南沟门水利枢纽工程安全监测系统浅析

丁 红，张启蒙，薛 健

（1.陕西省水利信息宣传教育中心,陕西 西安 710004；2.陕西新田园生态科技有限公司,陕西 西安 710000；3.延安市南沟门水利枢纽工程管理处,陕西 延安 716099）

0 引言

南沟门水库位于陕西省延安市黄陵县境内,水库坝址位于葫芦河上游3km处的寨头河村南沟门附近,距黄陵县城25 km,为供水、拦沙兼顾灌溉等综合利用的大（2）型水库,水库枢纽主要建筑物由拦河坝、导流泄洪洞、溢洪道、引水发电洞、坝后电站等五部分组成。

利用现代信息采集、自动控制、GPS监测等技术,建成了先进实用、高效可靠、覆盖南沟门库区大坝及基础、引水发电洞和导流泄洪洞、电站基础、溢洪道等建筑物及各枢纽建筑物边坡的南沟门水利枢纽工程安全监测系统,实现了各枢纽建筑物施工期和运行期的表面变形、沉降、内部变形、渗流、应力应变、库区泥沙淤积等工情信息采集存储自动化、信息传输处理网络化、数据处理分析智能化,为水库各枢纽工程的安全运行提供了可靠的保障。

1 系统框架

在库区各枢纽工程安装和埋设监测仪器,实现自动采集枢纽工程的变形（表面变形、内部变形）、渗压、渗流量、环境量（降水量、风速、风向、气压、蒸发量）、边坡位移、库区泥沙淤积和泄水建筑物水力特性等信息。系统主要由环境量监测、沉降监测、内部变形监测、结构安全监测、水力原型观测、GPS自动监测等监测设备组成,系统框架见图1。

图1 南沟门水利枢纽工程大坝安全监测系统框架

各级远程监控终端实时接收从现地监测/监控站采集到的各类实时信息,应用系统进行监视、分析、处理,及时做出相应决策；有权限用户可以在南沟门大坝安全监控管理中心及上级管理单位监控终端进行控制；工作人员可在现场设置各种自动安全监测仪器采集信息量、采集次数。

2 建设内容

2.1 库区环境量监测

在坝前导流泄洪洞进水塔、坝后设置水位计,实时在线监测水位变化。在坝肩设置一套综合气象测站,对气温、蒸发量、降水量和风力进行数据采集,观测的气象要素有：环境温度、湿度、风速、风向、气压、降水、地温、土壤湿度、蒸发。

2.2 挡水建筑物

1）渗流监测：大坝轴线方向布设5 个渗流监测断面,每个监测断面布设17个渗流监测点,共计85 支钢弦式渗压计,监测大坝坝基、坝基础帷幕前后以及坝体渗透孔隙水压力；在大坝左右岸分别布设绕坝渗流监测点12 个,钻孔安装测压管,测压管内放置钢弦式渗压计共计24 支,分别监测大坝左右岸绕坝渗流；在大坝左右岸灌浆平洞及截渗洞帷幕前后布设渗压计共计14 支,监测坝肩帷幕前后渗透压,检验帷幕效果；在坝后排水沟设置三角量水堰,监测坝后渗流量。

2）内部变形监测：坝0+091.00、坝0+168.00、坝0+240.00、坝0+302.00、坝0+370.00的坝下6 m分别布设5个坝体内部沉降监测点,坝0+096.00、坝0+171.00、坝0+237.00、坝0+297.00、坝0+366.00的坝下6m分别布设5个坝体内部水平位移监测点,在大坝填筑到坝顶高程,钻孔埋设测斜管,测斜管内安装固定式测斜仪,共计60支,监测大坝坝体内部垂直于坝轴线方向不同高程的水平位移量。

3）表面变形监测：枢纽区监测控制网建设水平位移监测控制点20 个,垂直位移监测控制点12 个（其中3 个为双金属管标）；大坝表面变形监测点33 个,溢洪道、溢洪道高边坡变形观测点16 个,导流泄洪洞进口高边坡变形观测点10个,导流泄洪洞出口边坡变形观测点6 个,电站高边坡变形观测点4 个。

2.3 泄水建筑物

导流泄洪洞进口导0+005.00、导0+765.00设置监测断面,布设渗压计、钢筋计、应变计、应力计和土压力计,监测洞体外水压力、钢筋应力、混凝土应力应变；溢洪道边坡设置表面变形监测点,监测溢洪道边坡稳定。

2.4 引水发电洞

设置3个监测断面（引0+050.00、引0+270.00、引0+160.00）,布设渗压计、锚杆钢筋计、钢筋计、应变计、应力计、土压力计,监测洞体的外水压力、岩体的应力变化、钢筋应力、混凝土的变化。

2.5 电站厂房

埋设渗压计、测缝计、锚杆应力计（钢筋计）,监测厂房基础外水压力、基岩裂隙开度、锚杆应力,对于厂房后背边坡、顶部、中间马道设置表面变形观测点,进行岩体表面变形监测,底部设置锚杆应力计,监测边坡下部岩体应力变化。

南沟门水利枢纽工程安全监测系统建成了较为完善的监测项目,已完成7 类共278 支传感器的安装埋设,其中大坝145 支、左右岸灌浆平洞及截渗洞14 支、引水发电洞78 支、电站厂房26 支。在正常观测期内获得的监测数据连续、可靠。2015 年1 月水库开始蓄水以来,各类监测仪器的稳定运行,为工程的安全管理与决策提供了重要的数据资料,见图2～图4。

图2 坝0+083坝基测点渗流压力过程线图

图3 坝0+245横断面838m高程测点孔隙水压力过程线图

图4 测点07AS01001钢筋应力过程线图

3 GPS卫星在大坝变形、库区泥沙淤积监测中的应用

3.1 变形监测

传统变形监测技术采用经纬仪、水准仪、测距仪、全站仪测定点的变形值,其优点是能够提供变形体整体的变形状态,适用于不同的监测精度要求、不同形式的变形体和不同的监测环境,可以提供绝对变形信息；缺点是外业工作量大,布点受地形条件影响,不易实现自动化监测。GPS（全球定位系统）自动化监测优点是测站间无需保持通视,可同时测定点的三维位移,全天候观测,易于实现全系统的自动化,可以获得mm级精度；缺点是测站周围的环境要求高度角15°以上不允许存在成片的障碍物,无强信号干扰源,测站周围也不允许有大的信号反射物,观测墩和控制点要稳定。

采用GPS自动化监测可不受地域限制随时掌握坝体的运行情况、危险源动态、体坝监测预警信息,当危险源预警时,可通过手机接收预警信息。通过综合监管系统分析坝体实时数据,全面、及时、准确了解各项监测点情况,在突发情况下,及时指挥应急处置与救援。

南沟门坝体坝变形监测由传感器子系统、数据传输子系统、辅助子系统三部分组成。

（1）传感器子系统：由枢纽区监测控制网、大坝坝体、溢洪道、导流泄洪洞进口高边坡、导流泄洪洞出口高边坡、电站高边坡等监测单元组成,负责大坝位移监测点数据采集,选用上海华测公司的X60 M GPS设备共计101 个位移监测点和1个GPS参考站。GPS参考站是大坝表面位移监测的基准框架,长期连续跟踪观测卫星信号,通过数据通讯网络实时传输GPS观测数据到控制中心,并实时为各监测站提供高精度的载波相位差分数据及起算坐标。在大坝监测部位合理布设GPS监测站。

（2）传输子系统：利用大坝布设的光纤通信链路,将GPS及其他监测传感器数据传输至控制中心。

（3）辅助子系统：控制中心UPS供电；GPS监测站、参考站供电方式选用太阳能供电和交流供电两种方式相互结合,提高系统可靠性；防雷系统,距观测墩3 m～3.5 m处安装避雷针,建设地网,接地电阻小于10 Ω；室外设备必须统一放在机柜。监测整个系统的软件和硬件运行状况,一旦某个监测站出现死机现象,系统马上通过数据信号触发方式实现接收机自动重启；监控站的监控精度范围可设置1 mm～1 cm；记录原始数据,可任意截取其中部分数据并对原始数据解算回放,实时的数据采集的延迟不大于1 s；通过短信、电子邮件等方式进行报警,可对监控点进行频域和时域分析,7×24 h持续可靠工作。

3.2 库区泥沙淤积测量

沿库区河道走向每隔5 km布设一对GPS控制埋石点,GPS控制点15 个组成四等GPS控制网,作为联测断面基点的起始点；采用五等GPS或电磁波测距导线测定断面基点坐标成果断面基点联测60 个点,四等水准线路测定断面基点高程成果；以1∶200 地形图精度测定初始淤积断面。选用上海华测天骄X90 GPS接收机和D330 测深仪,完成库区泥沙淤积测量。

4 结语

渗压计、固定式测斜仪、测斜管、活动式测斜仪、沉降仪、双金属管标坐标仪、量水堰计、位移计、钢筋计、应变计、无应变计、土压力计、收敛计等大量传感器以及的GPS变形监测站用到南沟门水利枢纽工程安全监测系统中。通过大量传感器信息的实时采集,形成立体自动监测网,全面、及时准确掌握了工程状态,预测预报发展趋势,可为保障工程安全运行提供坚实的基础。