浅谈运行期水库大坝变形监测系统的常见问题与改进措施

闫 鹏

（辽宁省葠窝水库管理局有限责任公司，辽宁 辽阳 111000）

近年来，随着水利工程发展规模的不断扩大，国家对工程质量的要求逐渐提高。为预防大坝变形，工程通常采用变形监测系统对水库的运行期参数进行观察。但就目前的情况来看，由系统设计不合理、参数分析不精确等因素所导致的大坝变形问题仍较为常见，及时弥补系统缺陷已迫不及待。因而，对运行期水库大坝变形监测系统的常见问题进行分析探讨成为当前促进系统优化的首要工作。

1 运行期水库大坝变形监测系统

运行期水库大坝变形监测系统包括人工监测系统、自动化监测系统两种。由于自动化监测系统具有效率高、便利性强的优势，已基本在国内水库大坝变形监测过程中得到普遍应用。自动化监测系统包括“传感器监测系统”、“全站仪TPS监测系统”、“GPS变形监测系统”等多种形式。以“GPS变形监测系统”为例，该系统由GPS卫星、地面基准站等部分构成[1]。GPS卫星可连续采集运行期水库大坝的各项指标，随即通过网络将数据传输至基准站的数据库中，得到观测点的三维坐标，根据三维坐标观测结果判断当前的大坝是否存在变形问题。

2 运行期水库大坝变形监测系统常见问题

2.1 系统设计不合理

系统设计不合理是运行期水库大坝变形监测系统的常见问题之一。对基准网的设计是变形监测系统设计的主要内容，具体设计内容以“点位选择”、“点位埋设”、“数据处理”、“误差控制”等为主[2]。以点位选择为例，因设计人员对水库周边人文环境考虑不周，目前，水库大坝变形观测点位处于高边坡、公路旁的问题时有发生。采用上述设计方式极容易导致系统被人为破坏，对系统性能发挥产生不利影响。

2.2 参数分析不精确

参数分析不精确的问题在运行期水库大坝变形监测系统中同样显著存在，具体体现在“参数计算不准确”、“监测结果分析欠科学”两方面。以监测结果的分析为例，影响运行期水库大坝变形的因素以坝体挠度、双曲拱坝变形体态、裂缝、滑坡等为主[3]。为及时发现大坝变形的风险，需通过回归分析等方式对上述参数的监测结果进行分析，及时发现异常，及时制定相应的方案，对大坝变形进行预防。

3 运行期水库大坝变形监测系统改进措施

3.1 优化系统设计方案

3.1.1 平面位移监测设计

平面位移基准网设计过程中可将点位分为“基准点”、“工作点”两种，前者可采用A1～An的方式表示，后者则可采用C1～Cn的方式表示。为避免土层滑动导致基准点位置发生变化，基准点基础应开挖至基岩部分（深度6 m～9 m）。埋设过程中，应采用C20混凝土及螺纹钢予以浇筑。混凝土具体参数见表1。

表1 平面位移基准网点位埋设参数

变形监测过程中可采用LeicaDNA03全站仪对数据进行测量。以水平角的监测为例，监测采用全圆观测法，通过15个测回测量水平角。

3.1.2 垂直位移监测设计

垂直位移基准网设计过程中可将点位分为“廊道水准点”（采用LS01～LSn表示）、高程控制网点（采用2-01～2-n表示）、金属标（采用BG01～BGn表示）。监测过程中应用不同仪器测量易导致系统参数出现误差。因此，建议采用统一型号的仪器对相关数据进行监测。例如，可统一采用LeicaDNA03电子水准仪进行观测，将误差控制在±0.3 mm/km的范围内，以获得准确的监测参数。监测过程中建议选取3个基准点作为测量点，取其平均值作为测量结果，以提高系统的监测性能。

3.1.3 变形监测点选择

坝体与坝基的变形点选择是否具有代表性，是决定监测结果能否反映运行期水库大坝质量的主要因素，可采用以下方法对监测点进行选择：（1）坝体。首先采用GPS、激光等手段对不同监测点进行测量。在此基础上，选出具有代表性的各个点位，观察点位是否与垂线坝段重合。其次，以水库当地的地质条件为参考，确定最终的观测点，对坝体的变形及挠度进行监测。（2）坝基。坝基变形一般表现为岩体松弛，将监测点设置在拉力及压力最高的区域，以及时发现受压及受拉变形，为坝基稳定性的提高提供保证。

3.2 提高系统数据计算及分析精度

3.2.1 系统数据计算

对平差的计算是系统数据计算的要点，需通过“模型误差判断”“、自由网平差模型的建立”“、平差结果输出”三大流程完成计算过程，具体如下：（1）误差判断。首先将统计检验模型应用到计算过程中对数据的误差进行计算。如误差处于要求范围内，则可建立平差模型。（2）建立模型。以A1为起点，A1～An的重心为基准，建立秩亏自由网平差模型。（3）平差结果输出。模型建立完成后，输出“边长”、“方向”、“测角”、“测距”等指标的数值，观察数据的灵敏度、可靠性，以提高数据计算结果的准确性。

3.2.2 基准网观测结果分析

获得参数计算结果后，有关人员应利用变形监测系统，生成基准网方向观测图。以观测图为基础，分析观测结果。观测图中，通常包括X及Y两大方向，点位众多。生成图像后，需首先明确待分析的点位，继而对该点位X方向的坐标差值、Y方向的坐标差值进行计算。如点位坐标差值＜±2.0mm，则表明该点位变形情况不会对大坝的安全性造成影响，反之则否。

经过计算发现，该工程A1点X方向坐标差值（△X）为-0.95，△Y=-0.38；C1点位△X=-0.10，△Y=0.75；G1点位△X=-0.20，△Y=0.83。分析结果显示，G1点位坐标差值最大，但小于±2.0 mm，表明该点位变形情况不会对大坝的安全性造成影响。

3.2.3 坝体参数监测结果分析

坝体变形、坝体挠度、双曲拱坝变形体态为坝体参数的三项代表。以坝体挠度为例，应设置不同的垂线装置，对挠度进行测试。根据测试结果观察水库的水位与坝体变形的关系。如水库水位较低，受本身重力的影响，坝体极容易沿河向发生挠度变形，导致坝体向上游倾斜；反之，随着水库水位的上升，坝体变形可逐渐改善。如水位过高，则易向下游倾斜。如倾斜量无异常，则表明坝体变形处于安全的范围内，反之，则应及时处理。

4 结语

随着水利水电建设行业的不断发展，大批水库电站投入到运行管理阶段。为了确保水库能够安全有效地运行，为国民经济发展提供保障，水库大坝变形监测工程受到广泛关注。运行期水库大坝变形监测系统能够详细、准确的实现对平面位移、垂直位移的监测，通过对相关参数的计算，可以及时明确坝体变形参数及挠度发展趋势，为评估水库大坝的稳定性提供有力支撑。