文得根枢纽大坝安全监测方案优化建议措施探索

巩维屏

(引绰济辽供水有限责任公司，内蒙古 乌兰浩特 137400)

1 工程概况

文得根水利枢纽工程是引绰济辽工程的水源工程，是绰尔河流域的骨干性控制工程，位于松花江流域嫩江支流绰尔河中游，坝址位于内蒙古自治区兴安盟扎赉特旗音德尔镇上游90km处，是一座具有调水、灌溉、发电等多项功能的大型枢纽工程，枢纽建筑物主要由大坝、引水发电系统、岸坡溢洪道、混凝土副坝及鱼道等组成。水库总库容19.64×108m3，灌溉面积为49986.67hm2，电站装机容量36MW。大坝为黏土心墙砂砾石坝，最大坝高48m，坝顶全长1358.00m，坝顶高程381.50m，防浪墙顶高程382.70m，坝顶宽度8m，枢纽工程规模为大(1)型，工程等别为Ⅰ等。

2 大坝安全监测总体设计方案

大坝安全监测是通过对大坝安全稳定进行适时监测、分析，检验工程设计的合理性，掌握工程施工质量的重要技术手段，是大坝安全运行的“报警系统”，对保证大坝安全运行具有重要意义。根据建筑物等级、坝型等条件，按照SL551—2012《土石坝安全监测技术规范》的规定，设计确定文得根枢纽大坝监测项目主要包括变形监测(表面变形、内部变形)、渗流监测、地震反应监测、错缝监测、环境量监测等项目，结合工程特点在主坝选取3个监测横断面，分别在左岸0+400.00m、最大坝高0+800.00m、右岸1+200.0m处进行安全监测设施布置。

2.1 表面变形监测

(1)水平位移。大坝水平位移监测采用视准线与倒垂相结合的方法进行监测。在坝体表面上游坝坡正常蓄水位以上、坝顶、下游的马道平行于坝轴线布设3条视准线观测，水平位移测点间距为100m，在视准线两岸延长线布置工作基点和校核基点。由于文得根大坝长度为1358m，设计考虑为满足规范要求和观测精度，在0+400、0+800m主坝与溢洪道衔接处布置倒垂观测点，作为视准线观测的校核基点。

(2)垂直位移。垂直位移监测在主坝下游左岸2km和主坝、溢洪道、厂房、副坝及溢洪道边坡等主要建筑物布置水准基准点组、水准工作基点及水准点共同组成水准监测控制网，采用闭合或符合水准路线按国家一等水准精度进行观测。在大坝黏土心墙砂砾石坝的坝顶、上游坝坡、下游马道上按规范要求每100m布置1个测点(测点与水平位移测点同墩布置)，采用精密水准法，按国家二等水准精度施测。

2.2 大坝内部变形监测

(1)坝体水平位移。砂砾石坝坝体水平位移采用土体位移计和测斜仪监测，在0+400、0+800、1+200m的监测断面下游坝体内相应马道高程处布置土体位移计，每个高程的土体位移计串连安装，水平间距按从上游至下游由密到疏的原则布置。在上、下游坝体内布置3条竖直测线，分别位于坝上16.0m、坝下13.0和37.0m处。每条测线上设1条测斜管，施工期采用活动测斜仪进行人工观测。

(2)坝体分层垂直位移。坝体垂直位移采用液压式沉降仪和沉降磁环监测。在0+400、0+800、1+200m的监测断面下游坝体内布置液压式沉降仪，测点与水平位移测点同部位布置。在上、下游坝体内埋设的测斜管安装电磁沉降磁盘(环)，底部沉降磁盘(环)位于基岩上，作为沉降观测的基准点，施工期间采用电磁式沉降仪进行人工观测。在典型监测断面距坝轴线上游16.0m、下游13.0、37.0m布置沉降磁盘(环)，运行期间并入自动化监测。

(3)黏土心墙水平和垂直位移监测。水平位移在0+400、0+800、1+200m监测断面心墙轴线处各设1条竖直测线，每条测线上设1根测斜管。施工期采用活动测斜仪进行人工观测，运行期在0+400、0+800m监测断面测斜管内安装垂直固定测斜仪实现自动化观测。为监测心墙垂直位移，在测斜管外安装电磁沉降磁盘(环)，采用电磁式沉降仪进行人工观测。为实现自动化观测，在0+400、0+800m监测断面心墙轴线测斜管测线旁边分别布置1条竖向土体位移计测线，并入自动化系统。

(4)界面及接(裂)缝监测。在主坝与溢洪道结合部位、心墙与岸坡结合部位，沿2个高程布置测缝计组，每个高程布置1组测缝计接入自动化系统观测。

2.3 渗流监测

大坝渗流监测内容包括坝基和坝体渗流压力、渗流量、绕坝渗流。在选定3个典型断面内沿上、下游方向在建基面布置渗压计，在防渗体系下游侧布置渗压计，在黏土心墙沿3个不同高程布置渗压计、在左岸布置6个测压管、右岸布置5个测压管、在主坝与溢洪道之间的山体布置测压管内装渗压计、在心墙与岸坡结合部位沿不同高程布置渗压计构成联合渗透压力观测体系，大坝渗流量监测在大坝下游坡角两岸布置2座量水堰观测。

2.4 地震反应监测

将黏土心墙砂砾石坝0+800m断面作为强震监测断面，在剖面的坝顶、坝坡转折处(约1/2坝高处)、下游坡脚各布置1个强震测点，自由场布置测点选择在大坝下游距离大坝约1km的部位。每个测点布置1套水平顺河向、水平横河向、竖向三分量加速度传感器和1套强震仪及不间断电源1台，通过强震仪进行自动观测，强震服务器布置在引水发电厂房副厂房监测管理站内。

2.5 环境量监测

环境量监测主要有上、下游水位监测，库水温监测，气温和降雨量监测等。主要结合大坝与溢洪道结构特点，在溢洪道上下游布设水位计进行水位观测，在溢洪道闸墩混凝土内距表面10cm，沿不同高程分别布置温度计进行水温监测，在枢纽区附近布设自动温雨站进行降雨量和气温监测。

3 监测设计方案存在的问题

3.1 坝体内部变形观测问题

设计方案布设的坝体内部变形监测沉降磁环监测，施工期损坏率高，以往工程实例在运行期均无法观测，根据以往工程运行管理经验，内部变形观测的数据无法真正反映大坝内部变形规律。

3.2 渗透压力观测

渗透压力观测除绕坝采取测压管外，坝体内部均采用施工过程中直埋渗压计，由于施工干扰、机械设备作业等外部因素干扰，设备植入成功率难以保证，一旦损坏就无法继续观测，造成监测断面和监测数据缺失。

3.3 倒垂问题

表面变形观测水平位移采用视准线联合倒垂观测，结合实际分析，钻孔的有效孔径要求小于200mm，钻孔精度要求较高，倒垂线安装完成后设备在X、Y两方向上均应小于0.04mm复位精度较难实现，且实践经验和工程实例表明土石坝施工中倒垂成功率极低，加之保护管锈蚀等因素影响，后期运行寿命较短。

3.4 渗流量观测

由于文得根大坝所在区域砂砾石覆盖层较厚，河谷覆盖层厚度一般4～28m，级配不良砾厚度4～12m，颗粒组成与结构不均匀，工程施工时虽在坝下游围堰进行了防渗灌浆处理，但灌浆防渗效果未知，在坝后覆盖层修建量水堰无法有效监测大坝渗流量，且受溢洪道泄洪、电站发电等尾水位影响，监测数据不能真实反映大坝渗流量，同时由于该地区冬季寒冷，量水堰结冰后无法观测大坝真实渗流量而造成数据缺失，导致观测无法连续进行。

4 监测方案优化建议

4.1 内部变形

砂砾石坝内部变形规律较难判定，建议取消大坝坝体内部变形监测项目，保留心墙内部变形监测，在心墙典型断面埋设测斜管，采取电磁沉降仪观测垂直变形，利用测斜仪观测水平变形，并接入自动化观测系统观测。

4.2 渗透压力观测

直埋渗压计施工简便，但施工保护困难，设备、线缆一旦故障将无法进行更换，建议将直埋渗压计改为施工期埋设测压管，施工期可通过人工观测测压管水位来进行观测，与主体施工互不干扰时，在测压管内部放置渗压计观测，设备保证率高，同样可实现自动化观测，一旦设备损坏可实时更换，且测压管观测可定期进行人工校测，并复核自动化观测数值的有效性。

4.3 倒垂问题

倒垂孔作为大坝水平位移的观测基点，根据SL551—2012水平位移基准点可采用三角网、GPS网、精密导线等建网方式，也可采取水平、垂直位移监测联合建立三角网。建议取消倒垂观测设施，采取坝下游、大坝两端视准线延长线、溢洪道等建筑物已建立的垂直观测水准校核基点联合建立三角网进行水平位移工作点基点校核，可解决水平观测问题，同时可保证大坝总体外观效果。

4.4 渗流量观测

鉴于文得根大坝所在区域砂砾石覆盖层较厚，截流后渗流水位将低于地面的现状，如在坝后建立量水堰需要在量水堰下游建立进入相对不透水层的截水墙，造价昂贵，且效果未知。根据SL551—2012有关渗流监测的规定，在坝下游河床沿水流方向和垂直水流方向分别布设渗透压力监测设施，通过渗透压力计算出渗透迫降和渗流量，同样可取得渗流量观测规律和量值，同时可避免因冬季量水堰结冰无法观测大坝真实渗流量而造成观测数据缺失的问题。

4.5 引进GNSS高精度大坝安全表面变形监测系统

表面变形引进GNSS高精度大坝安全监测系统，将实现全天候、实时的大坝变形过程连续监测，实时地反映大坝安全运行性态。该系统目前已在国内多家单位引进应用，对进一步提高安全管理信息化和现代化水平具有重要作用，且系统具有如下优点。

(1)精度高。GNSS监测系统采用移动GPRS或者CDMA公网将实时采集的卫星数据传输回工程监测中心，并进行24h连续自动计算，获得监测点毫米级精确三维空间坐标，对大坝外部位移进行连续自动化监测，GNSS接收机精度3mm+0.5ppm rms(水平)，6mm+0.5ppm rms(垂直)，通过专业化的GNSS数据精密处理软件可提高精度，满足大坝变形监测的要求。

(2)实时监测。系统可以全天侯、实时连续监测，能实现“无人值守”，弥补传统监测手段的不足。不受外界条件干扰，在雾天、雨雪天仍可以连续监测，可实现恶劣环境条件下变形监测。

(3)无需基点通视。基准点和监测点之间不需水平向通视，各监测点可实现同步监测等优点，可采用有线、无线电台、无线GSM手机等多种通讯方式，解决各种地形条件下大坝变形监测的难题，可以减少传统监测校核基点、工作基点、观测点之间通视带来的干扰，只要大坝两侧有稳定的基岩，使GNSS基站建立在稳定的岩石基础即可。

(4)系统兼容性好。该系统具有良好的兼容性，可以与我国北斗系统、全站仪等设备完全对接，构成一个立体、多传感器、内部和外部结合的大坝安全监测网络系统，达到数据采集、自动实时分析的目的，减少大量的人工观测和数据整理时间。

5 结语

工程是否安全，要以科学的数据来评价，工程安全要依靠工程措施和非工程措施，其中大坝安全监测系统就是大坝安全运行非工程措施，属于大坝运行工况的中枢神经，通过安全监测获取工程运行的第一手资料后，可以掌握工程安全性态，及时处理发现的问题，随着计算机与监测技术的快速发展，采用先进的技术、设备实现大坝的监测已经成为未来工程安全监测的发展方向，也是未来智慧水利发展的重要组成部分和趋势。本文通过认真分析引绰济辽工程大坝安全监测设计方案，对监测方案提出了一些优化建议，旨在采取先进监测技术手段和可靠的措施实现全自动安全监测，为工程安全运行提供数据支撑，且可节省大量的人工和解决人为因素引起的误差等问题。