碧流河水库大坝安全监测自动化系统的运行情况分析

曹 洪

(大连市碧流河水库管理局，辽宁大连116000)

大坝是水库的主要水工建筑物，其类型按建筑材料可分为土石坝和混凝土坝2类。其中土石坝占水库总数的95%以上，由于土石坝是散粒体结构，坝体的分析具有一定难度。坝体渗流和坝基、坝体渗透压力等重要参数是进行大坝安全稳定性分析的基础信息，及时获取尤为重要［1－2］。

大坝安全自动化监测是确保大坝安全的最主要的非工程措施，在大坝工程设计、施工建设和运行管理中是不可或缺的。

1 碧流河水库工程简介

碧流河水库为大连市主水源地，位于碧流河干流上，水库控制流域面积2 085 km2，是一座以城市供水为主，兼有发电、灌溉、养鱼、防洪等综合效益的大(2)型水利枢纽工程，总库容9.34亿m3。工程等别为Ⅱ等，主要建筑物级别为2级。防洪标准为500 a一遇洪水设计，设计洪水位 71.00 m，10 000 a一遇洪水校核，校核洪水位72.60 m。主要建筑物包括主坝、三座副坝、放水洞、输水洞、坝后电站等，主坝为混合坝型，由堆石坝段、混凝土重力坝段、沥青混凝土心墙土坝段组成，最大坝高53.5 m。

通过理论研究，结合实际工程监测施工设计，应用现代电子理论方法对监测系统的系统结构、计算机监测软件、传感器等方面进行了优选研究［3］。碧流河水库大坝安全监测自动化系统由加方大坝安全监测自动化系统和中方大坝安全监测自动化系统两部分组成。加方大坝安全监测自动化系统于1995年设计，1997年10月份开始安装、调试，并于同年12月份完成并投入到碧流河水库的大坝安全监测工作之中;中方大坝安全监测自动化系统始建于1995年，为巡检SRB监测系统;1997年进行了更新改造，升级为MCU监测系统;2005年10月更新换代成DAMS－IV型智能模块化结构分布式监测自动化系统，同年12月投入使用。

2 碧流河水库加方大坝安全监测自动化系统

碧流河水库加方大坝安全监测系统所采用的监测设备、2380数据采集系统及作图软件均由加拿大ROCTEST公司提供的，主要进行大坝变形监测、渗流监测和其它监测。各项监测数据存储在各自的测控单元(MCU)中，主机应用数据采集系统将监测数据传入计算机后，再进行数据处理及分析。各项监测均可进行人工比测，来确定自动监测数据的真实、准确与可靠性。

2.1 碧流河大坝变形监测系统

碧流河大坝变形监测系统由坝体裂缝监测和坝体倾斜监测组成。坝体裂缝监测所采用的仪器为测缝计，记为(C－1～C－13);坝体倾斜监测采用的仪器为静力水准仪，记为(Diff lev)。自1997年12月份运行以来，裂缝监测只有C－7、C－8测值年变化较大，但最大变化量≤3 mm，其余各处变化量均＜1 mm，这一变化是受库水位、水温及其他因素的影响，总的来看，变化较小，认为裂缝较为稳定，没有很大的发展;坝体倾斜监测的测值经计算所得的的最大倾角为0°0'28″。

2.2 碧流河大坝渗流监测系统

碧流河大坝渗流监测由大坝左、右岸绕坝渗流监测、坝基扬压力监测、一副坝浸润线监测、二副坝渗流监测和坝体渗流量监测组成。大坝左、右岸绕坝渗流监测(RB－1A～RB－12A)、坝基扬压力监测(Y1～Y12)、一副坝浸润线监测(K1－A～K8－A)、二副坝渗流监测(S1a～S7a)均采用振弦式渗压计;坝体渗流量监测(US－1～US－3)采用超声波水位计。左、右岸绕坝渗流监测中，经简单分析认为各绕渗监测点处均有不同程度的绕坝渗流，绕坝渗流大小受到库水位、所处位置的地质条件等因素的影响;扬压力监测除左连接段的Y14～Y16渗压系数较大，主要是地质条件较差所引起的，因为该几处位于F101和F32两大断层处，虽然渗压系数较大，但到目前为止均小于允许的最大渗压系数0.3，其余各处渗压系数均较小。一副坝浸润线监测也能真实反映出其坝体的渗流状况;坝体渗流量监测反映出了坝体在雨前、雨后的渗流情况，也说明了坝体的渗流情况。

2.3 其他监测系统

其他监测包括库水温监测，上、下游库水位监测，气温、气压和降雨量等的监测。下游库水位监测(LIM)采用振弦式渗压计;上游库水位监测采用编码盘(ENC－1);气压(BAR)、雨量(RG－1)监测分别采用气压计和雨量计。库水温监测(WT1－A～WT1－C)反映出库水温呈现以年为周期的周期性变化，且清楚地表现出夏季水温上部高于下部，冬季库水温上部低于下部，中间过渡期，水温相差不大;气压监测只是对渗流监测进行相应的修正;上、下游库水位监测、气温和降雨量的监测是作为资料分析所必要的环境量。

3 碧流河水库中方大坝安全监测自动化系统

碧流河水库中方大坝安全监测自动化系统主要是进行大坝变形监测，系统中的自动化监测仪器均由南瑞(NARI)大坝监测技术研究所研制。所运用的数据采集系统及作图软件也是由他们提供。自动化变形监测系统主要进行坝体的水平位移和挠度监测。

3.1 主坝水平位移监测

大坝变形监测系统是运用监测设备连续定期测量大坝在水平方向上的位置变化。规定向下游方向移动为正，向上游方向移动为负。水平位移监测系统由4条引张线和22台垂线坐标仪及1台变位计组成，其中2条引张线位于主坝坝顶，另外2条引张线位于大坝基础廊道中。

碧流河水库主坝坝顶引张线由29台编号为EX01～EX21和EX23～EX30单向引张线仪组成。坝长708.5m，如果采用1条引张线，由于引张线线体过长，窜风等因素影响使线体产生晃动，导致测值不稳定，不能正确的反映大坝的运行状况，对资料分析也会产生影响。在反复论证后，采用在主坝坝顶将1条引张线分为2条引张线。由EX01～EX21单向引张线仪组成其中的1条引张线，通过位于坝右岸的量距仪SD01和倒垂线仪TP01、倒垂线仪TP05进行控制观测;由EX23～EX30单向引张线仪组成另一条位于坝顶的引张线，由位于坝左岸的量距仪SD01和倒垂线仪TP02、倒垂线仪TP05控制观测(其中倒垂线仪TP05、量距仪SD01均位于17#坝段)。

廊道中有2条引张线，1条位于土坝廊道中，由4台仪器编号为ES01～ES04单向引张线仪组成，引张线2个端点分别由编号为TD01和TD03双向垂线仪器控制观测。另外1条长为267.15 m的引张线位于混凝土坝段的灌浆廊道，由16台单向引张线仪仪器编号为EX31～EX46组成，其左端由倒垂线仪器TP03(倒垂线位于17#坝段中)控制观测，右端固定于廊道的基岩中。

所有的引张线仪均为电容感应式变形仪器。采用比率测量技术的测量单元，通过对各测点进行垂直于偏离基准线的变化量的测定，测出测点相对于引张线的变化，通过计算求得各测点的水平位移变化量。

材质为不锈钢钢丝的引张线是通过中间极(遥测RY型电容式引张线仪)与两块极板(位于测点仪器底板)测量大坝水平位移的。当水平位移测点位置变化时两极板与中间极之间随之发生相对位移，引起中间极与两极板间电容比值变化，引张线的位移就是通过测量电容比确定的。

系统运行原理:

计算机工作组、数据采集单元(DAU)、通讯网络、信息管理软件及传感器是组成DAMS－IV型智能模块化结构分布式监测自动化系统的五大部分。在系统中，传感器安装在需要监测的部位，数据采集单元对传感器进行数据采集;监控主机对整个数据采集系统进行管理，可随时通过DAU进行数据采集，也可定时进行数据采集。各个数据采集单元(DAU)之间采用RS－485现场总线通讯(本工程的通信介质为4目单模光缆)及2芯220 V电源线相连接。每个数据采集单元由若干个不同类型的智能采集模块(NDA)、通信模块和电源部件组成，并配有防雷、防潮及浮充蓄电池供电等部件。智能采集模块具有独立的CPU、时钟、数据存储、数据通信等功能。

该变形系统运行至今，监测数值真实、可靠。水平位移主要受温度、库水位(水压力)等因素的影响。运行以来坝顶、混凝土坝廊道和土坝最大值分别为8.27、1.0 mm和1.0 mm。

3.2 主坝坝体挠度观测

碧流河水库主坝挠度观测通过双向垂线坐标仪和6台单向垂线坐标仪，对混凝土坝及土石坝坝体内垂直线上不同高程测点与倒垂线之间的水平位移进行连续定期监测。碧流河水库大坝的自动化挠度监测是通过两组正垂线和3条倒垂线进行的。土石坝的1#和2#竖井中分别布置了一组正垂线，由1#竖井中倒垂线仪TD1控制监测单向垂线坐标仪(PL03～PL08);由2#竖井中倒垂线仪TD3控制监测单向垂线坐标仪(PL09～PL14)。混凝土坝的挠度观测是通过位于混凝土坝17#坝段中的倒垂线上安装的3台双向垂线坐标仪(TP03～TP05)进行。

4 小结

碧流河水库大坝安全监测自动化系统运行至今，整体运行良好，各项监测数据真实、可靠，为水库大坝安全监测提供了大量宝贵的资料，该项大坝安全监测真正起到了大坝的耳目作用，也为水库运行管理和科学调度提供了可靠的依据。

［1］刘奇，高永超，何维民.论棋盘山水库大坝安全监测自动化系统技术研究［J］.现代农业科技，2009(07):280 －282.

［2］朱盟.大伙房水库大坝安全监测自动化系统技术研究［J］.现代农业科技，2007(23):220 －222.

［3］潘伟晖，何建新.浅谈磨子潭水库大坝安全监测自动化系统建设［J］.治淮，2007(08):36－38.