运行期水库大坝变形监测系统常见问题与改进建议

杨敏刚，李战备，张金杰

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002）

运行期水库大坝变形监测系统常见问题与改进建议

杨敏刚，李战备，张金杰

（葛洲坝集团试验检测有限公司，湖北宜昌，443002）

当前我国已成为世界上水库最多的国家，已有8万余座，大部分水库已经处于运行期。水库大坝作为国民经济重要的基础设施，其安全性备受瞩目。变形监测是大坝安全监测重要的一部分，可以较为直观地反映水库大坝的变形位移情况，但有些水库大坝运行期间，变形监测系统会出现各种问题。文章阐述部分水库大坝运行期变形监测系统出现的问题以及改进方案，以供其他单位参考借鉴。

大坝；运行期；变形监测

1 我国水库大坝运行现状

目前，我国已建成水库近8.7万座，其中包括三峡、丹江口、小浪底等大型水库，也包括建于20世纪50～60年代的小型水库。众所周知，水库大坝作为国民经济重要的基础设施，其安全性备受瞩目。

由于历史原因、三边工程（边勘测、边设计、边施工）等“先天因素”[1]及后期管理不当引起的维护费用不足等，造成了大量病险水库的存在。

许多水库大坝主管单位缺乏专业的监测知识，导致变形监测设施设备在设计、施工及运行期间也遭受不同程度的破坏和损毁，甚至造成监测项目不可恢复的重大损失。

2 常规的变形监测系统及方法

大坝安全监测既是大坝长期安全运行的保障手段，又是工程管理的耳目，在安全运行管理中起着无可替代的关键作用，同时也是大坝实际状况的信息采集和分析评价不可或缺的可靠途径，只有及时掌握大坝运行性态，才能防患于未然，以杜绝溃坝灾难。

（1）水平位移监测：对水工建筑物的顺水流方向或顺轴线方向的水平位移变化进行监测。常用观测方法分基准线法、大地测量方法两大类。

基准线法是通过一条固定的基准线来测定监测点的位移，常见的有视准线法、引张线法、真空激光准直法、垂线法。

大地测量方法主要以外部变形监测控制网点为基准，以大地测量方法测定被监测点的大地坐标，进而计算被监测点的水平位移。常见的方法有交会法、精密导线法、三角测量法、极坐标法、GNSS观测法等。

（2）垂直位移观测：对水工建筑物垂直方向的位移变化进行测量，用以了解水工建筑各个设计监测部位的垂直位移变化情况，从而确定水工建筑随着施工及蓄水等因素变化、基础的沉降抬升情况，从而掌握水库大坝的状态。

常用的方法有几何水准测量方法、三角高程测量法、液体静力水准法、双金属标法、水管式沉降仪法等。

（3）挠度观测：一般用于混凝土坝，以坝体内置的铅垂线（正垂线和倒垂线）为基准，测量坝体不同高度相对于铅垂线的水平位置变化，从而确定坝体的挠曲变化。

（4）裂缝观测：对建筑物产生的裂缝或库岸边坡裂缝进行位置、长度、宽度、深度、错距等监测，以了解裂缝的变化情况。

一般采用丈量方式，可采用检定过的钢尺、铟钢尺等进行精密量距，也可在内部坝块接缝处埋设测缝计，在坝趾和混凝土面板接缝之间还需要埋设三向、双向测缝计，在山体或基础应力较大处埋设裂缝计，用于监测施工缝、周边缝等开合情况。

（5）滑坡及崩岸观测：滑坡体崩岸区应进行定期监测，并进行巡视检查，必要时进行预警，减少突发事件发生时的损失。

一般采用布设水平和垂直位移观测标点进行定期监测，并通过采用测斜管、多点位移计等监测边坡内部深层位移及收敛情况。

3 运行期变形监测系统存在的问题

我国大部分水库大坝目前已处于运行期，然而由于设计不足、维护不当、管理不严、技术落后、安保措施欠缺等，导致变形监测系统存在各种问题。

3.1 设计不足

某些水库大坝在初期勘测设计阶段，由于未考虑到运行期周边市政工程的影响，将部分控制网点、视准线工作基点、水准基准点、水准工作基点等布设在高边坡或公路旁边，以便不遭受人为破坏，也便于观测人员到达。

但部分边坡在电站施工后期，因边坡出现塌方、道路进行拓宽等原因，造成基点及基准点破坏，需要进行测点重建和数据引测。

图1 某水库在运行期平面控制网点失稳Fig.1 Instability of horizontal control points of a reservoir during operation

图2 某电站水准测量基点因施工造成破坏Fig.2 Damage of leveling base point caused by construction of a hydropower station

3.2 维护不当

某些水库大坝监测人员缺少专业的监测知识，运行期间对变形监测设施仪器维护不当，保护措施不到位，导致部分仪器设备失效、自动化系统瘫痪，或存在缺陷却依然采集“正常数据”。

图3 某正垂线系统被渗漏水灌满浮筒Fig.3 Float bowl filled with leak water in a positive vertical system

3.3 管理不严

（1）水库大坝进入运行期后，一般管理单位仅投入较少的人员进行现场管理，安全监测专业技术人员缺失。大量的监测工作需要具备专业技术能力的人员来完成，主管人员经常身兼数职。

（2）监测工作实施过程中极少能按照国家规范、行业标准来执行，导致采集到的监测数据粗差、误差较大，不能满足监测分析要求。

（3）许多变形监测仪器设备需要定期检定，部分电站主管部门监测管理不严，导致监测仪器多年未进行检验、率定，其测量数据可信度不高。

3.4 技术落后

随着社会的进步和技术的革新，安全监测技术也有了很大发展。新仪器、新方法、新软件等一系列新技术的出现，极大地减小了安全监测人员的工作强度，也有利于科学、高效地进行安全监测施工、实施以及最终分析。

部分水库大坝管理方由于资金不足、观念落后等因素，至今仍采用老旧的设备、方法进行安全监测工作，不仅精度满足不了要求，有时受天气影响，甚至无法完成观测任务。

3.5 安保措施欠缺

部分运行期水库大坝管理人员容易忽略安全监测交通道路的建设和保护工作。由于建设期有施工排架，监测便道相对安全畅通。进入运行期后，监测便道只有监测人员在进行例行观测时使用，而运行期监测频次比较低，故管理者在监测道路维护上投入的资源越来越少，导致监测道路荒废，甚至部分爬梯设施被盗被毁，存在极大隐患。

更重要的是由于监测道路隐患导致监测人员无法进行正常的变形观测，从而使运行期水库大坝部分部位监测项目无法获取数据，造成监测盲区，损失巨大。

4 改进建议

（1）建议大坝主管单位及设计单位在水库大坝设计阶段及时联系当地政府及规划部门，索要近十年的规划蓝图，了解库区及所在地今后计划建设的项目，充分考虑这些项目会对运行期变形监测系统造成的影响。通过优化监测设计，增加必要的备用监测设施和监测方法等设计项目，保证运行期变形监测系统各项设施运行正常，为运行期水库大坝变形监测工作提供有力保障。

（2）建议水库大坝管理单位加强专业监测人员培养，掌握必要的监测知识，以便于更好地管理水库大坝安全监测工作。若某些水库大坝主管单位人力资源有限，可以将安全监测服务对外委托给专业的监测单位或者定期邀请安全监测专家指导工作。

（3）建议监测人员应建立全面的变形监测设备台账，掌握基本设备的维护保养方法，制定维护保养、量值溯源计划。对技术难度较高的维护项目，可向仪器厂家寻求技术支持。

对于自动化变形监测系统，部分电子元件容易损坏，建议根据损耗频率，适当采购一定数量的备品备件，以保证系统故障时，不至于中断监测。另外，如果接入自动化变形监测系统，应定期进行人工比测，以便及时发现自动化系统出现系统误差或测值漂移等现象，从而对数据进行修正。

对于大坝内部的变形监测仪器，例如多点位移计、测缝计，应定期检查电缆的绝缘度。水管式沉降仪应定期加蒸馏水，更换老化管路和阀门，定期进行管路清洗，寒冷地区还应注意防止水管冻裂。正倒垂线应注意浮筒油量情况，及时增添油，以保证浮标张力。

建议有条件的情况下，对双金属标安装传感器进行电测。每三个月采用精密水准测量进行人工比测。

边坡测斜管应加装特制的保护装置，以避免发生管口堵塞现象。活动式测斜仪导轮应在每次测量结束后进行清洗，并使用特制润滑油润滑轴承，避免发生“卡轮”现象。一些边坡可能会因为前期支护不到位而发生较大位移，导致测斜管内部发生弯曲、测斜仪卡孔现象，应采用专业设备进行拾取，不能贸然蛮力拉拽。

建议对外观监测标点采取责任制进行维护，每年做一次测点标识；强制对中装置应加装保护盖，对中螺丝应定期用润滑油润滑。对于库区征地管理范围外的变形监测点，可采取加强测绘法宣贯或有偿看护等措施进行有效保护。

（4）建议安全监测主管人员把握住变形监测管理重点，即监测数据的真实性、监测数据的可靠性以及监测成果的科学性。

真实性：即在监测工作中应严格杜绝数据造假现象，所有原始数据均应该有据可查，所有现场实测数据均应由观测人员、记录人员和主管领导签字存档。电子数据也应保留仪器导出的最原始数据。可通过抽查原始数据、现场督查旁站等方式保证数据来源的真实性。

可靠性：变形监测数据一般都是通过特定的仪器设备测量得来，仪器设备、观测方法的可靠性直接影响着数据的可靠性[2]。

建议与技术检定单位建立长久有效的沟通机制，每年将读数仪表、全站仪、水准仪、水准尺、温度计、气压计、棱镜、钢尺等测量仪器进行送检，不合格仪器按照实际情况进行维修或报废，以保证变形监测仪器的可溯源性。

测量过程中应严格按照规范要求方法和频次进行观测、重测和补测，使数据符合测量精度要求，保证监测数据的可靠性。

科学性：变形监测数据在处理过程中，应按照规范和标准要求进行修约取位，计算过程应保留备查，采用的计算软件应是国家或行业批准的合法软件，计算成果应归算至正确的方向，便于准确反映水库大坝变形位移情况。

（5）建议组织有效的巡视检查机制，将巡视检查落到实处，检查出来的问题应及时反馈和解决。

毕竟大部分变形监测仪器只是点、线式布置，以局部测点反映整体变形，而巡视检查是最全面、最直观有效的破坏性异常变形监测项目。

巡视检查可采用“智能点检系统”，该系统通过在待巡视点布置一个“纽扣”，巡视检查人员通过网络将巡检路线和任务下载至手持终端机上，然后行至巡检部位通过手持终端机识别“纽扣”，显示巡检部位信息和待巡检，可选择“正常”、“异常”，异常时，可编辑异常情况。巡检结束后，将数据上传至网络，可传至主管领导和发电厂值长，便于运行调度。这一措施可极大地保证巡视检查工作的落实情况，但巡视检查内容、项目、需反馈的信息还需要进一步完善。

（6）建议及时对老旧监测仪器设备、监测手段进行更新改造。

任何电子设备均有一定的寿命，安全监测仪器设备也不例外。许多水库电站进入运行期多年后，仍使用施工时遗留下来的全站仪、水准仪、读数仪表、棱镜等仪器设备，有的甚至已破败不堪，有的即使仪器设备能正常工作，但是电池早已亏损，难以续航。

工欲善其事，必先利其器。建议监测人员及时掌握变形监测仪器设备、软件的使用状态，向主管部门做出准确的设备更新升级计划，高效、准确地做好变形监测工作。

建议在有必要的情况下，大力发展变形监测自动化。可采用安装GNSS、建设测量机器人实时监测测站、内部传感器接入自动采集MCU测站等方法，既可以减小监测人员工作强度，又可保证采集到实时的安全监测数据，便于安全监测工作的科学管理。

（7）建议相关单位相互协调，提供变形监测工作必要的条件和安全可控的工作环境。

做好大坝安全监测的前提是保证监测人员的工作安全，对于监测便道存在安全风险的水库电站，建议相关单位监测主管部门权衡利弊，通过修缮观测便道以及采用GNSS监测、固定棱镜等监测手段，既能保证监测人员的安全，又能保证变形监测数据的延续性。

（8）水库大坝在进入运行期后，外部变形较少受施工、震动及快速蓄水等影响，由于受温度、水位等影响，季节性变化较大。可通过对运行期内位移特征值统计分析的方法，统计测点位移最大值、最小值及当前值与往年同时期测值进行比较，并结合设计允许值进行运行期变形监测数据分析，从而更好地掌握水库大坝运行期的安全状态[4]。

5 展望

我国是一个淡水资源、绿色能源相对匮乏的国家，发展水利水电建设可以有效利用水资源、减少排放，对于国民经济保障、产能结构转换有着至关重要的作用。今后还将有一大批水库电站投入到运行管理阶段，水库大坝变形监测工作不容松懈。

相信通过科学的管理、严谨精细的施工、一丝不苟的维护检查，越来越多的水库大坝变形监测系统会趋于健康、趋于完善。■

[1]李雷.我国水库大坝安全监测和管理[J].水电自动化与大坝监测,2000,24(6)：6-9.

[2]赵花城.运行期大坝安全监测系统评价[J].大坝与安全, 2015(1)：73-76.

[3]王川,杨姗姗,董泽荣,等.GNSS监测系统在小湾拱坝安全监测中的应用[J].水电自动化与大坝监测,2013,37(1)：63-67.

[4]晏卫国,余雷.浪详水电站运行期水库大坝安全监测分析[J].黑龙江水利科技,2012,40(7)：40-41.

作者邮箱：1156809320@qq.com

With more than 80 thousand reservoirs,China has the largest number of reservoirs in the world,most of which are in operation.As an important infrastructure for national economy,the safety of reservoir dams has attracted much attention.Deformation monitoring is an important part of dam safety monitoring,which can directly reflect the deformation and displacement of dam.However,there are various problems with the deformation monitoring system of some reservoir dams during operation.In this paper,these problems and corresponding improvement suggestions are discussed,for reference.

dam;operation period;deformation monitoring

TV698

A

1671-1092（2017）02-0018-04

2016-09-24

杨敏刚（1991-），陕西武功人，助理工程师，主要从事运行期大坝安全监测工作。

Title:Problems and improvement suggestions for deformation monitoring system of reservoir dam during operation period//by YANG Min-gang,LI Zhan-bei and ZHANG Jin-jie//China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.