高店砌石拱坝自动化监测系统的设计

温卉周斌

（广东省汕尾市水利水电规划设计院 广东 汕尾 516600）

1 工程概况

高店水库位于江西省铅山县武夷山镇的信江二级支流石塘水上，是一座具有防洪、发电、灌溉、供水以及水产养殖等综合利用的中型水利枢纽工程，枢纽建筑物由大坝、发电引水隧洞、厂房及升压站等组成。

高店拱坝为坝体自防渗统一二次曲线变厚砌石双曲薄拱坝，最大设计坝高为81.5m，坝顶高程为388.5m，河床段建基面高程为307m。高店拱坝上、下游坝面为M12.5水泥砂浆砌砼预制块，拱腹为C15细石砼砌块石，底部为C15或C20砼垫层。坝基上游设置一道防渗帷幕，下游设置1排排水孔，坝身设置了2.6m×3.5m（宽×高）的城门洞型廊道。坝顶河床段设3孔单孔净宽10m的表孔式溢洪道，采用6.5m高的露顶式弧形闸门控制、顶高程为380.0m的WES堰泄洪，出口采用差动式挑流鼻坎挑流消能。大坝右岸设有总长30m的重力墩。大坝下部河床段左侧设孔径为1.0m的放空孔，出口设锥阀控制。

2 坝体结构计算与监测项目的选择

高店拱坝采用北京水科院多拱梁法ADASO软件计算坝体应力。多拱梁法采用了7拱15梁，计算高程依次为307m、318m、329m、341m、353m、365m、377m、388.5m， 共计算了正常蓄水位（386m）+温降、校核洪水位（388.24m）+温升、死水位（350m）+温降、死水位+温升4组工况。4组工况的最大拉、压应力和最大位移计算成果见表1。

高店拱坝坝头整体稳定分析按成组的裂隙面相互切割组合形成的滑移体采用刚体极限平衡法计算，左坝头稳定安全系数最小值为3.37、右坝头稳定安全系数最小值为3.15。

高店拱坝监测项目根据结构计算揭示的坝体安全的关键因素进行设置。变位和应力是拱坝安全的关键要素，需进行监测；变位观测选择对荷载变化最敏感的同时也是变位最大的拱冠梁作为监测的重点；坝体应力计算中揭示出拱冠梁和拱端是高店拱坝坝体拉、压应力最大的部位（尤其是在中下部），因此高店拱坝拱冠梁和拱端也是应力（应变）监测的重点；应力计算也揭示出坝体初始温度场对坝体运行期的温度应力有着至关重要的作用，直接影响到坝体应力安全，为使每个封拱时段均能观测到坝内温度，以保证施工期封拱时机的准确把握，坝体温度也应进行重点监测。高店拱坝坝头稳定安全系数稍大于规范允许值，坝头稳定也是高店拱坝安全运行的关键，需对坝头岩体变位进行监测；经坝头稳定试算，坝基扬压力的变化对坝头稳定的影响十分敏感，因此将坝基渗流作为高店拱坝监测的一个重要内容。拱坝封拱效果的好坏，直接关系到坝体拱作用的形成，临时性横缝的监测对拱坝意义尤其重要，因此需要对坝体接缝进行监测。高店拱坝左岸布置了一个重力墩，对坝体和重力墩接合面的应力和接缝也应进行监测。结合目前自动化观测设备的技术水平，高店拱坝自动化监测系统主要监测变位、应力（应变）、渗流、接缝、温度等项目。

3 大坝自动化监测系统总体设计

自动化监测系统分为三级，自底至顶依次为本地级、分站级、枢纽级。本地级负责采集监测点的数据，并向分站级或枢纽级报送数据。分站级负责收集管理范围内的本地级数据，进行数据整理、转换和存贮，在分站工作站显示进行安全监视，并向枢纽级报送数据。枢纽级接收分站上报的数据，并兼有分站负责收集、整理、转换管理范围内的本地级数据的功能，对枢纽的监测数据进行整理、存贮，并在工作站上显示进行安全监视。

大坝自动化监测系统的本地级为大坝监测点，负责采集监测点的数据，可在MCU上显示测量数据，通过MCU向大坝监测分站传送监测数据；大坝监测分站收集大坝监测点和库区监测点MCU传来的测量数据，经转换后在工作站显示，并形成历史纪录保存，同时向枢纽监测站传送主要的监测数据；枢纽监测站接收大坝监测分站、引水系统监测点、电站监测点的数据，在枢纽监测站工作站计算机上显示运行状况。系统总体设计见图1。

表1 高店拱坝应力和位移计算成果表

表2 高店大坝自动化监测仪器一览表

图1 自动监测系统逻辑结构图

图2 大坝上游观测设备埋设布置图

图3 大坝下游观测设备埋设布置图

4 自动化监测仪器选型

自动化仪器按照先进性、可靠性、经济性、相容性的原则，按照监测项目分别选择建设时国内成熟先进的自动化监测设备。

变位观测采用南京葛南实业有限公司生产的GN—1型固定式测斜仪进行监测，可通过分层埋设固定式测斜仪测量各测点的转角变化，间接计算各分层的径向变位；坝体（应变）采用南京电力自动化设备总厂生产的DI—10五向应变计和配套的WYL型无应力计监测；渗流通过南京电力自动化设备总厂生产的SZ型差动电阻式渗压计监测；接缝采用南京电力自动化设备总厂生产的CF—12型测缝计监测；坝内温度采用南京电力自动化设备总厂生产的DW型温度计监测；重力墩和坝体接合面的压应力采用WL—30型压应力计监测应力；主要监测项目与监测仪器见表2。

5 自动化监测点布置

为与计算成果对比，方便坝体安全状况评价，测点原则上布置在与多拱梁法计算点相对应的部位。根据结构计算的成果，坝体最大径向位移将在拱冠梁顶产生，因拱冠梁曲率较大无法布置垂线，采用分层布设固定式测斜仪测量拱冠分层转角以计算坝顶径向变位；根据应力计算的成果，坝体最大拉、压应力主要发生在拱冠梁及拱端的中下部位，因此应变计和无应力计布置在拱冠梁和拱端处，且以中下部为重点；压应力计布置在坝体与重力墩的接缝处；渗压计布置在拱冠梁底和两岸坝基内；坝内温度除利用具有测温功能的应变计和测缝计观测温度外，还在拱冠梁内及坝基内分高程埋设温度计，观测坝内、坝基温度，以确保每个封拱区段及封拱时段内均能观测到坝内温度，以掌握最佳封拱时机；沿宽缝、坝体与重力墩结合面、坝基周边缝均埋设了测缝计。观测仪器埋设的布置见图2和图3。

6 人工观测与巡视检查

作为自动化监测系统的补充，高店砌石拱坝还设置了少量人工观测项目，并需定期和不定期进行巡视检查，通过自动化监测和人工监测保证大坝安全。人工观测项目主要有：坝身变位、下游水位、廊道渗水量。

坝身变位和坝头岩体变位：采用全站仪定期观测平面变位（三角网法），水准仪定期观测坝体竖直变位；泄洪时采用水尺观测下游水位；设三角堰定期观测廊道渗水量。

7 自动化监测运行情况

高店大坝于2004年11月5日开始施工，2007年2月6日通过一期下闸蓄水验收（一期蓄水位355.0m），2007年3月31日下闸蓄水。2008年1月，大坝基本完工，2008年5月通过二期蓄水验收，大坝开始正常蓄水。水库运行至今，库水位于2012年8月3日22时达到最高值386.49m。

施工期间，自动化系统通过本地层的MCU进行人工观测，经资料整编，供设计、施工参考[1]；2008年5月后，大坝监测分站和枢纽监测站分别建成，自动化监测系统形成，开始进行自动化监测。经过多年运行，水库运行正常，坝内应力、应变、坝体变位、接缝开度、坝基渗透压力等监测值均在设计许可范围之内。

8 结语

高店砌石拱坝在坝体内埋设了自动化监测仪器，按照应力计算的多拱梁选择性埋设监测设备，形成了实测值与计算值对比的条件，有利于大坝安全状态的实时监测和分析；大坝自动化监测系统设置了本地级、分站级、枢纽级，可实现多层次的实时监控。大坝经过几年的运行，自动化监测系统运行总体正常，达到了安全监测的预定目标。

[1]王东生、郭士洲.高店双曲拱坝原型观测系统设置及蓄水前观测资料分析[J].江西水利科技，2007年，33卷（2期）.

[2]周斌、侯永红等.江西省铅山县高店水库二期蓄水安全鉴定设计自检报告[R].

[3]熊国文，周干武.江西省铅山县高店水库二期蓄水安全鉴定安全监测自检报告[R].

[4]SL282—2003.混凝土拱坝设计规范[S].

[5]DL/T5178—2003.混凝土坝安全监测技术规范[S].