响洪甸水库大坝安全监测设施现状分析及改进

陈金干

(安徽省响洪甸水库管理处，安徽 金寨 237335)

响洪甸水库流域面积1 400 km2，总库容26.1×108m3。设计洪水标准500年一遇，校核洪水标准5 000年一遇，同时为淮河干流预留5×108m3蓄洪错峰库容。水库枢纽由大坝、溢洪道、新泄洪隧洞、老泄洪隧洞、发电厂等组成。大坝为等半径定圆心混凝土重力拱坝，坝顶高程 143.4 m，大坝最大坝高87.5 m。水库正常蓄水位128.0 m，设计洪水位140.98 m，校核洪水位143.37 m。

1963年发现左坝肩 F2断层，1965年、1985年分别对F2断层进行设置排水孔、灌浆、设置监测仪器处理，2009年除险加固中增设了混凝土抗滑墩、断层表面混凝土塞和237根单根锚杆锁定值3000kN预应力锚索。

1 大坝安全监测设施现状及存在的不足

1.1 现有监测设施

水库大坝现有监测项目包括环境量(水位、气温、水温、降雨等)、变形监测(大坝水平位移、垂直位移及坝体裂缝等)、渗流监测(扬压力、坝基排水量、绕坝渗流)及混凝土温度、F2断层平硐监测等项目。

(1)环境量监测。主要有：水位监测为浮子式自计水位计、水尺；水温监测采用安装于15#坝段坝前的13支水温计(2011年11月更换)；气温监测为设立在坝顶及坝后工作桥的两支自记温度计进行监测( 2012年3月更换)；降雨量为自记雨量计监测，从1977年开始监测。

(2)变形监测。水平位移监测：响洪甸水库分别在13#坝块基岩、13#坝块顶、右拱座、左拱座设置拱冠倒、拱冠正、右垂、左垂旧、左垂新5个水平位移观测点。每个测点安装CW-CG2型遥测垂线观测仪1台和人工观测垂线坐标仪1台，观测时采用两台光学读数仪，进行径向和切向位移的观测。

垂直位移监测：共布置了40个测点，分别在坝顶、坝下游面坝后桥约86.5 m高程处7#-19#坝块、23#坝块下游坝脚布置了25个、13个、2个测点，每坝块设1个监测标点，大坝垂直位移监测网的校核水准点设在大坝下游约1 km处，公路旁设有3个基点，在坝上、坝下各设1个基点。

(3)渗流监测。坝基扬压力监测：自动化监测测点共34个，并保留21支人工监测点，分别布置在6#、9#-12#、14#、16#、18#和20#坝段。监测方法:对于测压管水位较高的，安装压力表进行监测；对测压管水位低于管口的，用万用表配合探棒测电阻法进行测量，自动化监测是孔内安装渗压计。

坝基渗漏量监测：人工监测坝基排水孔共61个，对排水孔用容积法施测，每月观测一次。采用量水堰进行自动化监测坝基总渗流量。

绕坝渗流监测：绕坝渗流自动化监测测点共22个，安装BGK-4500S渗压计22只，其中，右岸5个，左岸17个。

(4)坝体混凝土温度监测。混凝土温度监测共计28支温度计。在15#坝块内的141.5 m、132.5 m、117.5 m、102.5 m高程分别布置3支混凝土温度计，87.5 m和70.5m高程分别布置5支温度计。在廊道9#、11#、14#3个坝块各埋设2支电阻温度计，深入基岩0.5 m～1 m。在大坝安全监测系统自动化工程中，另安装坝后保温层温度计6组12支，接入15#坝块。

(5)坝缝监测。共计安装3向测缝计31套，2向测缝计21套。在坝后高程128 m的2#～23#坝块接缝共布置2向测缝计21套，分别在坝后高程101 m的5#～21#坝块接缝布置16套、廊道内高程74.5 m的6#～20#坝块接缝布置14套3向测缝计，同时于1#坝块贯穿裂缝安装3向测缝计1套，用于观测裂缝变化。

(6)F2断层监测。包括①断层温度监测。F2平硐温度计5支，TP01～TP05。②引伸仪、剪切计、测缝计。引伸仪2只，其中长引伸仪横跨F2系列断层，用以测量F2系列断层的张合，并在其上安放了两只电阻温度计，用以温度修正；短引伸仪横跨F2-1断层，用以测量F2-1断层的张合。长引伸仪精度0.1 mm，短引伸仪精度0.06 mm。剪切计安装在F2-2断层上下盘，用以测量F2-2断层的剪切变形。2组3向测缝计，安装在F2主断层F2-1两边支洞上，用以测量F2-1X、Y、Z三向的变化规律。③多点位移计。多点位移计5组，由上至下贯穿F2断层，观测F2断层变化。一组多点位移计共有4个锚头，锚头1深入岩体4 m，锚头2深入岩体10 m，锚头3深入岩体18 m，锚头4深入岩体24 m。④锚索测力计。F2断层锚索测力计共6支，分3个台面布置，分别在高程115 m、125 m、135 m平台上面。

1.2 大坝安全监测设施存在的不足

(1)响洪甸水库大坝作为1级水工建筑物，监测项目基本完整，但缺少坝体表面水平位移监测设施以及左岸边坡的表面位移监测设施。

(2)现有5套垂线装置运行环境潮湿，仪器锈蚀，部分设备缺少备品备件；观测墩设计存在缺陷，不便于取电与观测，维护保养困难；缺少防灰防潮设施。

(3)排水设施布置不合理，影响廊道内美观及安全性，且不便于监测；扬压力监测设施缺少自动排气装置，存在读数表量程选择不合理等问题。

(4)F2断层平硐因常年潮湿闷热，原引伸计连接装置和固定装置等设备出现严重锈蚀，影响仪器观测成果。

(5)大坝自动化系统部分仪器设备、线缆等已损坏或测值异常。

(6)大坝监测数据中发现疑点或异常测值，需系统分析异常测值的成因，重新拟定重点监测项目的监控指标。

(7)大坝安全监测、闸门监视监控、水文自动测报等自动化系统的运行多年，为适应水库运行管理工作需要，有必要进行升级改造。

(8)没有坝顶水平位移和左岸边坡变形观测设施。

2 大坝安全监测设施的完善

2.1 变形监测设施

2.1.1 大坝表面位移监测

为了全面监测坝顶的表面变形情况，在大坝每个坝段的坝顶增设1个水平位移标点和1个垂直位移标点，共24个水平位移标点和24个垂直位移标点，并在大坝左右岸设置2个水平位移工作基点和2个水平位移校核基点。

2个水平位移校核基点分别设置在大坝左右岸山体上，测点布置位置应满足平面控制网精度要求和通视要求。

为了提高外观变形工作效率、观测精度和响应速度，满足全天候观测的需要，特别是极端气候条件下观测的需要，新建测量机器人自动化观测系统。

大坝坝顶弧长367.5 m，弦长307 m，采用1台高精度测量机器人观测方案可满足精度要求。测量机器人采用0.5″级高精度全自动全站仪，并配备相应观测软件和分析软件，安置在测量机器人站房的工作基点上，站房中配备有自动视窗系统、防雷系统、门禁系统、安防系统、气压计、干湿温度计、风雨感应器、空调、交换机、配电箱等设备，系统可根据需要定时观测和实时召测。

2.1.2 大坝坝体倾斜监测

由于原有步进式垂线坐标仪性能降低，将原有5个步进式垂线坐标仪更换为CCD光电式垂线坐标仪，并对坐标仪支架和基座进行改造；增设5个可以防尘、防潮的防护罩，防护罩上开透明观测窗，便于观测垂线坐标仪读数。对原老化通讯线、电源线进行更换，并用不锈钢线缆保护管(线槽板)对线缆加以保护。

2.1.3 左岸边坡表面变形监测

在左岸边坡滑坡体每个平台各增设1个水平位移标点和1个垂直位移标点，共3个水平位移标点和3个垂直位移标点，用于监测左岸边坡表面变形，并将其纳入大坝坝顶测量机器人系统进行自动化观测。

2.1.4 F2断层平硐监测

F2断层平硐内仪器出现不同程度锈蚀，引伸计锈蚀情况较严重，可能对后续监测结果造成影响。为了保证仪器长期稳定运行与数据准确可靠，对锈蚀较重的长引伸计、短引伸计和三向测缝计连接装置和固定装置更换为不锈钢材料。

2.2 渗流监测设施

根据现场调研及评判，渗流监测设施更新主要包括：①采用压力表监测的仪表量程偏大，导致监测精度降低，拟选择35个测点，根据每个测点的实际读数选择合适量程的高精度压力表来提高测量精度；②现有量水堰堰槽存在一定安全隐患，除留出现有量水堰堰体渗流通道外，其余部位进行砌筑封闭；③对采用压力表监测的测压管，加装15套自动排气装置，防止人工排气不及时、管道内残留空气或真空等因素对扬压力测值准确性的影响；④对73.5 m高程廊道中排水孔进行更新改造，增设24套廊道排水孔排水装置，将排水孔引伸至廊道靠上游侧，同时取消排水孔盖板，对原有廊道排水孔沟槽砌筑封闭；⑤对锈蚀严重，暴露在外的传感器电缆线进行更新，并用不锈钢线缆保护管加以保护。

2.3 环境量监测设施

原有水库水温计13支，均位于15#坝段坝前，原13支水温计安装于两套保护管中，均有部分损坏。完善方案拟构造一个温度计竖井，井内布置13支水库水温计，水温计外用DN200热镀锌钢管加以保护，并用五芯电缆线接入自动化监测系统。

3 安全监测自动化系统

3.1 自动化采集设备系统改进

3.1.1 更换增加数据采集单元

原有数据采集单元长时间在恶劣环境下工作，部分测量模块已失效或功能不稳定，新增测量机器人等监测设施。对失效或不稳定的测量模块进行更换，并适当新增测量模块。

3.1.2 更换光端机

在大坝原光端机所在部位布置1个发射光端机，在机房布置1个接收光端机。响洪甸水库共需1个发射光端机，1个接收光端机，光端机均应符合标准。

3.1.3 更换MCU保护箱

在每个数据采集单元集或仪器电缆测量端集中点，布置保护箱，要求保护箱具有防潮、防腐蚀、接地等功能，保护箱内放置防雷、供电及光端机等设备，根据现场情况，设置3套保护箱。

3.2 计算机网络与通信系统

(1)服务器、客户端设备升级。现有的安全监测服务器和客户端计算机已经运行多年，硬件配置已经不满足应用需求。根据需要更新2台客户端计算机、增购2台移动工作站和1台服务器。

(2)网络安全升级。改造内容包括新增网络防火墙、更新管理处机房现有的路由器、核心交换机和接入交换机，并且按照规定要求设置网络访问策略，保证局域网内的网络安全。

3.3 大坝安全管理信息系统

结合工程情况和相关实时数据采集系统对大坝安全进行监管，功能包括大坝安全监测数据采集、监测数据分析、大坝安全评估、巡视检查等方面，主要功能贯穿于水库大坝安全监测和管理的各个环节，在系统总体设计时需要考虑响洪甸水库即将建设的标准化管理系统，数据采集存储、分析评估、巡视检查等业务必须满足标准化管理的要求，并且预留与其他业务系统的接口，形成一套满足响洪甸水库大坝安全监管业务需求的业务管理平台。

3.3.1 功能框架

包含有水库大坝一张图、基本信息、大坝安全监测、监测数据分析、大坝安全评估和系统管理等功能，系统的主要功能结构详如图1所示。

图1 系统功能结构图

3.3.2 系统功能

(1)水库大坝一张图。借助于地理信息系统(GIS)，在一张地图上展示水库各类监测仪器设备的位置关系、数据信息和统计信息，结合图形、表格、热点、气泡等表现方式，充分实现系统的可视化、形象化，将水库的主要信息进行集中展示。

(2)基本信息。基本信息查询主要用于水库信息的在线查询、查看，主要包括水库的工程概况、地理位置、管理机构及人员、水库概况、水库特性、工程面貌、工程信息、管理法规以及水库下游防护对象的社会经济情况等，主要采用直观、清晰的地图、图形表格以及简要文字等方式。

(3)大坝安全监测。大坝安全监测模块主要用于针对水库大坝安全监测信息进行集中管理分析，实现数据整编，提供数据查询、特征值查询，并记录监测数据的超限记录情况，查看过程变化趋势，形成满足需求的图形报表。系统还提供安全巡视检查记录输入，可以形成巡检报告。可以从数据库中自动抽取数据进行分析整编，对大坝安全运行情况做出评价，自动生成综合管理报告。

大坝安全监测系统的结构图如图2所示。

图2 安全监测系统结构图

(4)大坝安全分析评价。大坝安全评估主要根据当前水库本期监测数据和历时监测数据，通过数值计算和分析，计算大坝各项安全指标，预测大坝各监测分量发展趋势。

4 结束语

水库大坝安全监测设施是监控大坝运行的眼睛，它能及时反映水库大坝的运行状态，对水库大坝安全管理至关重要。根据新时代水库管理现代化智能化的新要求，目前，响洪甸水库管理处正在对大坝安全监测设施完善提出方案。本文提出的大坝安全监测设施改造方案，给响洪甸水库大坝安全监测设施改造提供思路和参考。