泰安大河水库大坝变形监测设计分析

2023-01-11孙雪琦卞俊威崔文戈

山东水利 2022年7期

孙雪琦，卞俊威，崔文戈

（1．山东省水利科学研究院，山东济南 250014；2.沂南县水利工程保障中心，山东沂南 276300）

水库在防洪、供水、发电、灌溉、环境生态等方面发挥着巨大作用，有着明显的社会效益和经济效益，水库的安全也关系到下游地区经济社会的发展和广大人民的生命财产安全。大坝是水库的关键性构造，受到季节、环境等因素影响，常要面临巨大的水流压力，大坝的各种结构破坏问题也成为了水库最大的安全隐患。水库大坝变形监测系统是水利工程管理工作中的一项重要工作。通过建立该系统可及时掌握闸坝位移等安全指标和运行状况，为工程调度运行提供可靠的依据，提高大坝的安全度。因此，在原有监测设施的基础上，更新完善水库大坝变形监测系统是十分必要的。

1 工程概况

大河水库位于岱岳区粥店办事处二十里埠村，旅游经济开发区腹地，坐落于大汶河水系泮汶河上游，控制流域面积84.53 km2，是一座以发电供水为主，兼顾防洪和城市供水功能的中型水利（枢纽）工程。

大河水库枢纽工程主要为拦河坝、溢洪道、放水洞。其中拦河坝总长773 m，分主坝和副坝两段，主坝总长460 m，最大坝高22.0 m，副坝长313 m，最大坝高7.3 m，为均质土坝，坝顶宽8 m，坝后为天平湖公园。溢洪道位于拦河坝右岸，为正槽式，底净宽45.7 m，堰净宽37.5 m，堰顶高程157.5 m，消能方式底流消能，水闸共有5 孔，设计泄洪流量1 413 m3/s（P=1%），为开敞式钢筋混凝土结构，平面钢闸门控制。

2 大坝变形安全监测存在问题

水库大坝和溢洪闸安全管理是水库运行管理的核心工作，水库闸坝变形监测作为水库安全管理的重要内容，是及时发现安全隐患、掌握闸坝安全状态的最有效手段。目前，大河水库闸坝的变形监测设施不完备，已建监测设施存在设备老化、技术落后、数据失准的现象，这给大坝安全管理带来严重的安全隐患。主要问题包括以下几个方面：

2.1 监测设施不完善

溢洪闸没有安装变形监测设施，坝体变形监测采用定期人工监测方式，监测水平落后，缺乏必要的自动化观测设备，在数据观测的实时性和连续性方面有所欠缺，不能满足水库现代化管理的需要。

2.2 监测功能较为单一

大坝位移监测系统功能比较单一，仅仅实现数据的采集、报表、曲线等功能，缺少必要的数据分析、资料整编等功能，软件大多基于C/S 开发，只能在特定的电脑进行操作，应用不便捷。

2.3 监测点布置不合理

大河水库建设年代久远，已有的监测设施和监测点所测数据已不能反映大坝位移变化情况，从而对大坝运行带来一定的安全隐患。

3 大坝变形自动化监测设施设计

3.1 设计原则

1）科学规划，分步实施。按照“科学规划、规范设计、完善功能、满足需求、分步实施、节约投资”的指导思想，搭建技术先进、功能完善的系统基础框架，可根据需求的缓急程度及资金状况分布实施，既满足管理需要，又避免了重复投资造成的浪费。

2）统筹兼顾，突出重点。系统建设要围绕水库安全管理中心工作，完善物联感知、提升基础保障、完善业务应用、强化数据分析功能、改善资料整编、建立运行维护体系等，同时坚持统筹兼顾、急用先建，逐步推进水库运行安全体系建设。

3）统一标准、资源共享。标准和安全是信息化建设的重要保障，加快推进标准化与规范化建设，全面推进水库信息资源的交互共享，打破信息壁垒，消除信息孤岛，深入挖掘海量信息资源价值，提升信息资源利用效率和应用能力，支撑和促进信息资源的广泛共享和深度开发。

4）技术创新、先进适用。随着现代信息技术的日新月异，应坚持开发和应用高新技术，包括物联网、云计算、大数据、移动互联等，在大坝运行管理方面能更及时、客观的获得数据和信息，更准确、高效的预测、预报和预警等，更好服务于经济社会全面、可持续发展的科学决策。

5）建管并重，保障到位。在确保系统建设质量、进度和安全的同时，进一步理顺管理体制，明确管理职能，落实管护经费，加强工程管护，通过统筹建设、集中管理、持续维护，确保系统建设的整体效益和可持续性。

3.2 监测原理

坝体、溢洪闸变形监测基点选建在位于坝体附近稳定基岩之上，可视为“不动点”，当坝体、溢洪闸发生变形时，变形监测跟随桩随之变化，安装在跟随桩上的水利设施变形远程监测终端便实时监测到相对监测基点的垂直和水平变化量。水利设施变形远程监测终端的原理主要分为以下几个方面：

1）针对坝体、溢洪闸的垂直位移监测，采用传统的静力水准原理，利用高精度激光测量技术手段，实现坝体、溢洪闸等设施的垂直位移的高精度测量，测量精度±1 mm，原理可靠，运行稳定，安装方便。

2）针对坝体、溢洪闸的水平位移监测，采用引张线原理或GNSS 卫星定位技术，实现坝体、溢洪闸等设施的水平位移测量，测量精度±3 mm。

3）针对坝体滑坡和溢洪闸的倾斜位移监测，采用三轴陀螺倾角测量技术，结合智能芯片技术，将倾角进行位移换算，从而得出侧方位移量，用以监测坝体、溢洪闸等设施的倾斜与滑坡。

3.3 设计方案

1）监测点设计。在水库主坝0+100、0+200、0+300、0+400、放水洞断面设5 个横断面，与大坝后坝肩及后坝坡2/3 高程处的两个纵断面交汇点，各纵向监测断面上各监测点之间的间距小于100 m，并严格控制在同一高程上，按《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）要求，施工建设坝体变形监测点，共设置坝体变形监测点10 个。在溢洪闸1 个中墩、两侧边墩上游和下游两端同一高程处，各设立一处监测点，共设置溢洪闸变形监测点6 个。

2）监测基准点设计。沉降位移监测基准点应设置在监测区附近周边地质条件较好的地区，按《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）的要求，与监测点同一高程处施工建立2 个基准点，溢洪闸变形监测基点可与同一高程的坝体变形监测基点共用。

监测基准点应建在坝头附近的基岩上，或者在坝头附近的基岩相对浅的位置，采用“钻孔水泥注桩”的方式，建设变形监测基准点。

3）系统组网、通讯设计。安装于坝体变形监测点和溢洪闸变形监测点的水利设施变形远程监测终端，与安装于坝体两变形监测纵断面和溢洪闸变形监测点的三个“无线通信管理网关”，分别组成三个“无线局域”，各变形监测终端通过“物联网”和“管理网关”将数据传送到数据库。

4）供电系统设计。基准站和观测站采用太阳能供电系统。包括太阳能电池板、蓄电池、太阳能控制器，以及其他配件，对于太阳能电池板功率，电池容量需要根据当地气象局给出的标准天气情况具体确定。太阳能供电时，需根据当地的日照时间、最长阴雨天气来配置太阳能电池板大小以及蓄电池容量。确保蓄电池能够持续给设备供电。电池板制作安装支架，朝向正南，倾角在20°～45°之间，根据当地太阳高度角来确定。注意不要有任何遮挡，视情况定期清洁太阳能板。电线走线尽量选用国标；太阳能板接线要牢固，裸露在外面的线要穿管，推荐PVC 管，可以弯折走线，美观而且耐用。蓄电池正负极不要短接，用地埋箱安装，接口处做好防水处理，用防水胶带裹一层再用绝缘胶带绑扎好。根据监测站设备的功耗计算，现场需配置太阳能板和蓄电池。

5）系统防雷与接地设计。由于监测基点和监测点均处于室外，因此其防雷与接地尤显重要，主要从防直接雷和感应雷两个方面进行设计。系统除直接利用工程的防雷和接地设施外，还应满足如下要求：

监测设备的感应避雷防护，应设置天线馈线和电源线的感应避雷器，避雷器必须接地良好，接地电阻小于4 Ω；各测点与大坝接地网相连，附近如就近无接地网可用，需单独设置接地网；避雷针针尖高度应高过GNSS 天线2.5 m 以上；接地网采用角钢和扁铁制作，地极埋地深度大于1 m，引下线应该采取必要的防腐和绝缘措施，并且距离监测设备30 cm 以上；避雷针基座成网形布置，并与接地网焊接。