糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测关键技术研究

冯小磊 刘德军 洪孝信

摘要：糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测具有监测规模大、仪器种类多、超常规和监测施工难度大、自动化系统复杂等特点，给安全监测的设计和实施带来挑战。鉴于此，提出了安全监测安装施工技术，基于TCP/IP协议及网络的安全监测自动化系统组网技术，自动化系统集成、三维可视化设计与系统开发、自动化系统应急预案与预警自动触发技术和特高心墙堆石坝安全监测资料分析等关键技术。以上技术的应用成功解决了糯扎渡水电站现场安全监测技术难题，提高了枢纽工程安全监测自动化的整体水平，降低了工程成本，提高了工程质量。该技术完备性好、可行性高，安全监测自动化研究成果已被《水利水电安全监测设计规范》所采用;开发研制的专项监测设备或监测技术具备技术前瞻性，将推动监测技术的发展。

关键词：安全监测;监测自动化系统;三维可视化;安全预警;高心墙堆石坝;糯扎渡水电站

中图法分类号：TV698.1文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2019.11.004

1 工程概况

糯扎渡水电站位于云南省普洱市翠云区和澜沧县交界处的澜沧江下游干流上，是澜沧江中下游河段8个梯级规划的第五级。最大坝高261.5 m，坝顶长630.06 m，总库容为237.03億m3，是亚洲最高、世界第三高的心墙堆石坝电站。坝体基本剖面中央为砾质土直心墙，心墙两侧为反滤层，反滤层以外为堆石体坝壳。坝顶宽度为18 m，心墙基础最低建基面高程为560.0 m，坝顶高程为821.5 m。

糯扎渡心墙堆石坝重点监测内容为大坝各部位的变形分布、不均匀变形、防渗效果评价、应力分布等[1]。具体监测项目及方法如表1所示。

2 关键技术难题

糯扎渡特高心墙堆石坝安全监测布置有两个特点：① 安全监测规模大、种类多、监测仪器突破常规，电站总安装埋设仪器仪表喜超过8 000支，其中部分传感器的使用超规范、超量程。② 监测施工难度大、自动化系统复杂。糯扎渡水电站安全监测自动化共接入传感器超过4 000支（除失效和临时性测点外），是国内首个监测自动化系统在建设期同步实施、与工程同步竣工的工程;涉及内外观监测和其他接入项目共10个子系统，传感器类型繁多，同时要实现信息传输快、集中管理、操作维护简便、实时自动等功能需求，迫切需要技术创新。

基于上述监测布置特点，糯扎渡水电站安全监测主要面临的技术难题如下：

（1）减少传感器电缆渗水。传感器电缆在高水压力下极易形成渗流通道[2]，在黏土心墙堆石坝监测施工中表现得尤为明显。如何有效防止水沿电缆渗透是传感器电缆埋设时需要考虑的关键问题。

（2）360°棱镜与GNSS同轴保护问题。GNSS天线与360°棱镜既需要同轴观测，也需要对其进行防盗保护，方便调节棱镜方向。目前没有成型的产品可供使用，需自主研发。

（3）监测自动化集成管控。传统自动化项目各子系统相互独立，糯扎渡水电站自动化包含10多个子系统。如果不进行集成管理控制，系统会出现维护性差、响应不及时、成果产出较慢等情况。

（4）管理的三维可视。监测成果的表达往往采用二维图表等形式，较为专业和抽象，无法直观可视地进行表达与展示。如何提升表达效果是改进监测管理的重点。

（5）智能化应急预案触发。传统的特殊工况应急预案采用人工的方式进行，人工收到指令后手动加密观测，耗时耗力、人工成本较大。如何实现智能化触发观测，提升系统的智能化水平是自动化系统开发的技术难点之一。

（6）超孔隙水压力的问题[3]。高心墙内部的超孔隙水压力较大，靠近基础垫层的渗压计表现尤为明显，分析超孔隙水压力现象以及消散机理，有助于同类型高心墙堆石坝资料分析。

为了糯扎渡心墙堆石坝安全监测及枢纽工程安全监测自动化系统工程的顺利建设，保证工程质量，节约工程投资，满足指导施工、反馈设计，保证实现安全监测目的，研究解决好上述安全监测关键技术难题十分重要，同时也可为类似安全监测及自动化工程提供重要借鉴作用，有助于推动安全监测行业技术进步。

3 关键技术创新

3.1 安全监测安装施工技术研究

3.1.1 电缆阻渗环设计研制

设计开发电缆阻渗环，由橡胶外套、不锈钢紧固套筒、橡胶楔及螺杆（螺帽）组成。针对渗透水沿电缆埋设方向渗透的特点，通过拧紧螺杆（螺帽），迫使橡胶楔往不锈钢金属套筒内径小的一侧运动，不锈钢金属套筒对橡胶楔进行挤压，从而使橡胶楔紧裹电缆，达到防止渗透水沿电缆形成渗流通道的目的。通过阻渗环阻渗效果性能测试，压力表测值稳定，阻渗环阻渗效果良好（见图1）。

3.1.2 填筑土体测斜管保护装置研制

填筑土体测斜管保护装置是一种用于填筑土体内测斜管安装保护的专用设备，由钢保护板、角钢支撑架、连接环、螺纹钢顶杆、连接插销组成。利用钢板加工易拆卸、组装的保护装置替代保护圆钢桶，既能保护测斜管，又便于安装、拆卸，减少了占用土建填筑作业面的时间。该装置在糯扎渡心墙堆石坝安全监测项目中得到较好应用。

3.1.3 360°棱镜与GNSS接收天线安装归心盘研制

针对棱镜和GNSS接收天线同轴安装的目标要求，研制了360°棱镜与GNSS接收天线安装归心盘（见图2）。

利用内六角螺栓将精密加工的不锈钢顶板、不锈钢连接杆、不锈钢底板、不锈钢棱镜保护罩和底板调平螺杆进行组装，安装、拆卸过程简便，底板调平螺杆进行精确调平后实现360°棱镜与GNSS接收天线同轴安装，棱镜保护罩、连接杆、内六角螺栓的使用满足了防盗保护的需求（见图3）。

3.2 安全监测自动化系统组网技术

通过对常用RS485和以太网构网型式的研究分析，提出并设计了糯扎渡水电站基于TCP/IP协议及网络的安全监测自动化系统星型构网方案。该构网方案设计主要技术路线如下。

（1）以监测管理站为星型结构的中心节点，用光纤连接所有现场监测站或监测点，单线通讯故障不对其他线路产生影响。

（2）每条线路两端成对设置光端机、串口服务器等进行信号转换，实现信号的转换传输。

（3）设置冗余光纤作为在用光纤线路的备用，提高通讯线路故障的快速修复能力。

（4）每个监测站或监测点设置唯一IP地址，提高故障排查的简便性和易操作性。

糯扎渡水电站安全监测内、外观自动化系统组成见图4。

3.3 安全监测自动化系统集成

3.3.1 信息管理及综合分析系统设计开发

通过分析用户需求，进行系统总体结构与详细设计，研究开发安全监测信息管理及综合分析系统。

系统采用3层体系结构，即普通用户层、业务应用层和数据库层（见图5）。系统架构中各层采用成熟的、符合技术标准的服务器、中间件和数据库产品;以C/S（客户机/服务器）作为开发方式;系统服务器硬件平台建立在较高性能的PC服务器或服务器群集上;数据库选择SQL SEVER数据库管理系统;采用Microsoft .NET作为本系统的开发平台;精心研究系统的框架构建;提供符合中文使用习惯的操作界面，所有与用户相关的信息都用中文显示。

系统界面简洁美观，系统功能完善。设计开发了信息录入子系统、系统集成子系统、信息输出子系统、检验分析子系统、预警管理子系统、系统管理子系统等，实现了信息录入存储、自动采集数据存储、查询、统计、输出、检验分析、预警管理等功能需求。

3.3.2 自动化系统集成设计

通过分析用户需求，将安全监测自动化各监测子系统进行集成，满足综合管理的目标需求。安全监测自动化系统在物理硬件层和应用软件层都进行了集成。

物理硬件层通过同一个以太网局域网络将现场监测站传感器采集器、监测管理站设备、监测中心站设备等进行集成。

在应用软件层数据层面上，采用分析数据库结构、解析数据库的数据组织方式来对系统进行集成，形成一个统一的安全监测综合管理软件。基本设计路线就是深入解析各子系统的数据组织和结构，按照设计、规范的要求提取监测数据与效应量，并写入本底数据库之中。同时，本底数据库公开关键部分数据库结构以供三维可视化系统、安全评价与预警系统的调用;监测管理站的本底数据库采用同步备份的方式将数据传輸至监测中心站服务器上，并作为原始数据库存储备份;对监测中心站服务器中的数据进行抽稀，萃取重点部位的监测数据提供给WEB发布系统进行发布。

3.4 安全监测三维可视化设计与系统开发

3.4.1 三维可视化系统设计

利用数字高程模型（DEM）及数字正射影像（DOM）合成数字糯扎渡水电站三维地形场景，导入相关的三维建筑模型，如心墙堆石坝、左岸开敞式溢洪道、左、右岸泄洪隧洞、左岸地下引水发电系统及导流工程、业主营地、施工营地及航摄范围内的居民房屋等三维建筑模型，建立水利枢纽工程与其属性数据的关联，并叠加工程区二维电子地图，最终实现糯扎渡水电站三维场景的构建。

系统以OSG为基础，采用三层体系结构，即用户层、业务应用层和数据库。通过各层之间的信息和功能融合，实现以下功能需求：①完全底层设计可以根据用户需要灵活的扩展;②解决地上、地下一体化漫游的问题;③能够实现与专业水文水动力学模型的无缝、紧密结合及三维仿真;④能够根据建筑物的结构信息自动修改地形，实现建筑物和地形的无缝结合;⑤支持多种矢量数据的加载读写，实现矢量数据的流模式加载以及建筑物模型的灵活管理。

3.4.2 三维可视化系统开发

安全监测三维可视化系统开发从航空数据采集、三维模型建立和安全监测系统功能开发等方面进行。

航空数据采集生产按以下技术路线进行：①采用无人机航摄，航摄类型为真彩色，地面分辨率达到0.2 m;②采用RTK测量的方法测量像控点;③采用武汉智觉空间信息技术有限公司开发的SVS近低空摄影测量系统进行相片空三加密;④制作数字高程模型（DEM）;⑤制作数字正射影像图（DOM）。

三维模型建立分为两种：模型表现和地形表现。根据糯扎渡水电站三维建模要求，重点建立三维地形、枢纽建筑物、业主营地、施工营地及安全监测仪器三维模型;地形模型建模以数字高程模型为主反映地形起伏特征和叠加以航空、航天遥感影像为主的地表纹理，将地表形态和地理要素转化为具有三维交互特征的地表形态景观，将反映地形起伏特征的数字高程模型及其对应的以航空遥感影像为主的地表纹理，加载到地形合成三维地形数据加工平台中，生成地形起伏和表达真实地面纹理的三维地形数据集（见图6）。

在安全监测系统功能开发中，除具有三维可视化平台常用的系统操作、数据查询和面积长度量算等功能外，根据安全监测可视化系统的特点开发大量与安全监测相关的专业功能。

3.5 应急预案与预警自动触发技术

3.5.1 应急预案与预警方案设计

研究分级安全预警，设置黄色、橙色、红色3级安全预警，根据工程经验和设计监控指标，拟定糯扎渡大坝安全监控指标，针对不同评判指标的每一预警等级，设计相应的应急预案措施，详情见表2。

3.5.2 强震自动触发系统设计与功能开发

强震自动触发系统主要方案设计如下：①安装强震监测子系统，采用24 h在线工作方式，并自动在线分析数据，若出现地震事件，强震监测子系统对地震事件产生的EVT文件实时进行解算，求取三分量的加速度值和地震烈度值并且实时将加速度等相关数据送入数据共享服务器;②安全监测信息管理及综合分析系统24 h不间断实时查询数据共享服务器，当发现出现新数据时，写入安全监测数据库。根据规范和业主需求，设定地震触发加速度阈值，系统把提取的峰值加速度数据跟预设的阈值比较，当超过设定的阈值，启动安全监测自动化采集系统进行自动加密观测;③安全监测自动化采集系统在接收到安全监测信息管理及综合分析系统的指令后，马上执行自动巡测功能，加载预先定义的加密观测方案，对方案中的监测仪器进行加密监测，加密观测方案主要由观测间隔时间、观测起始时间、观测结束时间、加密观测前固定观测时间和安全监测点测点编号构成。加密观测中，每采集到一条数据记录，都会立即把数据记录推送至数据库服务器。

根据强震自动触发系统的设计方案，开发相应功能模块，实现系统需求。

3.6 安全监测资料分析

3.6.1 渗透压力影响机理研究

结合糯扎渡心墙堆石坝渗透压力监测成果与现场施工、环境等相关资料，采用图表法、对比法、模型法等对特高心墙内部渗透压力的分布情况、影响因子、变化规律以及渗透压力的消散机理进行深入系统的分析研究，为心墙堆石坝运行期渗透压力监测成果分析提供参考依据，也可为类似工程心墙内部渗透压力施工期和运行期安全分析评价提供借鉴。

3.6.2 安全监测资料分析

糯扎渡心墙堆石坝自施工开始至2014年，历经了2次库水位抬升与回落期，结合主要安全监测资料与现场施工、环境等相关资料，对大坝安全监测成果进行系统分析，研究特高心墙堆石坝变形、渗流渗压及应力应变等的变化规律与特征，并对糯扎渡心墙堆石坝的安全运行性态进行初步评价，为大坝运行管理提供决策依据，可供类似工程监测资料的分析借鉴。

4 结 论

（1）研究发明了电纜阻渗环、填筑土体测斜管安装保护装置、360°棱镜与GNSS接收天线安装归心盘等多项实用新型技术设备，成功解决了大坝安全监测施工过程中的多项技术难题，节约了工程投资，提高了施工质量，取得了良好的经济效益。

（2）首次采用基于TCP/IP协议及网络组网技术，解决了糯扎渡水电站自动化大范围、多测点、多系统等复杂情况下的快速通讯及数据传输问题，提高了系统可靠性，推动了国内安全监测自动化系统通讯组网技术的进步。

（3）首次实现安全监测自动化多系统的集成。多系统的集成管控，提高了大坝安全监测多源异构系统的管理技术。将三维可视化技术引入安全监测信息管理系统之中，提升了系统直观感和操作友好性。创造性实现了安全监测预警及应急预案自动触发，提高了系统智能水平。

（4）通过对心墙堆石坝渗透压力的分析研究，揭示了黏土心墙堆石坝渗透压力的影响机理，为工程施工提供了理论依据，为类似工程的安全评介建立了范例。

参考文献：

[1] 刘德军， 葛培清， 何滨. 澜沧江糯扎渡水电站枢纽工程安全监测自动化系统综述[C]// 高坝建设与运行管理的技术进展——中国大坝协会2014学术年会论文集. 郑州：黄河出版社，2014.

[2] 马能武， 唐培武， 葛培清， 等. 粘土心墙堆石坝施工初期渗流控制及渗压监测[J]. 人民长江， 2010， 41（20）：82-85.

[3] 冯小磊， 葛培清， 马能武， 等. 超高心墙堆石坝渗压计埋设方法与心墙内部渗透压力影响机理研究[C]// 高坝建设与运行管理的技术进展——中国大坝协会2014学术年会论文集. 郑州：黄河出版社，2014.

（编辑：李 慧）