堆石坝堆石体内部的位移。引张线水平位移计可单独安装，亦可与水管式沉降仪联合安装进行观测。引张线水平位移计优点：监测原理简单，测值可靠。钢丝水平位移计由锚固板，铟合金钢丝、保护钢管、伸缩接头、测量架、配重机构、读数游标卡尺等组成，见图1。

图1 引张线水平位移计示意图Fig.1 Lead wire Horizontal displacement gauge diagram

水管式沉降仪适用于长期观测面板堆石坝、土堤、边坡等土体内部的沉降，是了解被测物体稳定性的有效监测设备。水管式沉降仪优点：测量原理简单，测量结果直观。水管式沉降仪由沉降测头、管路、测量柜等组成，见图2。

图2 水管式沉降仪示意图Fig.2 Water tube type settlement gauge diagram

观测房内固定标点的沉降量由视准线测出。

3.1.3 国内已建典型高面板堆石坝内部变形监测技术应用情况

目前我国200m级面板堆石坝坝体内部监测仪布置大多采用三个监测断面，监测高程设置间距在40m左右一层，各层测点间距大部分在40～50m之间。各工程面板堆石坝内部变形监测系统布置对比表见表2。

（1）天生桥一级面板坝。

共埋设垂直沉降位移计50支，有35支能正常观测，其余已失效。水平位移计2007年报废1支，有30支能正常观测。由于坝体分期填筑，先填上游侧的度汛断面，后填下游侧的经济坝体，所以坝体上下游侧沉降时间不一致，坝轴线上游侧沉降主要发生在前期，后期变化较小；而坝轴线下游侧变化相反，因此造成部分仪器损坏。

（2）洪家渡面板坝。

引张线式水平位移计、水管式沉降仪采用南京水利科学研究院研制的水平/垂直位移计，该仪器为在天生桥一级面板坝成功应用的改进型仪器，仪器安装埋设也借鉴了天生桥一级的经验，由于坝体分区填筑，采取分段埋设，设两个临时观测房。监测系统已投入运行7年多，目前运行状况基本正常。

（3）三板溪面板坝。

坝体内部水平位移全部朝向上游，与一般规律不符。相关单位分析原因后认，观测方法本身固有缺陷所致，用引张线式水平位移计根本不能准确测出坝体的顺河向水平位移。根据堆石坝体普遍位移规律，虽然最初安装时能够保证各测点在同一高程上，但由于坝体沉降的不均匀性，随着坝体填筑过程的进行，各测点已经不再保持在同一高程上，这种不均匀沉降的影响将反映到引张线水平位移观测值中，导致难以准确测出坝体实际水平位移。引张线越长，堆石坝体不均匀沉降对水平位移测值的影响就越大。为此，建议改为其他较为合理的水平位移测试方法。

（4）水布垭面板坝。

施工期水平位移监测成果有悖一般规律，相关单位分析认为可能是由于引张线挠曲引起测量误差所致。监测系统实现自动化遥测后，水平位移与垂直位移测量分辨率分别达到0.1mm与0.04mm，准确度分别达到10mm与0.5mm。在相关单位维保过程中，2010年10月25日下午3点水布垭坝体3号观测房SE01-2-4测点在测量过程中出现坝内引出铟钢丝断裂情况，维修单位进行了修补、连接处理。

3.2 渗流监测技术应用

大坝渗漏的来源比较复杂，一般分为坝体及坝基，坝体渗漏包括周边缝、垂直缝、面板混凝土渗漏及裂缝渗漏，坝基渗漏包括帷幕绕渗由大坝岸坡渗出、坝基帷幕或防渗墙的基础渗漏。在面板堆石坝工程中，能掌握渗漏量的来源，对评价大坝的安全具有特别重要的意义。渗流监测主要包括坝体坝基渗流、绕坝渗流和渗流量等内容。

传统渗流监测技术比较成熟，坝体坝基渗流主要采用渗压计进行观测，绕坝渗流主要采用水位孔，渗流量监测主要采用量水堰。在已建的高面板坝多为监测坝后渗流总量，在大坝下游坡脚设置截水墙或防渗墙，在截水墙或防渗墙水流出口布置梯形量水堰。对设置总量水堰有困难，或深覆盖层地基的面板坝工程，通过在岸坡设置多条小型的截水沟，获得不同高程分区的趾板渗透和岸坡绕渗的渗漏量，将两岸的渗漏量较为准确的观测，并且截水沟尺寸变小，可降低施工难度。

3.2.1 水布垭面板坝周边缝渗流监测系统布置及实施情况

水布垭面板堆石坝为了准确监测到较小流量的渗漏，采用了准分布式光纤光栅监测系统对周边缝渗流进行连续监测，以求快速准确地探明渗漏所在位置，及时处理安全隐患。水布垭大坝应用光纤光栅监测技术监测大坝渗流取得了良好的效果。光纤光栅监测系统布置原理示意图见图3。

表2 坝体内部变形监测系统布置对比表Tab.2 Dam internal deformation monitoring system arrangement contrast table

图3 光纤光栅监测系统布置原理示意图Fig.3 Fiber Bragg grating monitoring system arrangement principle diagram

水布垭面板堆石坝光纤光栅渗流监测系统由光纤光栅温度传感器、信号处理器、辅助电缆加热系统等部分组成。系统在大坝中的布置如图4所示。水布垭面板坝周边缝防渗监测范围1200m，准分布式光纤光栅测温系统沿周边缝每100m一段，每段构成一个测量单元，共划分10个测量单元，每个单元内放置50～80个光纤光栅测温传感器，间距1.5～3m，共计618个。由于水布垭面板坝高233m，水库深处水温较低，为能准确监测到较小流量的渗漏，系统配备了光缆加热装置。

图4 水布垭面板坝光纤光栅渗流监测系统传感器布置示意图Fig.4 Shuibuya concrete faced rock-fill dam Fiber Bragg grating seepage monitoring system sensor layout diagram

每个监测段的光纤光栅传感器相互串接，前后两端各用一根光缆引入控制室，一端接信号处理器，一端备用。即使传感器引线或者传输光缆发生意外损坏（如断裂），可改用备用端检测断点后面的探头信号，系统仍能正常工作。传感器的位置编号与大坝周边的位置坐标相对应输入计算机，一旦检测到渗漏信号即可显示渗漏位置。

该方法的优点在于可监测任意部位和同时监测很多部位，但缺点是无法定量监测，只能判断渗漏部位。

3.2.2 洪家渡渗流分区监测技术的应用

洪家渡工程在两岸坡设截水沟，将渗漏量集中引入下游分量水堰，下游设总量水堰。截水沟盖板为带漏水通道的预制板，盖板与面板坝间采用塑料盲沟材作反滤保护。滤材效果好、体积小、施工方便。洪家渡面板坝分区截水墙和量水堰布置示意见图5。

图5 洪家渡面板坝分区截水墙和量水堰布置示意图Fig.5 Hongjiadu concrete faced rock-fill dam cutoff wall and measuring weir arrangement diagram

洪家渡工程采用将渗漏量监测大致分区的方法进行监测，初步解决了在深厚覆盖层及高尾水变幅难以设置量水堰的工程中，将面板及周边缝、绕渗等渗漏分区监测，以能判断大坝安全运行为目的。分测渗漏量的好处在于：①可掌握各部位的渗漏量，给监控安全运行提供可靠的保障；②对渗漏量发生突变时，对事故查找缩小范围，避免盲目性；③可分别检验左右岸防渗效果、周边缝的止水效果、面板的工作状况。

对设置总量水堰有困难或深覆盖层地基的面板坝工程，通过设置截水沟可以将两岸的渗漏量较为准确底进行观测，还可在岸坡设置多条小型的截水沟，获得不同高程分区的趾板渗透和岸坡绕渗的渗漏量，并且截水沟尺寸变小，可降低施工难度。

3.3 高面板堆石坝传统监测技术存在的问题

3.3.1 坝体内部变形监测施工工艺方面

坝体内部变形监测仪器埋设基床带土建施工工作量大，投入施工机械多，占用直线工期较长，与坝体填筑施工干扰大。施工工艺要求较高，需对测头和管路进行保护，管路需可靠连接。仪器安装埋设受坝体分区影响较大，不易获取全过程变形数据。为了使数据连续，需设置临时观测房，引张线水平位移计的钢丝连接技术要求高。

3.3.2 内部变形监测仪器固有缺陷方面

引张线水平位移计：①面板堆石坝沉降呈中部沉降大、上下游侧沉降小的分布特征，引张线沿基床带必然凹状分布，由于沿程不均匀变形必然导致引张线回缩，导致产生测量误差，目前面板堆石坝均无法消除这一误差，大坝变形越大，误差越大；②300m级高面板坝超过900m的引张线沿程阻力将大幅增加，传统钢丝配套重锤重量必然同步增加，钢丝折断几率大大增加。

水管式沉降仪：①面板堆石坝沉降的特点是坝体中部沉降大、上下游侧沉降小，位于面板下部沉降测点所引管线沿程为凹形分布，在沉降最大部位至观测房必然形成“倒坡”，容易产生管路中的气泡，长管线存在回水困难，可能导致观测无法正常进行；②目前水管式沉降仪所采用水管直径在10mm左右，在长管线上液体的沿程阻力成倍增加，造成观测困难；③按照水管式沉降仪1%坡度的埋设要求，长管线要求观测房的最低高度、管路埋设基床带开挖最大深度要求高，其施工干扰和埋设难度较高；④管内环境适宜微生物的生存，易产生影响管道畅通的物质，导致测量系统失效；⑤观测程序和维护措施复杂，要求观测人员具备较高的职业素质，若在细节上出错，将造成测量系统失常。

4 新型监测技术研究进展

4.1 GNSS表面变形监测技术

传统的面板坝表面变形监测采用视准线法。视准线法观测和计算简便，但易受外界影响，当视线不长时，其观测精度较高，比较适用。

近50年来，由于卫星测量的发展，特别是GNSS（Global Navigation Satellite System、全球导航卫星系统）的成功建立和应用，测绘行业经历了一场深刻的技术革命。现在卫星通信和全球卫星定位系统（GPS）已广泛应用于社会的各个行业，随着GNSS定位精度的提高，GNSS技术已逐步应用于水电工程中，如隔河岩水电站重力拱坝、拉西瓦水电站坝肩边坡、小湾水电站拱坝、糯扎渡水电站心墙堆石坝及近坝库岸滑坡体等均采用了GNSS技术进行变形监测。

GNSS监测系统主要由现场基准站及测点的户外工作和监测管理站室内的工作等两部分组成。现场户外的各个基准站和测点通过卫星信号实时采集数据，通过通信光缆传输至监测管理站工控机，在监测管理站内对数据进行相关的坐标转换、解算和处理等，处理后的数据在安全监测信息管理及综合分析系统层面实现集中统一管理和综合分析。GNSS监测系统采用24h实时在线工作方式。糯扎渡水电站为了实现大坝表面变形的自动化监测，大坝表面变形监测除了采用GNSS监测系统外，还采用了测量机器人进行对比监测，以提高监测精度和监测覆盖面。测量机器人观测站与变形监测网点结合，布置于左右岸坡，基点采用控制网点校核和GNSS系统双重校核。观测点为视准线测点，每个测点上布置一个360度棱镜和一个GPS天线，通过自动照准观测测点位移。测量机器人和GNSS系统可相互校核。

与常规方法相比，GNSS监测系统具有以下优势和特点：不受气候等外界条件影响，可全天候监测；所有变形监测点的观测时间同步，能客观反映某一时刻滑坡体各监测点的变形状况；可同步测出监测点的水平位移和垂直位移；可实现全自动监测。糯扎渡GNSS监测系统投入观测后，自动化监测数据与前期人工观测能够衔接平顺，监测数据真实可信，目前系统运行正常稳定。系统观测精度基本能满足规范±3mm的要求。

鉴于GNSS监测系统的优越性，并且已在一些水利水电工程得到成功应用，将来对于300m级高面板堆石坝，在地形及卫星信号接收可以保障的条件下，应大力推广使用。

4.2 雷达干涉（INSAR）技术

合成孔径雷达干涉测量技术（INSAR，Interferometric Synthetic Aperture Radar；简称干涉雷达测量）是以同一地区的两张SAR图像为基本处理数据，通过求取两幅SAR图像的相位差，获取干涉图像，然后经相位解缠，从干涉条纹中获取地形高程数据的空间对地观测新技术。

图6 GNSS监测系统监测点Fig.6 Monitoring point for GNSS monitoring system

堆石坝在建设过程和建成投入使用后，都不可避免的会发生变形。当变形超过一定范围时就会影响堆石坝的正常使用，造成安全隐患。SAR干涉测量技术可以提供远距离、大范围的变形监测结果，有利于对坝体变形的性质、范围等进行准确判断。相对于传统的基于离散点的变形测量方式，SAR干涉测量技术可以实现大范围的连续覆盖，更有利用分析目标的区域变形分布和发展规律，同时非接触式的远程监测模式避免工作人员进入危险区域，全天时全天候的工作模式避免监测过程受到天气的影响。

4.3 管道机器人系统

堆石体内部长距离变形监测是面板坝监测主要难题之一，200m级堆石坝其监测管线长度400～500m已是其材料和工艺极限，在实际使用过程中出现过诸多问题，对300m级面板坝1000m左右的管线长度考虑采用新方法是工程所需。基于高面板堆石坝建设及安全性这一需求，国内相关单位拟在深入研究高面板堆石坝的工作特性及运行机理的基础上，结合已开展的新传感产品柔性固定式测斜仪研发工作，专门针对300m级高坝开展长距离水平位移计和沉降仪相关的新型仪器设备应用研究。通过这项研究，可以为300m级高坝的内部变形监测提供有效的解决方案，填补高坝内部变形监测技术的此类技术空白，同时为类似工程的设计和施工提供非常有借鉴意义的技术解决方案及相应的系统产品、技术和经验，具有重大的技术进步意义并创造可观的经济价值。

管道机器人监测系统是一种“直接测量”的方法，其观测原理为在大坝内部埋设布置能够与坝体同步变形的专用监测管道，为测量机器人提供行进通道；采用专门设计的变形测量机器人进入管道内部，根据编制的计算机程序在管道内部自动行进；利用配备的各种监测仪器，自动检测管路各点位置的垂直变形和水平变形等内容，记录采集的所有数据并传送给外部监控计算机；外部计算机分析处理采集数据，得出大坝内部变形监测结果。

监测管路中没有“水管”和“引张线”的阻碍，测量机器人在管路中自动行进，可测量任意位置的变形状况，测点数量不受限制，属于典型的“分布式”测量系统，满足200～300m级高面板堆石坝内部变形监测的测量技术需要。管道机器人监测系统与现有“引张线”方法和“水管式”方法测量仪器相比，设备简化、操作简单、成本降低，一个水库只要一台机器人设备就可以对所有管道进行监测；该项成果推广，可以取代目前常规使用的“引张线”方法和“水管式”方法测量仪器，提高测量精度，降低设备成本。

国内科研单位在这方面已进行了深入研究，取得了较多成果，并获得了实用新型专利证书。他们还将依托国内拟建300m级高面板堆石坝，开展更加深入的研究。预期该项成果技术如果得到推广，可以转化为产业化批量生产，可以取得较大经济效益。

4.4 传统渗流监测技术提升

传统渗流监测技术已较为成熟，对300m级面板堆石坝不存在技术障碍，应继续作为主要监测手段。近年来，光纤光栅传感器有了一定的应用，但在观测原理、仪器率定检测、施工等方面仍有需提升的地方，可作为辅助手段。

4.5 监测实时动态智能反馈与预测系统

近年来，大坝监测实时动态智能反馈与预测系统研究方面取得了很多成果，现在正在开展高面板坝监测实时动态智能反馈与预测系统研究，主要研究目的和内容为基于已有科研成果及现场监测资料，提出蓄水期、运行期的安全评价指标；对监测数据进行综合分析及合理评价，考虑时空效应结合多尺度有限元计算进行反演分析，获得大坝材料的合理参数，对大坝进行安全评价，并预测大坝在不同条件下的性态及安全裕度；根据监测和分析成果修正和完善不同时期各级警戒值和安全评价指标，提出相应的应急预案与措施。

4.6 提高管理水平监测成果充分利用

为监控高面板堆石坝变形、渗压、应力及指导施工过程，需布设很多监测项目和仪器，分散在枢纽建筑物的各个部位。监测仪器多数个体比较小，不容易被重视，布置电缆比较长，有时会与施工有干扰，仪器和电缆均容易受到损坏，有些是不可恢复的。因此应做到：①建设单位在招标阶段将安全监测集中招标，不要分散在各土建施工标中，这样可提高监测仪器施工、保护、监测数据测读的专业性，大大提高仪器完好率；②大的工程最好成立监测中心，统一管理、整编监测数据，减少低级错误，使监测数据充分发挥作用。

5 结束语

（1）根据面板堆石坝结构特点，变形与渗流监测是面板堆石坝最主要的监测项目。目前的监测时段基本能满足200m级面板坝的监测要求，指导筑坝施工和设计反馈。

（2）随着筑坝高度的不断增加，目前多座200m级高面板坝的水平垂直位移计长度超过400m后，位移计出现失效问题，仪器设计不能满足监测要求。针对超高混凝土面板坝，需从传统监测技术的适用性、监测新技术的研制和开发等方面进行系统的研究。

（3）经过对国内已建具有代表性的几座200m级高面板堆石坝关键监测技术及应用情况的总结，200m级面板堆石坝布置原则基本一致，大多设置3个监测断面，每隔40m左右设置一个监测高程，相邻测点间距在40～50m之间，基本能够全面反映大坝变形。对于300m级高面板堆石坝，考虑监测难度，可进一步研究设置中间观测廊道的必要性。

（4）200m级面板坝内部位移监测采用的传统的关键技术和手段，由于仪器设备自身固有的一些缺陷以及安装埋设工艺所限，部分工程出现监测设施损坏、测值异常、系统难以维护等问题。对于300m高面板坝，管线有可能长达1000m级，有必要研发适应面板堆石坝变形特征的新型监测仪器，以避免目前出现的种种问题。

（5）国内科研单位和高等院校已开展了相关研究，并取得了较多成果，为300m级高面板堆石坝新型监测技术的深入研究和仪器的研发打下了良好基础，我们期望也相信这些关键技术的发展和创新，能够在将来300m级高面板堆石坝安全监控方面发挥重要作用。

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China Concrete Faced Rock-fill Dam Safety Monitoring Technology Progress

WU Yijin1, ZOU Qing2, TAN Zhiwei2, YANG Zeyan1, SUN Yongjuan1
（1. China Water Resources and Hydropower Engineering Consulting Co.， Beijing 100120， China; 2. Electric Power Construction Group and Kunming Engineering Corporation LTD.， Kunming 650051,China）

This paper collects the domestic representative high concrete faced rock-fill dam key monitoring technology and its application， probes deeply into the domestic 200m level high concrete faced rock-fill dam safety monitoring technology，summarizes the high rock-fill dam safety monitoring technology characteristics and difficulties， analyzes the main monitoring measure effectiveness and their existing problems， sums up related experience， To improve and provide solution and direction for future planned 300m level high concrete faced rock-fill dam safety monitoring technology.

high concrete faced rock-fill dam ；Safety monitoring ；The key technology ；progress and prospects.

TV641

A

570.25

10.3969/j.jssn.2096-093X.2017.01.005

2016-09-11

2017-01-08

吴毅瑾（1964—），女，教授级高级工程师，主要研究方向：水利水电设计、咨询、审查、安全鉴定和验收等工作。

邹青（1969—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：安全监测设计、资料分析及技术管理工作。E-mail:1009022968@qq.com

谭志伟（1978—），男，教授级高级工程师，主要研究方向：安全监测设计、资料分析及技术管理工作。E-mail:tan204@qq.com

杨泽艳（1962—），水电水利规划设计总院、中国水利水电建设工程咨询有限公司副总工程师，教授级高级工程师，全国工程勘察设计大师，电力勘察设计行业资深专家，主要研究方向：水电工程设计、咨询、审查等技术业务工作。

孙永娟（1943—），女，教授级高级工程师，主要研究方向：水利水电咨询、审查、安全鉴定和验收等工作。E-mail:1214964527@qq.com