白鹤滩水电站安全监测管理系统的研发与创新

段 杭，任大春，汤国强，上官瑾，柯传芳，胡旭阳，游家兴，于胜利，程昌华

（中国三峡建设管理有限公司，615421，宁南）

一、安全监测情况

白鹤滩水电站规模巨大，位于高山峡谷地区，自然和地质条件复杂，安全风险高，为此开展了较全面的安全监测工作，做到每个风险点均被监控。白鹤滩水电站安全监测对象主要包括大坝及水垫塘、左右岸地下洞室群、泄洪洞、左右岸边坡、滑坡体、围堰、导流洞、泥石流沟、料场、渣场等枢纽区所有建筑物。

根据各建筑物特点，安全监测设计原则为：明确目标、突出重点，控制关键、兼顾全局，统一规划、分项实施。白鹤滩水电站布置共有各类监测仪器设备50余种，总数量约1.5万支（个）。

二、安全监测管理

白鹤滩水电站建设具有安全监测范围广、监测仪器设备种类数量众多、建设期受各种因素干扰致使管理协调工作繁杂、监测施工和资料分析专业性强等特点，为更好地发挥大型水电工程安全监测作用，在继承三峡工程安全监测管理模式的基础上，由建设单位自有专业技术人员组建综合安全监测中心（简称监测中心）专职负责白鹤滩水电站安全监测工作。

安全监测项目按照 “提前布局、及时安装，严控质量、数据可靠，全程监控、预警预报，指导施工、反馈设计”的总体目标开展工作，抓好事前、事中、事后3个阶段的质量管控。事前严控监测仪器采购、验收、检验和开工，事中做好仪器设备安装、保护和数据采集，事后及时监测成果整理分析和反馈。

三、安全监测作用

1.监控工程安全状况

白鹤滩地质情况复杂，地下厂房跨度、调压井直径和地下洞室群规模均世界第一，左右岸开挖边坡最高700 m，同时施工区有4个滑坡体，每年6—10月汛期降雨集中，建设期工程安全风险大，通过安全监测可及时发现施工期可能存在的安全隐患，使工程安全处于可控状况。

通过监测手段发现了多处安全隐患，如2014年7月在右岸进水口边坡上部高程1070 m马道的测斜管上监测到距表层4 m处发生顺坡向滑移变形，且汛期变形持续增大，监测中心及时发布预警信息。再如2017年3、4月份开挖左岸厂房第六层时，在#3、#4母线洞安装的测斜孔处监测到下游边墙C2错动带的错动变形明显，并快速发展至测斜孔变形过大失效，监测中心及时发布预警信息；各参建单位对预警信息和监测成果分析研究后，采取相应的工程处理措施，消除了安全隐患，确保了工程安全。

2.指导施工

施工方案和工艺直接影响工程安全、质量和进度，通过安全监测可以为施工方案的选择提供参考意见，进一步改进施工方法和控制指标。在白鹤滩水电站大跨度高边墙洞室和边坡快速开挖成型、大坝温控、横缝接缝灌浆等施工过程中，安全监测都发挥了重要的指导作用。

地下厂房每层开挖期间对围岩变形增量和时效性进行分析，最终确定了“先洞后墙、薄层开挖、精细爆破、随层快速支护”和“中间拉槽、两边预裂”的对围岩稳定控制最为有利的施工方案。

大坝横缝灌浆过程中对开度进行了分钟级的实时监测和反馈，据以调整灌浆压力和灌浆工艺，目前大坝各灌浆区横缝灌浆前后开度变化均值小于0.2 mm，使灌后横缝增开问题得到了有效控制，灌浆质量明显提高，达到了国际领先水平。

3.反馈设计

由于施工期工程地质、建筑材料、施工方案和工艺等与前期设计理论、依据或多或少有一定差异，因此设计方案、计算方法、计算模型、边界条件、参数选择是否合理、实用都需要在工程建设过程中逐步验证，安全监测是检验和反馈设计的有效手段。

左岸坝基高程660—580 m分布有柱状节理玄武岩和多条错动带，开挖过程中根据多点变位计、测斜孔和声波测试等多种监测手段长时间密集观测和反馈，验证了设计单位关于坝基柱状节理玄武岩防松弛、错动带剪切变形与松弛控制的设计方案和处理技术是合理有效的。

当安全监测成果与设计计算成果指标偏离较多时，需对设计方案进行分析和动态调整。右岸厂房在第Ⅱ、Ⅲ层开挖过程中，各监测断面下游侧拱肩多点变位计监测11 m处变形持续缓慢增长，为保证下游拱肩围岩稳定，设计单位在右岸厂房0-039 m～0+359 m段下游拱肩增加106束压力分散型预应力锚索进行加强支护。

4.大坝安全管理的需要

《水库大坝安全管理条例》和《水电站大坝运行安全监督管理规定》对大坝安全监测工作均有明确的要求和规定，电力企业应当在规定期限内申请办理大坝安全注册登记，在规定期限内不申请办理安全注册登记的大坝，不得投入运行，其发电机组不得并网发电。

四、安全监测技术研发与创新

在工程建设过程中，坚持问题导向，积极开展安全监测管理和技术创新。

1.地下洞室安全监测管理新模式

在白鹤滩地下洞室开挖过程中形成了4个步骤循环的安全监测管理新模式（见图1），实现了对围岩稳定的有效监控，成功发出多次监测预警信息，为设计、施工提供了较好反馈。

图1 4个步骤循环的安全监测管理模式

2.施工期安全监测自动化系统建设

为满足工程建设需要，白鹤滩水电站克服了施工期监测自动化系统环境适应能力差、故障多、存活率低的困难，打破安全监测自动化通常在运行期实施的惯例，在行业内首次开展大型水电工程施工期安全监测自动化系统建设。在大坝横缝和基础灌浆期间完成分钟级的自动高频次横缝、接缝的开度观测和反馈，指导灌浆工作安全高效开展；在右岸厂房南侧产生的大变形部位采取应急加固工作中，进行长时间无人观测、实时监控和预警预报，密切监控工程安全状况。目前施工期安全监测自动化系统在白鹤滩安全监测工作中连续应用超过了一年半时间，解决了施工期长时间高频次观测和实时预警难题，也为其他工程开展监测自动化方案选择提供了参考。

3.全生命周期安全监测管理系统

白鹤滩安全监测项目管理和监测资料整理分析工作量巨大，迫切需要科学有效的安全监测管理系统。白鹤滩水电站在建设期就组织研发了安全监测管理系统，包括设计资料及环境质量管理、实施过程管理、监测数据管理、报表报告整编、成果展示及可视化、预警预报分析和监测APP等功能，其主要特点：①实现了安全监测项目全生命周期管理 （项目前期、建设期和运行期）和安全监测施工全过程管理（仪器设备采购、检验、安装及评定、验收、维护）数字化管理；②实现了监测报表和报告的一键整编，提高工作效率；③与施工期安全监测自动化相结合，做到安全监测实时预警。

4.综合的谷幅变形监测方案

特高拱坝在蓄水后可能会出现谷幅变形现象，影响大坝工作性态和长期安全状况。白鹤滩水电站高坝大库，两岸边坡最高达700 m，为此提前组织研究了谷幅变形综合监测方案：①实施全过程的谷幅变形监测。与开挖边坡变形监测相结合，获取从施工期、蓄水到运行期全过程谷幅变形监测。②建立大范围立体的谷幅变形监测网。将谷幅和库盆监测范围扩展至上游库区和坝下游一定范围较大区域，拱坝上下游布置多个监测断面和不同高程建立谷幅测线。③实施深层谷幅变形监测。利用两岸抗力体排水洞，开展深部变形监测，最大监测深度达到500 m。④开展枢纽区大范围渗流场监测，监测蓄水前后渗流场变化情况。白鹤滩水电站从2015年年底开始进行施工期坝肩附近区域谷幅变形监测，获得了变形本底数据。

5.结合防治措施的泥石流监测

大寨沟和矮子沟是施工区危险性最大的两条泥石流沟，为进一步做好施工区防灾减灾工作，对其开展了拦挡与排导相结合的治理，并建立了泥石流预警系统。

泥石流预警系统包括：①数据采集，设立了雨量监测站、泥位站、振动监测站等数据采集设施；②数据传输，现场数据通过北斗通信卫星及GPRS无线通信两种方式实时传输；③监测预警，对监测现场传回的数据进行存储并根据阈值进行分析判断，按灾害预报等级对泥石流灾害发出警报。对泥石流进行预警分析判断时充分考虑现场实际情况，以雨量作为主控性预警指标，泥位作为辅助性预警指标，选择泥石流沟流域上游物源区为主控监测站，结合工程治理措施（大寨沟设有5级拦挡坝，矮子沟设有3级拦挡坝）制定更合适的预警阈值。泥石流预警系统自2014年汛期试运行以来，基本运行正常，累计发送预警短信7000余人次，效果较好。

从2011年至今已完成各类监测仪器设备安装约1.1万支（个），安装后合格率100%。截至目前完好率为96.5%，达到国内领先水平。