滇中引水工程弃渣场安全监测设计及应用

王和芬 晏 欣

(1.云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021；2.云南省调水中心，云南 昆明 650051)

滇中引水工程是国务院确定的172项节水供水重大水利工程中的标志性工程，是中国西南地区规模最大、投资最多的水资源配置工程[1]，也是西南地区最长距离输水工程。因此滇中引水工程具备长距离输水工程的典型特点：“点状”和“线型”兼具、跨越地貌类型多、土石方量大、沿线弃渣多等[2]。滇中引水工程中的隧洞工程占整个工程约92%，因此弃渣量大的特点更为突出。然而弃渣场位置的选择受生态红线、风景名胜区、基本农田、环保保护的制约，弃渣后还可能对周边公路、铁路、学校等安全带来一定程度的影响，因此可布设弃渣场的位置很有限，导致弃渣场规模越来越大、堆渣高度越来越高。为确保弃渣场运行期的稳定性，除了工程措施外，做好安全监测也是非常必要的，安全监测可实时监控弃渣场施工期及运行期的稳定性[3]，为工程安全运行提供有力的技术保障，为下游的安全工作提供预警。

1 工程概况

滇中引水工程是云南省可持续发展的战略性基础工程，工程从云南省西部金沙江取水，向相对缺水的滇中地区长距离引水[4]。整个工程由水源工程和输水工程两部分组成，其中输水工程穿越大理、丽江、楚雄、昆明、玉溪、红河6个自治州(市)的35个县(市、区)，总干渠全长664.236km，沿引水路线划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段及红河段共6各部分，共设置各类建筑物245座。

滇中引水工程为长距离输水工程，沿线建筑物以隧洞为主，占比约92%，地下洞室开挖量较大，但填筑量和可利用量较小，因此引水隧道沿线弃渣量巨大。土石方开挖总量约8824.49万m3，土石方回填总量约1630.34万m3，弃渣总量达到7194.15万m3。工程建设征占地总面积3902.40hm2，共规划223处弃渣场，其中水源段3处，大理Ⅰ段27处，大理Ⅱ段34处，楚雄段62处，昆明段35处，玉溪段19处，红河段43处[1]。

2 安全监测的目的与意义

随着经济社会的发展和物联网技术、云计算、通信技术以及地球信息技术等高科技领域技术理论迅速崛起,为各行业各领域提供和创造了条件和机会，安全监测的地位优势与作用也日益凸显[5]。弃渣场作为水利工程建设的重要组成部分，做到渣场与周边生态环境以及水利工程的整体协调、互为支撑极为重要，因此弃渣场的监测与大坝安全监测同等重要。弃渣场的安全监测在今后较长一个时期还将会越来越被重视，尤其是对大型弃渣场以及对下游具有敏感影响的弃渣场，原则上都需要采取必要的安全监测措施，要把弃渣场的安全监测纳入工程建设项目“五位一体”的安全远程监测系统。

滇中引水工程的地下输水隧洞，开挖弃渣量巨大，且受各种因素的影响，弃渣场数量众多。由于每一个弃渣场位置与规模不同、重要性不一、地形地质条件不同、失稳危害性各异，为确保每一个弃渣场施工期和运行期的安全稳定运行，除了采取工程安全措施外，做好安全监测也是非常必要的。弃渣场的安全运行不仅关乎环境，也关乎人民的生命财产安全，更直接关系到云南省国民经济的总体发展。因此，对规模较大或具有敏感影响的弃渣场建立一套实用、高效、先进的安全监测系统，并进行长期的观测、分析、评价是十分必要的。

设置弃渣场的安全监测系统，建立弃渣全过程的安全监测监体系，构建弃渣信息管理平台框架，一是可以监测弃渣场的变形、渗流、沉降变化情况[6]，获取相关的实测性态值，并进行分析、评价，判断其运行情况和安全程度，当发现其异常和有危险迹象时，可以及时采取有针对性的补救措施，以最大限度降低损失；二是根据滇中引水工程沿线弃渣场特点，建立弃渣安全监测监管体系后，可以大大提高工程运行期的管理效率，减少人力物力的投入，降低运营成本。

3 弃渣场安全监测项目选取原则

大规模弃渣场的安全监测设计，据可查证资料显示，目前没有类似工程可借鉴参考，且国内还没有专门针对弃渣场的监测设计规范，现行《水利水电工程安全监测设计规范》(SL 725—2016)和《水土保持监测技术规程》(SL 277—2002)也未涉及弃渣场安全监测的内容。

弃渣场选址受生态红线、风景名胜区、基本农田、乔木林、地理环境、地形地质条件等因素的影响[7]，导致弃渣场容量越来越大，弃渣高度越来越高，弃渣本身的安全稳定监测也越来越受到重视。滇中引水工程作为国家“十三五”172项重点水利工程之一，也是云南省可持续发展的战略性基础工程，必须确保每座建筑物的安全运行。弃渣场作为规模较大的地面工程，面对复杂的地形地质条件和外部环境，一旦失稳造成的影响和危害较大，因此弃渣场的建设越来越受到各方的高度重视。为切实落实安全管理责任，确保弃渣场安全运行，做好安全监测工作非常重要，应用先进技术推进弃渣场安全监测预警建设势在必行[8]。滇中引水工程的弃渣场设计，由于目前没有明确的设计规范，为规范各弃渣场安全监测的设计标准和保证设计成果质量，经三家设计单位研究决定，以《土石坝安全监测技术规范》(SL 551—2012)[9]为基础，研究和细化监测项目选取、监测断面设置和监测设施布置等安全监测总体设计原则和基本方法。滇中引水工程弃渣场安全监测项目的选取原则如下：

a.弃渣场级别为3级及以上、堆高超过50m、弃渣场下方布设有重要建筑物或敏感建筑物的，只要具备其中一个条件，弃渣场就必须进行安全监测设计。

b.为及时、准确掌握弃渣场的情况，特别是在施工期、暴雨、洪灾等情况下，及时发现现场重大危害隐患，每个弃渣场设置一套视频监测系统。

c.监测断面(部位)应布设在工程有代表性的部位。

d.安全监测由自动化监测和人工巡视检查两部分组成。

e.在满足精度要求的前提下，所选仪器应可靠、耐久、经济、实用。

4 监测设计的技术手段及基本方法

弃渣场的监测内容主要包括表面变形监测(松动、坍塌、滑移等)、深部变形监测、渗压监测、视频监控、降雨量监测和人工巡视检查[10]。

滇中引水工程弃渣场监测借鉴土石坝安全监测的方法和技术手段，主要内容如下：

a.表面变形监测。根据弃渣场的容量和堆高，布设2～3个监测断面，每个监测断面在弃渣场表面布设3～11个表面变形测点，采用交会法和三角高程法对弃渣场表面位移进行监测，测量水平位移中误差不大于5mm、垂直位移中误差不大于10mm；首次观测在最短时间内连续观测两次，取平均值作为初始值。

b.深部变形监测。在最大坡高监测断面的弃渣场临空面布设一定数量的测斜管，对弃渣场内部滑移变形进行监测；将测斜仪测头放入测斜管内，导轮顺着施测方向的导槽，缓缓滑入，每0.5m设置一个传感器传输一组数据，该数据反映测斜管中逐段产生位移后管轴线与铅垂线夹角的正弦值，分段求出水平位移，累加得出总位移量及沿管轴线整个孔深位移的变化情况。

c.渗压监测。利用深部变形测斜管进行渗压监测，将测斜管下部制作成花管，从而兼做测压管使用。当测斜管数量不足或位置不合适时，再在堆渣体底部布置一定数量的渗压计。用钢弦频率计观测，将仪器引出电缆与频率计接线柱相连，打开仪器开关，测读各个仪器稳定的频率读数及温度。

d.视频监控。在有4G信号覆盖的弃渣场布置1个视频监控点，监控范围为整个弃渣场，监控弃渣场表面变形情况，特别是暴雨期间弃渣场的稳定情况。

e.降雨量监测。在“滇中红层”区域的软岩弃渣场，布设1个遥测雨量站，监测弃渣场附近的降雨量变化情况。

f.人工巡视检查。主要依靠目视、耳听、手摸等直观方法，可辅以量尺、放大镜、望远镜、照相摄像设备、无人机等工具，也可利用视频监视系统辅助现场检查。

5 典型弃渣场监测设施布置设计

滇中引水工程弃渣场数量达223处之多，弃渣场工程等别为2级的有9处，等别为3级的有53处，堆渣高度大于100m的有10处，弃渣量大于100万m3的有23处，大多集中在大理段。因此选择等别高、堆渣高度较高的具有代表性的大理Ⅱ段洗窝帚山1号弃渣场作为典型进行安全监测设计，其他弃渣场安全监测设计参照该弃渣场进行。

洗窝帚山1号弃渣场，容量126.45万m3，堆高106m，等别为2级。弃渣主要来自狮子山隧洞、牛驼子箐暗涵、洗窝帚山隧洞、麻栗园暗涵、麻栗园倒虹吸、品甸海隧洞进口段、进场路工程开挖所形成的废弃料，渣料以泥岩为主，并有部分砂岩。该渣场表面变形监测布置有3个监测断面：断面1布置于冲沟左岸，从最高平台2030m高程开始，每隔一级马道布设一个测点，共布置3个测点；断面2为重点监测断面，顺冲沟走向在每级马道上及拦渣坝坝顶各布设一个测点，共布置11个测点；断面3布置于冲沟右岸，从2020m高程开始，每隔一级马道布设一个测点，共布置5个测点。洗窝帚山1号弃渣场共布设测点19个，为节省工程投资，断面1与断面3均为互补方式隔级布置测点，以做到用最少的测点做最全面的监测。

弃渣场表面变形采用交会法和三角高程进行监测。根据弃渣场的地形条件，在左岸布设2个位移监测网点、在右岸布设3个位移监测网点作为表面位移观测的工作基点。

深部变形监测是在弃渣场中部选1个监测断面布设测斜管。为节省工程投资，同时也能监测出渣体的深部变形，采用隔级布置方式，共布设4根测压管。另外，为了用最省的工程投资达到监测渗透压力的目的，将测斜管下部制作成花管，从而兼做测压管使用，并在管底设置渗压计，对弃渣场浸润线变化进行监测。

由于弃渣场填料为弃渣，压实度很低，颗粒级配较差，因此测压管施工方案及材料的选择非常重要。考虑到渣体的变形量非常大，常规大坝及边坡深度变形测量所用的ABS管材存在抗拉、抗剪强度低等问题，采用多维度变形测量仪器即柔性测斜仪投资较高，因此通过综合分析对比，滇中引水工程深部变形监测管材采用钢管；考虑到弃渣场渣料的随机堆放性、级配的不确定性及压实度低等因素，测压管如果采用预埋方式将达不到设计要求，因此本工程考虑测压管采用钻孔方式埋设，测压管钻孔若塌孔严重时允许跟套管，但要求套管能取出，当无法取出时，套管最大允许长度与测斜管管段长度一致，采用2m，并尽量使套管接头与测斜管接头保持一致。

为了更及时、更全面、更直观地了解弃渣场的情况，特别是为了及时直观地掌握施工期及汛期弃渣场安全稳定情况[11]，在弃渣场旁布设1个视频监控点。洗窝帚山1号弃渣场视频监控点布置于右岸渣场旁2000m高程左右，可以覆盖整个弃渣场，监控弃渣场的变形情况。

另外，为实现自动化监测，根据弃渣场的重要性、交通条件及管理条件[12]，选择位于水源工程区的一个弃渣场作为试点弃渣场，采用全自动化安全监测系统，以GPS、柔性测斜仪和渗压计对弃渣场表面变形、深部变形和渗压进行实时自动化监测。同时，根据滇中引水工程独有的“滇中红层”特点，选择位于“滇中红层”区域的重要弃渣场补充雨量自动化观测设施。

滇中引水工程共规划223处弃渣场，其中有85个需要布设安全监测设备，布设的原则、内容、方法与洗窝帚山1号弃渣场基本一致。

洗窝帚山1号弃渣场监测设备布置见图1和图2。

图1 洗窝帚山1号弃渣场监测设备平面布置

图2 弃渣场最大剖面监测设备布置(A—A)

6 监测时段及频次

弃渣场的变形主要集中在主体工程施工时段及完工初期，完工后期渣体沉降变形基本趋于稳定，变形量会越来越小且植被已经恢复。根据弃渣场特性，将安全监测关键时段定为弃渣场安全稳定最关键时期，即主体工程建设期至弃渣场施工完工后3年。弃渣场监测期结束后，应对其安全稳定状况进行一次系统性的分析评估，再决定对监测设施停止观测或继续观测。

根据初步拟定的弃渣场安全稳定最关键时期，确定其安全监测方法及频次为：ⓐ水平位移观测及垂直位移观测：施工期和完工后第1年汛期(6—10月)每月2次，非汛期每月1次；第2、3年汛期每月1次，非汛期每季度1次；若出现测值增长较快时应酌情加密测次；ⓑ水平位移监测网观测：水平位移监测网在施工期及运行期每年均进行1次稳定性复测；ⓒ测斜兼测压管观测：测斜兼测压管安装完工1周后开始观测，施工期和完工后第1年汛期(6—10月)每月4次，非汛期每月2次；第2、3年汛期每月2次，非汛期每月1次；若出现测值增长较快时应酌情加密测次；ⓓ渗压计观测：渗压计埋设安装完毕就应投入观测，施工期和完工后第1年汛期(6—10月)每月4次，非汛期每月2次；第2、3年汛期每月2次，非汛期每月1次；若出现测值增长较快时应酌情加密测次。

7 结 论

弃渣场安全监测对弃渣场的安全稳定具有重要意义，目前国内外针对弃渣场开展的监测主要是水土保持监测，并非弃渣本身的安全稳定监测，然而弃渣场自身的安全稳定更为重要，它的稳定不仅关乎环境，更关乎人民的生命财产。因此，对于规模较大或者具备敏感因素的弃渣场增加安全监测是非常必要。但是，目前国内没有对弃渣场进行安全监测的工程实例，且国内还没有专门针对弃渣场安全稳定监测的设计规范。滇中引水工程弃渣场安全监测设计成果，以及积累的实践和经验，在今后一段时期内可为其他类似的弃渣场设计提供一定的借鉴和参考。