大坝安全监测系统在方洲水库的应用

叶留根 李春燕 代世军

我国现有各类水库约8.5万座，居世界第一位，中、小型水库占了99.5%。大多数中、小型水库建于20世纪50～70年代，很多水库设施、监管落后、防洪标准低、老化严重，经过这几年的除险加固已经得到很大改善，但大多水库地处偏远，不能及时观测到水库可能出现的险情，存在很大安全隐患。随着科技的进步，充分利用现代通信技术、计算机技术、网络技术及检测技术建立大坝安全监测系统，有效地提供水库运行信息，大大提高了大坝安全监测的实时性和可靠性。本文结合方洲水库工程实例阐述了该系统的实际应用效果。

一、概述

安徽省太湖县方洲水库除险加固工程位于太湖县城西乡方洲村境内的方家洲河出口处，属皖河水系长河支流，坝址以上集水面积28.68km2，总库容1750万m3，是一座以灌溉为主，兼有防洪、发电、养殖等综合效益的省重点中型水库。水库枢纽工程由拦河坝、溢洪道、输水低涵及输水隧洞等建筑物组成，工程等别为Ⅲ等，主要建筑物为3级。大坝坝顶高程93.8m，最大坝高33.8m，坝顶宽度5.0m，坝顶长度180m，上游坝坡 1∶2.0～1∶3.5，下游坝坡1∶2.12～1∶3.0，坝顶防浪墙高程94.5m；溢洪道位于主坝的右端，开敞式实用堰，重力坝高18m，挑流消能，溢流堰顶高程88.0m，堰顶宽46.0m；放水低涵位于溢洪道底部；输水隧洞位于大坝右岸山体内，有压隧洞，全长120m，发电结合灌溉功能。

二、大坝安全监测系统构建

1.大坝安全监测系统建设的主要内容

监测建设内容有变形观测、渗流渗压观测、水文视频监视系统。渗流观测包括：坝体渗压（浸润线）观测、坝基渗压观测、绕坝渗流观测、渗流量观测。对渗流渗压观测项目实施自动化监测。

2.系统关键技术与基本功能

大坝监测预警系统的目标是：实时显示各监测量（监测项目）的变化情况，以便管理人员根据评价结果，分析具体情况，作出相应的预警和控制措施，保障大坝的安全运行。

（1）监测预警系统关键技术问题

监测实施、合理布置监测点、仪器设备选型、防雷保护等。

（2）大坝监测系统拟实现的功能

数据库管理：自动生成数据库，便于处理海量数据和调用。

数据存储和显示：对于重点断面，实时数据自动采集、存储和处理，直观显示监测量的变化趋势，监测数据按采集时间间隔入库，可随时调用和处理；对于一般断面，采用人工监测，监测数据可通过计算机由人工输入存储到上位机中。

3.系统基本构成

（1）量测仪器

采用孔隙水压力计。

（2）采集站（或称测控单元）

由自动采集控制器、电源组成，具有自动采集、检测、存储、控制、通信的功能。

（3）监控主站

为自动监测及预警中心，对各个采集站进行管理，发布采集指令，接收、处理、显示采集的信息数据。

（4）通信网络

在传感器、采集站、监控主站、远程信息中心之间进行数据和命令传输的由电缆、因特网或电话网等组成的通信网络。

（5）监测软件

针对大坝安全，实现采集、检测、存储、控制、计算、通信、报警等操作功能的应用软件。

4.大坝安全监测系统的布置

（1）大坝安全监测项目

大坝表面变形监测；粘土心墙底部接触带及粘土心墙渗流压力监测；坝体浸润线监测；绕坝渗流监测；渗流量监测；上、下游水位监测；水情视频监测等。

（2）断面选择

大坝安全监测选取大坝桩号0＋050、0+095、0＋130 等 3 个断面外加绕坝渗流观测的1个断面，其中0+130为重点观测断面，采用自动化监测，大坝上的3个断面可辅以人工监测进行相互对照。

（3）大坝表面变形监测

观测标点共计9座；工作基点共计6座；校核基点共计2个。

（4）粘土心墙底部接触带及粘土心墙渗流压力监测

在桩号0＋130断面的上、下游粘土心墙内、下游粘土心墙底部接触带各埋设孔隙水压力传感器1只，共计孔隙水压力计4支，均采用自动监测。

（5）坝体浸润线监测

布置3个监测断面，采用测压管和孔隙水压力计监测。

桩号0＋130断面由4根测压管组成，分别位于坝顶（高程93.8m）及下游坝坡高程85.0m、77.0m、70.0m处。桩号0＋050、0+095断面由3根测压管组成，分别位于坝顶（高程93.8m）及下游坝坡高程85.0m、77.0m处。测压管应在坝体内，深入坝基强风化层1.0m，共计测压管10根。大坝上3个断面同时采用自动化监测，设孔隙水压力计13支（包括心墙底部及粘土心墙内渗透压力观测的4支）。

（6）绕坝渗漏监测

在左坝肩设置1个监测断面，共埋设孔隙水压力计2支，测压管3根，其中2根采用自动化观测，1根人工观测。

（7）上、下游水位监测

上游在水库深水中安放一支渗压计，下游增设水位监测井1个，内设孔隙水压力计1支。上、下游水位监测均采用自动化监测，同时下游监测井的水位还可采用平尺水位计进行人工观测。

（8）大坝下游渗流量监测

利用截渗墙与集渗沟测渗流量，在大坝下游距反滤坝坝脚5m处设置集渗沟，桩号范围0+125～0+130。量水堰采用三角堰形式，人工观测。

（9）视频监视系统

方洲水库安装了3套视频监视系统，1套视频监视溢洪道，1套视频监视大坝，另外1套视频监视方洲水库管理所办公楼。

三、大坝安全监测自动化采集系统

1.渗压计自动化测量原理

渗压计是一种压力传感器。该工程选用BGK-4560S钢弦式渗压计，其各种性能优异，长期稳定性好。用渗压计测量水位，其原理是通过测量张紧钢弦的频率变化来测量钢弦的张力/应变等物理量，将其埋设在水工建筑物、基岩、测压管、钻孔、堤坝、管道和压力容器里，通过压力感应装置测量孔隙水压力，并将得到的压力换算成相应的水位。

2.大坝安全监测自动化采集系统

采用分布式结构，在方洲水库管理所设立监控主站，主站内设一台微机接收来自采集站的数据，主站的作用是对各个采集站进行管理和控制、接收采集的信息、评价安全状况、报警、向远程信息中心（远程办公室或防汛指挥中心）发送监测数据和评价结果。大坝安全监测系统形象见图1。

监控主站组成部分包括：系统软件、微机（及扫描、打印机等输入输出设备）、通讯电缆、Modem（调制解调器）、电话线路、防雷器等。

采集站为标准化设置，具有自动采集、检测、控制、通信的功能。具有独立性，可以在主站停机的情况下自行采集和处理数据。采用基康公司生产的BGK-Micro-40多通道数据采集仪，适合于自动测读各种类型的振弦传感器，每台仪器可同时接入40支振弦式传感器，抗干扰能力强，设置RS-232及RS-485双串口配置。根据现场情况，采集站设在桩号0+170下游高程85.0m平台上。

图1 大坝安全监测系统形象图

四、大坝安全监测系统运行情况

大坝安全监测系统建成至今，已运行多年。在试运行期间所有仪器设备使用运行正常，各监测项目具体运行情况如下：

1.大坝渗压计水位监测

方洲水库大坝渗流监测共布置17支渗压计，从测压管水位过程曲线可以看出，各测压管水位变化跟库水位变化相关，但防渗墙前测压管水位与库水位相关性较强，几乎与库水位同步变化，而防渗墙后的测压管水位则与库水位相关性较弱，尤其是库水位处于高位运行时，防渗墙后的几支测压管没有显著的水位上升，变化幅度相对较小。

根据渗流监测数据分析成果可以看出，该监测系统所反映的渗流监测数据稳定并符合土石坝防渗工程一般规律。

2.防渗墙渗控效果分析

（1）防渗墙前后水位差分析

从观测成果来看，0+130和0＋095断面在库水位处于高水位时，防渗墙前后水位差最大达到12.699m，水位差最小也超过了8.839m。

0＋050断面防渗墙前后水位差相对小一些。影响坝体浸润线形态的因素很多，包括上游库水位、降雨及时效、坝壳料土质、坝基形态等因素。左岸岸坡附近测压管水位相对较高，综合分析认为，左岸坝壳料土质砂性较强，降雨入渗及左岸山体排水所致。

（2）加固前后坝体渗流场变化

从加固前后观测成果看出，在上游水位接近或者高的情况下，防渗墙实施后坝体渗压水位有了一定程度的降低，测压管水位下降了0.463～1.173m，防渗墙对于降低坝体浸润线高度，起到了比较明显的作用。

分析结果表明，防渗墙实施后，坝体渗流情况得到改善，浸润线得到了降低。测压管位势在不同水头作用下是基本稳定的，大坝运行状态正常。

3.坝基渗流量分析

渗流量的监测是通过流量堰进行的。对于直角形（θ=90°）三角形堰，渗流量公式可写成：

式中：C为直角形三角堰的系数，根据实验（H≈0.05～0.25m），m0=0.396，可得C=1.4；H为堰上水头。

汛期高水位，通过量水堰测得坝基最大渗流量为0.00253m3/s（含降雨引起的渗流量），渗流量较小。在库水位小于85.0m，渗流量接近于0。加固前，可查询的最大渗流量为1994年的0.00698m3/s，

可见，工程加固后，渗流量降低值较大，量水堰所测渗流量最大值较小，目前大坝的渗透稳定是有保障的。

4.巡视检查

从日常观测及巡视检查中，防浪墙、坝顶、迎水坡、背水坡未发现异常现象。防浪墙没有出现开裂、挤碎、架空、错断、倾斜等情况。坝坡未发现裂缝、剥落、滑动、隆起、塌坑、散浸、管涌等现象；坝体与岸坡连续处无裂缝、错动、渗水等现象。巡视检查表明，目前大坝运行正常。

5.视频监视

系统图像清晰、运行正常。

五、结语

方洲水库应用大坝安全监测系统，满足了当前水库安全与信息管理的需要，测量数据稳定可靠，监测成果反映了大坝的渗流分布及变化情况，正确反应大坝运行状态，有效地维护了水库安全生产运行，并为防汛工作提供了重要保障，同时改善了观测、测量工作人员的工作环境，减少工作人员，真正做到了无人值守、少人值班■