中小型水库大坝安全监测设施更新改造初探

张宇驰 周志维

(1.南昌经济技术开发区社会发展局，江西 南昌 330013；2.江西省水利科学研究院，江西 南昌 330029)

中国作为世界上著名的筑坝大国，全国已建成各类水库大坝近10万座，数量和规模均居世界首位。江西省作为水利大省，中小型水库众多，据统计，全省已建成中小型水库10605座，占全省水库总数约98%，这些水库在江西省的经济建设和发展中发挥了巨大作用。水库综合能效的发挥必须建立在工程安全的基础上。因此，采取合理有效的措施，了解和掌握在役水库的安全状况，对于保障水库的安全运行具有重要意义。

水库是否安全，要依托科学的数据。依托大坝预埋的各类监测设施，对大坝的安全状况实施监测，及时获取大坝安全监测资料，科学评估大坝的工作状态，进而采取有效的工程性措施，以确保水库的安全运行。江西省境内中小型水库不仅数量多，且绝大多数建于20世纪60—70年代，加上长期以来重建轻管思想的影响，不少水库至今无任何安全监测设施或监测设施不完善。为此，亟须对中小型水库大坝安全监测设施实施更新改造，以满足水库健康运行的迫切需求。

1 监测设施现状

大坝安全监测是监视和掌握水库运行状态的重要非工程性措施，现行相关行业技术规范规定，常见的大坝安全监测项目包括变形监测、渗流压力监测、渗流量监测和环境量监测等。常见的中小型水库安全监测设施主要包括变形观测墩、测压管、渗压计、量水堰、水位计和雨量计等。

随着江西省水利工程标准化管理工作的有序推进，大坝安全监测设施建设越来越受到水库管理单位的重视，一大批试点水库逐步修复完善了大坝安全监测设施。为进一步了解江西省水库大坝安全监测设施建设及运行现状，江西省大坝管理中心对全省中型水库开展了监测资料汇总整编工作，截至2019年3月，累计调查中型水库201座，调查占比达93%，其结果见表1。

由表1可以看出，江西省中小型水库大坝安全监测设施主要存在以下几个方面的问题：

a.设施建设不完备

以表面变形监测设施为例，江西省有93座中型水库设有表面变形监测设施，占比约46%，虽较2018年的33%有所提高，但总体来看完备水库数量较少。小型水库该问题尤其突出，除水位、雨量设施较齐全外，基本未设置其他类型监测设施。

表1 江西省中型水库大坝安全监测设施调查情况汇总 单位：座

b.自动化程度低

中小型水库监测方式多以人工观测为主，特别是表面变形监测，普遍采用水准仪、经纬仪等设备进行监测；仅少数中型水库埋设了渗压计，并设置了自动化采集系统。

c.监测数据有效性不高

在已开展渗流压力监测的119座中型水库中，有63座水库存在监测数据异常或数据不可用的现象，占比约为47%，表面变形和渗流量监测数据异常或不可用占比分别为42%和23%。小型水库以乡镇管理居多，技术力量相对薄弱，绝大部分水库仅开展水位监测。

2 监测设施更新改造

监测设施更新改造是指对运行中的大坝安全监测项目不全、设施损坏、失效等进行的补设、更换、修复和重设等工作，主要内容包括监测设施考证评价、优化设计、埋设施工、验收运用等。大坝安全监测设施更新改造总体框架见图1。

图1 大坝安全监测设施更新改造总体框架

2.1 考证评价

监测设施考证评价是基于现状调查与现场检查测试结果，结合大坝实际运行状态，对照现行规程规范及技术要求，对现有监测设施进行综合考证评价。涉及的重要安全病险隐患，应采取无损探测和质量检测等手段辅助调查。

现状调查需收集大坝结构特性、监测设施布置和安全鉴定报告等资料，并采用现场查看、人员访谈、查阅文件资料相结合的方式，充分了解大坝的基本情况及运行状况；现场测试以大坝变形、渗流和环境量监测的单个测点为检查测试评价单元，对所有监测设施点逐一进行检查测试及整理评价。

监测设施考证评价结论分为正常、基本正常和不正常。考证正常的监测设施应继续监测；基本正常和不正常的监测设施应及时进行更新改造。

2.2 优化设计

监测设施的优化设计应基于考证结果，满足现行监测规范要求，密切联系工程实际，具体布置原则如下：ⓐ全面性：以工程等别为依据，确保设计的监测项目齐全；ⓑ合理性：根据坝高和坝长，结合现状调查结果，合理设置监测断面及选取测点间距；ⓒ经济性：中小型水库监测设施更新改造经费普遍有限，要充分利用原有考证结果正常监测设施，严禁全部废除，力求新增设施少而精；ⓓ先进性：在改造经费充足的前提下，充分考虑自动化监测设施，以满足新形势下水库现代化管理的发展需要。

2.3 安装埋设

监测设施安装埋设质量直接关乎监测系统能否正常运行，该项工作应交由具有相关从业经验的专业施工队伍负责，严格按照设计要求，保证质量，及时到位。局部修复更改的监测设施应与原设施建立联系，并确保监测数据连续、可靠。

测压管作为最常见的渗流监测设施，其有效性检测方法主要包括测压管灵敏度检测和淤积高度检测，且均在库水位稳定期进行。仅当灵敏度检测和淤积高度检测结果均为合格时，该测压管考证评价结论为正常。

灵敏度检测一般采用注水试验，试验前先测定管中水位，然后向管内注清水。若进水段周围为壤土料，注水量相当于每米测压管容积的3～5倍；若为砂粒料，则为5～10倍。注水后不断观测水位，直到恢复或接近注水前的水位。对于黏壤土，管内水位在120h内降至原水位为合格；对于砂壤土，24h内降至原水位为合格；对于砂砾土，1～2h降至原水位或注水后水位升高不到3～5m为合格。

测压管淤积高度检测采用铅锤测距法，将系有铅锤的测绳放入管中，当铅锤触碰管底时停止放入，并轻提轻放2～3次，确认铅锤底部触地，记录管口处测绳刻度，用原考证表中对应的测压管孔深减去记录刻度，即得测压管淤积高度，淤积高度在0.5m以内为合格。

2.4 验收运用

监测设施安装埋设完成后，由水库管理单位负责组织专项验收，验收小组宜由2～3名熟悉大坝安全监测设施设计或施工的专家组成，并形成验收意见。验收完毕后，安装埋设单位应及时将相关技术资料移交至水库管理单位。

以土石坝监测设施安装埋设为例，其测压管钻孔应采用锤击干钻方式，禁止泥浆护壁，钻孔孔径不小于110mm，50m深度内的钻孔倾斜度应不大于3°；大坝垂直位移和水平位移监测宜共用一个观测墩，变形监测点和基点均采用带有强制对中基座的混凝土观测墩，其底座深度不得小于80cm，强制对中基座应采用二期混凝土安置，二期混凝土与一期混凝土应牢固结合，观测点水平倾斜度允许偏差不大于4′，基点水平倾斜度允许偏差不大于1′，对中误差不超过±0.2mm；渗流量监测宜采用直角三角量水堰，堰口为直角等腰三角形，设置于集水沟直线段的堰槽段，并用混凝土将底板和侧墙加以砌护固定，以防渗水。

3 案例分析

3.1 工程概况

江西省靖安县石马水库是一座以灌溉为主，兼顾防洪、养殖等综合利用的中型水库，大坝为均质土坝。坝轴线长150.0m，坝顶高程97.5m，坝顶宽6.0m。大坝设有混凝土防渗墙，墙顶高程95.85m，墙厚0.60m。上游设有混凝土预制块护坡，坡比自上而下分别为1∶2.7和1∶3.3，马道高程87.40m；下游为草皮护坡，马道设在高程89.35m处，马道上、下坡比分别为1∶2.5和1∶3.3，坝脚设有排水棱体，棱体顶高程80.66m。

3.2 考证评价

3.2.1 现状调查

大坝现状渗流压力监测设施包括：4根坝体测压管、7根坝基测压管和6根绕坝测压管，总计17根。坝体测压管位于桩号0+083.3断面，每个断面埋设4根；坝基测压管位于桩号0+030.0和0+081.3断面，分别布埋设3根和4根；绕坝测压管位于左右岸坝肩，左右各埋设3根。大坝未设置变形监测设施。大坝渗流量监测设施为三角形量水堰，位于下游坝脚桩号0+087.0处。

3.2.2 现场测试

a.测压管。P23号测压管注水后历时24h，管内水位未能恢复到注水前，故认定该测压管灵敏度不满足规范要求。根据测压管有效性检验(灵敏度检测和淤积高度检测)结果，I21、P23、P24和I32号测压管灵敏度较差或淤积较为严重，且I04号测压管已遭到破坏，未能现场找到，难以满足日常监测要求。

b.量水堰。现场检查时，量水堰整体完好，堰体埋设合理，堰板锈蚀严重，集水沟整体完好，未出现破损现象。

3.2.3 无损探测

现场检查时发现大坝下游部分区域有少量清水渗出，位置为桩号0+007.0～0+029.0、高程80.66～81.35m。为进一步确定渗漏隐患区域，利用水和土体电阻率的差异性，采用高密度电法对大坝下游坝坡开展无损隐患探测。本次共选取2条纵向测线，分别位于下游坝坡马道以上1m和排水棱体以上3m处，且每次探测分左右两个测试段，左测试段起点为左坝肩，右测试段终点为右坝肩。探测电极数量为20道，最小电极间距为2.5m，隐患探测结果见图2和表2。

图2 大坝隐患探测结果示意图

表2 大坝隐患探测结果

从上述隐患探测结果来看，A、B1、B2、B3和B4等五处区域的含水量较高，其中B2和B3区域存在左右测试段部分重复区域，故认为桩号0+022～0+042、0+054.5～0+075、0+075～0+082.5和0+100～0+115四处区域可能存在渗漏通道，坝体或坝基可能存在渗透破坏，拟在相应位置增设渗流监测设施。

综合现状调查、现场测试和无损探测结果，大坝变形和渗流量监测设施考证评价结论均为不正常；原有渗流监测设施中，除编号为I21、P23、P24、I32号和I04号测压管评价结论为不正常外，其余均为正常，需要增设部分测压管。

3.3 优化设计

依据上述监测设施考证评价结论，在保留原有部分监测设施的前提下，开展大坝安全监测设施优化设计。

a.渗流监测

新增1个坝体渗流监测横断面(桩号为0+061.0)和2个坝基监测横断面(桩号分别为0+062.0、0+107.0)，合计8根测压管。此外，重新钻孔埋设5处(测压管编号为I21、P23、P24、I32和I04号)，总计13根测压管。其渗流监测设施优化设计平面布置见图3。

图3 渗流监测设施优化设计平面布置图

b.变形监测

布置4条平行于坝轴线方向的位移观测线，在桩号0+032和0+075处分别埋设4个位移观测点(水平和垂直位移共用观测点，观测点编号S1～S8)，且在两岸山体基岩稳定处各布设2个工作基点(测点编号GS1、GS2)和2个校核基点(测点编号JS1、JS2)，共计12个基点。其变形监测设施优化设计平面布置见图4。

图4 变形监测设施优化设计平面布置图

c.渗流量监测

仅更换量水堰堰板。

3.4 安装埋设

根据监测设施改造优化设计要求，测压管埋设采用锤击干钻法，孔径为110mm，测压管选用外径60mm的热镀锌钢管，测压管现场埋设情况见图5。变形监测点和基点均采用带有强制对中基座的混凝土观测墩，高出地面1.2m，变形观测墩现场安置情况见图6。三角量水堰板采用不锈钢材质，过流堰口倒角为45°。

图5 测压管现场埋设情况

4 结 语

目前，水利行业关于在役水库大坝安全监测设施更新改造缺乏明确的专项技术规程。本文在分析江西省中小型水库大坝安全监测设施现状的基础上，提出适用于中小型水库大坝安全监测设施更新改造系列方法，旨在为大坝安全监测设施更新改造工程实践提供可借鉴的方法，并为将来制定大坝安全监测设施更新改造相关专项技术规范提供依据。