灌区水利工程全方位安全监测探析

2021-01-15张钟元郭翔宇

四川水利 2021年2期

张钟元，郭翔宇，阚飞，卢鑫

(1.四川省都江堰东风渠管理处，成都，610081；2.四川省水利科学研究院，成都，610072)

引言

在我国基础设施不断转向现代化建设的今天，水利工程的建设标志着传统水利工程向现代水利工程的转变，标志着水利工程的建设开始转向现代化与精细化，是我国社会发展与经济发展的现实客观要求[1]。

由于水工建筑物长期在自然环境、运营期荷载工况的作用下，建筑物内部损伤会逐渐形成、积累，最终导致水工建筑物安全性降低。当遇到突发情况的发生，这些安全隐患必将产生破坏性后果。为了保障水利工程的正常运行，水工建筑物结构的健康，有必要对水工建筑物进行安全监测管理。

随着我国农业的加速发展，灌区水利工程已然成为农业发展的重要基础设施，其在一定程度上可以大幅度提升农作物产值。通过灌区水利工程能够有效安排水资源进行灌溉，季节性缺水时增加灌溉频率，做好灌区水利工程管理还能通过对水资源的循环利用，达到节约水资源的目的。灌区水利工程建设不仅关系到民生的发展，更关系到灌区资源节约战略工程。

我国水利水电工程在历经多年建设高潮之后，随着建设数量和容量快速增长，水利行业正在面临质量控制、运维管理和效率提升等新一轮亟待解决的热点、难点问题。“重建设、轻管理”将不再能够满足行业可持续发展的要求，“水利工程补短板、水利行业强监管”作为新时代水利强音，提出要聚焦水利工程安全运行等水利行业业务需求，形成水利行业齐心协力、同频共振的监管格局，为水利建设现代化提供支撑与保障。

1 安全监测的必要性

随着现代工业与科学技术的日益发展，水利工程日益趋向大规模、多功能、高智能发展，与此同时产生的安全问题也日益显著。由水利工程安全问题所导致的灾难性事件包括大坝溃坝、海难、透水、瓦斯天然气爆炸、火灾、生物危害性事件等，造成的人员、经济和社会损失均十分惨重。如1928年美国加利福尼亚州的St.Francis重力坝溃坝事件导致450人死亡；1959年法国Malpasset拱坝溃坝事件导致421人死亡；1963年意大利Vajont拱坝库岸滑坡导致2000余人死亡；1975年河南板桥水库溃坝事件导致26座水库相继溃决，直接、间接死亡24万余人，造成直接经济损失34.97亿元；1993年，青海省沟后水库发生溃坝，造成300余人死亡；2003年，因三峡水库蓄水及降雨等综合因素导致库区千将坪发生特大型滑坡灾害，死亡24人，直接经济损失超过了8000万元[2-3]。这些触目惊心的案例警醒我们开展水利工程安全监测理论研究及技术实践的相关研究与工作是至关重要的，对做好我国水利工程风险防控和安全监测工作具有借鉴意义。

对水利工程进行安全监测，是我国长期以来高度重视和重点研究的热点领域，我国已先后颁布《土石坝安全监测技术规范》(SL 551-2012)、《混凝土坝安全监测技术规范》(SL 601-2013)、《水利水电工程水力学原型观测规范》(SL 616-2013)、《水利水电工程安全监测设计规范》(SL 725-2016)、《水工隧洞安全监测技术规范》(SL 764-2018)、《水闸安全监测技术规范》(SL 768-2018)等一系列水利工程安全监测相关的标准规范，为水利工程安全监测提供了指导性与规范化的技术保证。

2 安全监测技术现状及灌区需求

水利工程安全监测技术经历了定性判别、定量分析、人机结合3个阶段。

19世纪末，水利工程安全监测拉开了序幕。1881年，德国的Eisbach大坝开始了对大坝表面变形的观测；1903年，美国布莱恩重力坝开展了温度观测工作；1926年，美国对爱达荷州的瓦美利加-佛尔兹坝进行了扬压力和应变观测；1952年Chester Floyd Carlson发明了混凝土应力计，法国、德国等国家先后研制出了钢弦式仪器，与此同时，美国开始研发差动电阻式仪器，从此，以应力计为代表的传感器进入了比较完善的阶段[4]。

20世纪60年代中期，安全监测进入定量分析阶段。由于当时几次大型水利事故的产生，使人们的注意力转移到了对运行期水利工程的安全监测，并在一些大型的水利工程水工建筑物上开展了变形监测、渗流监测、应力应变监测、环境量监测等项目。通过安全监测，及时了解水工建筑的结构健康状态。20世纪70年代以后，监测仪器、监测技术、仪器安装埋设水平、观测资料的分析及应用等方面均得到了迅速发展，随着监测仪器中晶体管的出现，进一步改善了安全监测技术水平，实现了监测智能化、遥测化、监测设备小型化。

20世纪80年代之后，随着科学技术的前进，计算机的使用越来越广泛，监测仪器的生产工艺、监测精度越来越高，智能科技的发展，推动了水利工程的安全监测向新一阶段发展。在监测仪器方面，一些振弦式、差动式、电感、电容仪器及其他类型的监测仪器得到了广泛的应用。20世纪90年代后，水利工程安全监测技术飞速发展，以大型水库大坝为代表的许多水利工程完成了自动化监测系统的更新换代，如二滩、三峡、小浪底等。安全监测成为工程上的一个必要手段，成为提供设计理论依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的环节，成为工程设计、施工质量控制的重要手段。进入21世纪以后，工程安全监测自动化已成为主流，数据分析，数据查询，数据的计算等等这些对于以后资料整理分析和质量控制带来了相当大的方便，这对以后工程的建设和实施有了安全保障。

大型灌区是我国农业和农村经济发展的重要基础设施，是国家粮食安全的基础保障[5]。大型灌区水利工程涵盖了如水库、渠道及渠系建筑物、水闸、隧洞、堤防等常见水利工程。但由于大型灌区具有工程的分散性、水资源的有限性、水情雨情的变化性、农作物需水的时效性、灌溉供水的动态性等方面的特点，导致灌区水管理工作复杂。如果不采用现代管理方法和技术，将难以实现灌区水资源的优化配置和高效利用[6]。

以四川省大型灌区东风渠灌区为例，东风渠灌区是四川省特大型灌区—都江堰灌区的重要组成部分，地处成都平原腹心地带，系成都以东丘陵地区及外围丘陵地区农田灌溉、工业及生活用水的输水动脉，作为成都平原腹地骨干供水工程，承担着成都、眉山两市20个县(市、区)的输供水任务和水安全保障任务，同时承担向黑龙潭灌区、龙泉山灌区15.09万hm2农田的输水任务，对整个成都平原的经济发展至关重要。灌区内水利工程运行状况的好坏，直接关系工程的正常输供水、安全运行和社会经济效益发挥，对保障工农业生产、生活用水、人居环境和生态环境供水意义重大[7]。

东风渠灌区水利工程数量大、种类多，且分布广泛，工程病害(险)问题较为突出，已有安全监测覆盖不足，监测方式较为落后，且监测站点布局不够优化，当前亦无相关规划。灌区水利工程病险自动预警业务支撑不足，当前水利工程安全病险分析大多通过经验知识进行判别，对工程安全监测数据的应用能力不足，需要业务管理人员具备较为丰富的工作经验，该方法不利于工程险情的及时发现，不利于水利工程的安全管理。由于灌区内各类水利工程安全监管“覆盖不全、技术落后、协同困难”等问题和不足，使得灌区工程管理存在盲区和短板。因此，从“全方位安全监管”角度做好灌区水利工程安全监测研究，研究如何保障水利工程安全运行、有效提升水利工程管理效率、发挥水利工程综合效益，具有十分重大的现实意义。

3 安全监测内容

3.1 变形监测

变形监测的主要目的是掌握水利工程与地基变形的空间分布特征和随时间变化的规律，监控有害变形及裂缝等的发展趋势。变形监测一般可分为表面变形监测和内部变形监测两大类，其中表面变形监测包括水平位移、垂直位移监测；内部变形监测根据水利工程的特点包括挠度、接缝开合度等。

位移监测的目的是观测测点的水平及垂直位移变化量，监测精度的确定主要考虑了监测等级和位移控制值两方面的因素，位移控制值包括变化速率控制值和累计变化量控制值。位移监测的精度首先要根据控制值的大小来确定，特别是要满足速率控制值或在不同工况条件下按各阶段分别进行控制的要求。监测精度确定的原则是监测控制值越小要求的监测精度就越高，同时还要满足不低于同级别监测等级条件下的监测精度要求。

3.2 渗流监测

水利工程渗流监测对于了解水利工程在上下游水位、降雨、温度等环境量作用下的渗流规律及验证渡槽防渗设计具有重要意义。渗流监测的主要项目包括渗透压力和侧向绕渗。必要时，还需配合进行渗流量、水质分析等监测项目。

渗流监测各项目应相互配合，并同时观测水利工程上下游水位、降雨量和大气温度等环境因素。已建工程在进行渗流监测设施更新改造时，应避免对工程渗流安全造成不利影响。凡不能在工程竣工后补设的仪器(如岸墙和翼墙底部的仪器)，均应在工程施工期适时安装。

部分水利工程渗流监测应符合其工程特性与需求，如水闸还应进行闸基扬压力监测，闸基扬压力监测应根据水闸的结构型式、工程规模、闸基轮廓线、地质条件、渗流控制措施等进行布置，并应以能测出闸基扬压力分布及其变化为基本原则。

3.3 应力应变及温度监测

应力应变及温度监测的主要监测内容包括钢筋应力、土压力、锚索(锚杆)应力监测、混凝土温度、混凝土应力应变等。一般仅对重要的钢筋混凝土结构进行钢筋应力监测，钢筋计焊接在钢筋的同一轴线上，可在钢筋计附近进行应力应变观测，以便同时监测钢筋及周围混凝土的应力应变状况。

应力应变及温度监测的布置应和变形、渗流监测相结合，测点布设应根据水利工程结构特点、应力状态、分层分块施工情况以及数值模拟和模型试验成果进行合理布置，以更好地反映结构的应力分布特征。

水利工程温度测点的布置应考虑水利工程结构特点、施工方法以及温度场的分布规律，在温度梯度较大的面板及孔口处附近应适当加密测点。

3.4 环境量监测

环境量监测的目的是了解环境量的变化规律及对水利工程变形、渗流和应力应变等的影响。环境量监测内容包括水位、气温、降水量等。施工期水位、降水量监测宜应用当地水文、气象站观测资料。此外，在重要交界断面和水源地开展水质监测，水质监测数据亦可采用环保水质监测数据。

环境量监测应严格按《水位观测标准》(GB/T 50138-2010)、《降水量观测规范》(SL 21-2015)等环境量监测相关标准规范内容执行。

3.5 专项监测

灌区水利工程应根据其工程规模、等级、运用条件和环境等因素，有针对性地设置专门性监测项目。灌区常见水利工程专项监测内容主要包括水力学、施工环境安全监测和生物危害监测等。

水力学监测项目包括水流流态、水面线(水位)、波浪、冻水压强、水流流速、流量、消能(率)、冲刷(淤)变化、通气量、掺气浓度、空化噪声、过流面磨蚀等，应根据水利工程类别、等级，开展相应监测项目；施工环境安全监测应包括粉尘浓度、有毒有害气体及放射性监测；生物危害监测应根据水利工程类型及生物危害种类(如白蚁、老鼠、蛇等)开展相应监测项目。

4 安全监测技术发展探析

传统水利工程安全监测仪器按照观测仪器埋设在水利工程内部和外部分为内观仪器和外观仪器2大类。

应用于水利工程内部性态监测的仪器主要有差动电阻式和振弦式两大类。差动电阻式仪器又称为卡尔逊式仪器，以电阻丝变形与电阻比成正比的原理研制而成，具有密封性好、稳定性较强、可靠性高、简单易用等优点，但对于大应变状态输出信号较弱，不适用于长期监测；振弦式仪器通过钢弦震动频率随钢丝应力变化的原理研制而成。具有精度高、量程大、受环境影响小、便于自动化等优点，但对于传感器材料和加工工艺要求较高。此外，传统水利工程内观仪器还常用到垂直水平位移计、测斜仪、三向测缝针等。传统的水利工程安全监测外观仪器除了水准仪、经纬仪、全站仪、测距仪等测绘仪器设备外，还包括引张线法、激光准直法、垂线坐标仪等方法。

随着自动化及信息化在水利行业的深入应用，传统的水利工程安全监测技术逐渐完善，但基于技术与成本的限制，传统的监测技术多为“点监测”，即在空间上对水利工程某代表部位或区段进行典型观测，以典型点位代表水利工程的整体安全性状，且在时间上多不能实现实时连续监测，对于水利工程动态管护及安全预警不能做到实时响应，急需采用科学、先进、可靠、精确的自动化技术实现在空间与时间上的“面监测”，最大化水利工程安全监测与病险预警能力。

近年来，随着激光、电磁波、光波、3S等技术的不断发展，三维激光扫描、合成孔径雷达、地震CT、InSAR、光纤光栅等新技术在水利工程安全监测应用中不断涌现，为连续实时的水利工程安全“面监测”提供了广泛的应用空间，但在自动化监测技术方面，还需进行进一步的深化研究，形成一个科学完善的监测管理体系，以在线监测、动态预警为基本，离线分析、安全评判、风险评估等为方向，将水利工程安全监测的有用信息充分挖掘，促使水利工程更加安全稳定地运行。