山口岩水利枢纽工程安全监测设施鉴定技术研究

易智文

山口岩水利枢纽工程安全监测设施鉴定技术研究

易智文

（萍乡市山口岩水库管理局，江西 萍乡 337244）

山口岩水利枢纽工程安全监测系统在运行多年后，仪器逐渐老化，出现失效、测值不稳定不准确等问题，因而不能及时准确地反映工程实际情况。为保证山口岩水利枢纽工程安全监测到位，急需对监测系统进行全面鉴定。文章依据电阻式温度计、振弦式仪器、差阻式仪器、正倒垂线等各类别仪器的特点，介绍了仪器鉴定的现场测试方法、鉴定标准、仪器鉴定结果及优化处理建议等。通过本次仪器鉴定，为山口岩水利枢纽工程后期的安全监测设施运行和管理提供了保障和依据，为工程的安全运营创造了良好的条件。

水利枢纽工程；仪器；鉴定；安全监测系统

1 工程概况

山口岩水利枢纽工程坝址位于江西省芦溪县上埠镇山口岩村上游1 km处，距芦溪县城7.6 km，距萍乡市30 km。是一座以供水，防洪为主，兼顾发电、灌溉等综合利用的大Ⅱ型水利枢纽工程。本工程水库总库容为1.0481×108 m3，年平均日供水量20×104t，电站装机容量12 MW，灌溉面积6746.67 hm2，本工程等级为Ⅱ等，大（2）型工程。

山口岩水利枢纽工程布置了大量监测仪器，形成较为完整的安全监测系统。大坝常规监测项目分为环境量监测、变形监测、渗流渗压监测、温度监测、应力应变监测、开合度监测和钢筋应力监测等项目，坝体各部位布置埋设了单向裂缝计、单向测缝计、单点式基岩变位计、水平位移观测墩、孔隙水压力计、无应力计、五向应变计组、三向应变计组、钢筋计、温度计、正倒垂线系统、三角形量水堰和垂直位移测点等，安装埋设监测仪器共计385支（套）。

大坝内部观测仪器最早的埋设于2009年4月，最晚的也于2013年10月埋设完成。由于该枢纽工程安全监测系统已运行多年，部分监测仪器出现了失效、测值不稳定等现象，既影响了工程的运行管理，又影响了工程管理人员对工程安全性的判断和决策。因此，需要对现有安全监测系统进行一次全面的鉴定以掌握监测系统的运行状况。按照仪器设备不同类型，我们通过对山口岩水利枢纽工程碾压混凝土双曲拱坝、引水隧洞、发电厂房等建筑物的全部安全监测仪器的历史数据进行整理、分析，进行现场检查、鉴定，对监测仪器工况和运行状态进行认定，对监测资料进行初步计算和分析，最终对监测系统作出综合评价，得出仪器鉴定结果及优化处理建议，提出安全监测项目后续实施的建议。

2 仪器鉴定的重要性、依据和方法

2.1 鉴定的重要性

水压力、渗透压力等荷载对大坝的运行具有持续性，渗流、溶蚀、冲刷、冻融等都是损害大坝的因素，随着运行年限的增长，筑坝材料日趋老化，老化病害会对大坝结构的稳定及强度产生影响，大坝运行的安全性和耐久性将受到影响。在大坝运行的全生命周期内，对其变形、渗流、应力应变、环境量等的监测和巡视检查，可以及时发现大坝安全性态恶化的蛛丝马迹和趋势性变化。因此，在运用信息化手段和工具来监控和监测大坝运行全生命周期内的安全性时，监测仪器埋设后是否能够正常工作，能否提供及时准确的监测数据，都决定了能否及时准确对大坝的安全信息进行及时地掌握，监测设备的正常运转是大坝安全监测的先决条件。

经过多年的运行，部分仪器出现损坏、自然失效或测值不太稳定是很正常的情况，为保证后期观测数据的及时性、可靠性和准确性，对监测仪器进行鉴定，找出仪器目前存在的问题，并判断仪器是否能够正常工作以保证数据可靠是非常重要的[1]。

2.2 鉴定方法

仪器鉴定是通过现场对监测仪器进行检查、测试，对监测仪器设施的运行状态和维护情况进行评价。

（1）历年数据分析评价

检查考证施工资料、观测资料以及设计文件、图纸等，复核观测仪器的鉴定资料、观测方法、计算软件及计算方法是否符合规范及设计要求，检查测点过程线图，复核观测报告等。

（2）现场检查、测试

现场检查主要是对监测设施的工作环境、保护情况进行检查，评价监测测点（仪器）的运行状态和维护情况。

针对不同的监测设施采用相应的测试方法，对监测设施的安装质量、工作状态、反映建筑物运行性态的能力等进行反馈。

（3）综合评价

通过历年监测数据对比分析，我们对测点布置、观测成果等内容的质量和可靠性进行鉴定评价，并提出评价意见。

3 现场鉴定及评价

3.1 水平位移监测控制网

坝址区平面监测网由6个点组成，测点为TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6，其中TN1、TN3、TN6三座观测墩分布在左岸，其余测点在右岸，属于二等边角网。水平位移监测控制网布置简图见图1。

图1 水平位移监测控制网布置简图

坝址区平面变形监测网采用1954年北京坐标系，中央子午线为114°，首次观测坐标于2014年4月完成，复测采用二等边角测量进行。

3.1.1 水平角观测

水平角观测仪器为TM50全站仪，采用配套的棱镜作照准标志。作业前对仪器相关项目进行了检定，对棱镜进行归心检查，观测过程中随时注意仪器设备的变化。

水平角观测执行《混凝土坝安全监测技术规范》（DL/5178-2016）中边角网观测的操作规程，采用全圆方向观测法观测9测回，利用有利观测时间，在两个时间段内的水平角观测，阴天情况下在两个同午时间段内完成。观测时完成每组，用测伞遮住仪器，避免太阳光直射，并随时注意气泡的变化。

作业要严格执行DL/5178-2016规范中边角网观测的各项限差要求。作业前将各项限差编入程序传入全站仪，仪器在观测过程中自动观测，自动记录，并自动控制各项限差。

3.1.2 边长观测

边长测量采用标称精度为±0.6mm+1ppm的TM50全站仪施测，每条边观测两个时间段，进行异午、往返观测；每个时段观测4个测回，每测回读数4次；阴天观测时，少量边在同午时间段完成。

边长观测时，精确量取仪器和棱镜高度，测前和测后读取温度、气压，温度计、气压计均置于与棱镜同高的通风处，并避免阳光直射。所用的通风干湿温度计、空盒气压计等气象仪表均经过法定计量部门合格检定。

3.1.3 评价意见

通过对各控制网往年监测数据的收集及复算，复算结果比较成功较差很小，验算数据正确，验算结果符合规范要求；观测成果采用正确；坝址区水平位移监测控制网布置6点，目前各网点均可正常观测；历史复测报告表明，水平位移监测控制网实测精度基本满足要求。

3.2 垂直位移监测控制网

垂直位移监测控制网由3个基准点（TN1、TN3、TN6），坝顶及公路旁9个变形点（W8、W15、W16、W17、W18、W19、W20、W21、W22），进水口3个变形点（W23、W24、W25）三个部分，组成四个闭合环。

垂直位移监测控制网采用1985年国家高程基准，首次观测坐标于2014年4月完成，复测采用二等精密水准测量进行。观测中各项规定和限差执行《国家一、二等水准测量规范》中二等水准观测精度要求控制。

水准测量使用1台自动安平电子水准仪DNA03、1副3 m铟钢带条码标尺进行观测，标尺的转点使用6.5 kg的铸铁尺台，用力压实在路面上，并用扶杆将标尺支撑稳定。观测时间为北京时间约上午7时20分～11时00分，下午约14时30分～18时00分左右。观测过程中严格执行国家规范规定的操作程序。

位于垂直位移监测网路线附近的水平位移监测网观测墩，纳入水准网水准线路进行观测；位于坝顶、进水口和公路旁的表面变形监测点垂直位移（W8、W25、W24、W23、W22、W21、W20、W19、W18、W17、W16、W15）采用二等水准观测，其余边坡表面变形监测点由于水准测量无法到达，则采用测距三角高程法进行观测。三角高程路线中垂直角用TM50测量机器人进行观测，每条边对向观测各9测回。

通过对各垂直控制网往年监测数据的收集及复算，历史的复测报告表明，垂直位移监测控制网实测精度基本满足要求，垂直位移监测控制网各网点均较稳定。

3.3 正、倒垂线测点

在大坝0+141.323、0+212.724、0+070.494桩号断面处各设1根垂线，山口岩大坝采取正、倒垂线结合布设的形式，连接处位于▽195.0 m高程的廊道内。大坝左右垂线在▽195.0m、▽220.0 m高程廊道处各设1个监测点，共设4个测点；拱冠处垂线在▽163.0 m、▽195.0 m、▽220.0 m高程廊道处各设1个监测点，共设3个测点。

图2 正倒垂线布置图

（1）光学垂线坐标仪间隙差鉴定：为检查日常观测用的光学垂线坐标仪性能，在现场对垂线坐标仪的间隙差进行鉴定。现场鉴定时，首先将光学垂线坐标仪放置在垂线观测平台上，对垂线坐标仪进行整平，照准垂线，分别测读纵尺（X）、横尺（Y）向读数；然后分别将X、Y向的丝杆向前推进至量程边缘后，退回，重新照准垂线，分别测读X、Y向读数。鉴定时，观测三测回，每测回均应将仪器重新整置调平。每测回照准垂线两次，并读数。两次读数差不得大于0.2 mm。

从测试结果分析，各垂线坐标仪的间隙差不超过0.2 mm，可用于日常观测，表明坐标仪读数精度较高，测值可信。

（2）通过对垂线线体进行复位差及稳定性测试，将有效的检验垂线的安装质量和抗干扰性。具体做法是：首先在垂线扰动前测读其读数；再将垂线轻轻地向左右岸或上下游方向各推移20 mm左右后松手；等待垂线稳定后，记录稳定后的读数及稳定所需时间。根据工程实际情况确定垂线复位差小于0.3 mm为合格，大于0.3 mm为不合格。

从测试结果分析，各条正垂线工作状态较好，复位差较小，复位差均未超过0.3 mm；倒垂线工作状态良好，复位差均不超过0.3 mm；倒垂线一般在4 min内能恢复稳定，表明各倒垂线的安装质量较好；正垂线的复位时间一般在10 min左右，需要对部分超过10 min的正垂系统进行更换变压器油处理。

3.4 弦式仪器

3.4.1 现场测试

山口岩水利枢纽工程各建筑物中布置钢弦式内部观测仪器孔隙水压力计30支、堰流计4支。

弦式仪器需对频率、温度的稳定性以及电缆绝缘电阻进行鉴定，鉴定方法如下：

（1）按照仪器的要求测读频率和温度。监测仪器在进行稳定性测试过程中，对数据测读3次并记录，每次测读时间的间隔要求在10 s以上。如果在测读过程中遇到仪器测值不稳定、采集模块接口接触不良、电缆芯线颜色与常规不一致、仪器测值异常等现象，就要以文字的形式将出现的问题记录在现场测试表中。

（2）仪器电缆芯线的对地绝缘电阻采用100 V电压等级的兆欧表测量。测试时，电缆芯线与兆欧表的一根导线连接，另一根导线接测站地网或裸露的坝体钢筋。

3.4.2 评价标准

以《钢弦式监测仪器鉴定技术规程》（DL/T1271-2013）6.2现场评价标准[4]为准。

3.4.3 评价结果

（1）经统计，大坝主体工程现场鉴定钢弦式仪器34支，频率、温度测值均可靠仪器31支，频率可靠、温度不可靠仪器2支，频率测值不可靠仪器1支。

（2）将现场测不出有效数据的、过程线变化紊乱、历史数据不明原因中断、观测数据明显超量程的及频率检测不可靠的钢弦式仪器认定为失效。经统计，山口岩枢纽工程钢弦式失效仪器1支。

3.5 差阻式仪器

在山口岩水利枢纽工程各建筑物中，布设了大量的差阻式内部观测仪器。包括无应力计、五向应变计组、三向应变计组、单向测缝计、单点基岩变位计、钢筋计、温度计等各类仪器286支，其中221支仪器全部采用五芯水工电缆连接；65支温度计接长电缆为四芯水工电缆。

3.5.1 现场测试

仪器的电阻比和电阻值通过数字比例电桥测读。监测仪器在进行稳定性测试过程中，对数据测读3次并记录，每次测读时间的间隔要求在10s以上。如果在测读过程中遇到仪器测值不稳定、采集模块接口接触不良、电缆芯线颜色与常规不一致、仪器测值异常等现象，就要以文字的形式将出现的问题记录在现场测试表中。

差动电阻式监测仪器电缆芯线对地绝缘电阻采用500V电压等级的兆欧表测量。测试过程与钢弦式仪器电缆相同[5]。五芯和四芯仪器测量方式参考《差动电阻式监测仪器鉴定技术规程》（DL/T1254-2013），附录A差动电阻式监测仪器测量接线方法说明评价A.1、A.2[3]。

根据测得的各数值计算出正、反测电阻比之积（1－Z×Z′）以及电缆芯线电阻等值，将它们与规定的质量控制指标进行比较，查明仪器是否正常及产生不正常变化的部位。根据测试时测值是否稳定以及仪器绝缘电阻，判断电缆或仪器是否已进水导致绝缘性能降低。

3.5.2 评价标准

以《差动电阻式监测仪器鉴定技术规程》（DL/T1254-2013）6.2现场检测评价[3]为准，但还需要考虑以下几方面的因素：

第一，在埋设前对仪器进行全面的出厂检验及现场检验，对已埋设监测仪器可适当放宽相关技术指标。遵循能使用则尽量继续使用的原则，但必须保证可合理判断建筑物运行性态[5]。

第二，集线箱的各接点内阻不大于0.03Ω，包括内部接触电阻、开关电阻、导线电阻[5]。

第三，电桥的基本误差：电阻比为±0.01%，电阻值为±0.02Ω（参比工作条件为：温度20℃±2℃，相对湿度＜80%）[5]。

第四，仪器的绝缘电阻会影响仪器的测值，且数据采集系统对监测仪器绝缘度也有要求[5]。

第五，监测仪器本身的结构和输出，其总电阻比输出一般在300×10-4以上，以总电阻比输出的1%作为电阻比测值稳定性评价标准之一，即3×10-4[5]。

3.5.3 评价意见

（1）经统计，山口岩水利枢纽工程现场鉴定差阻式仪器284支，电阻比、电阻测值均可靠仪器272支，电阻比测值可靠、电阻不可靠仪器0支，电阻比测值不可靠仪器12支。

（2）将现场测不出有效数据的、过程线变化紊乱、历史数据中断且未恢复、观测数据明显超量程的及电阻比检测不可靠的差电阻式仪器认定为失效，经统计：山口岩枢纽工程差阻式失效仪器17支。

4 鉴定结果及结论

通过对山口岩水利枢纽工程监测仪器进行测试、鉴定，在大坝及基础、边坡等部位共鉴定各类内观仪器359支（套），通过查阅历史资料可知：其中有42支（套）由于施工期打孔灌浆时导致损坏，现场检测无信号；其余317支（套）仪器中，有316支（套）鉴定合格，合格率为99.68%；垂线测点10台，全部合格；外观监测设施26套，全部合格。

各类仪器鉴定结果：振弦式仪器34支（套），正常34支（套）；差动电阻式仪器220支（套），正常218支（套），异常2支（套）；铜电阻式仪器63支（套），正常63支（套）；垂线测点10台，正常10台。

通过现场测试并结合历史观测数据综合分析，山口岩水利枢纽工程共鉴定监测仪器385支（套），正常观测342支，1支停测封存，42支报废。

通过对控制网点TN1、TN2、TN3、TN4、TN5、TN6平面和垂直测值的对比分析计算可知：各测点观测成果与首次观测成果比较均较小，说明测点稳定，变形量小，测量控制点的固定角和固定边满足规范要求。基准控制点的稳定对提高大坝变形监测点的观测精度，为准确预报大坝的安全运行提供了保障[6]。

经鉴定，认为运用于山口岩水利枢纽工程中的监测仪器可以正常工作，仪器目前所取得的测值能够合理地反映山口岩水利枢纽工程在运行中的结构性态变化趋势，在实时掌握工程安全运行性态等方面能起到重要作用，同时可很大程度上影响施工质量的评价及设计的验证。

监测系统经过8~10年的运行，部分监测仪器失效，为获取有效监测数据，必须进一步对工程进行安全评价。建议监测系统应按规范定期鉴定，这既是规范的要求，也是工程安全运行的保证。根据《大坝安全监测系统鉴定技术规范》（SL766-2018）1.0.4[7]，“大坝安全监测系统应定期进行鉴定，系统竣工验收后或投入使用后3年内应进行首次鉴定，之后应根据监测系统运行情况每间隔3~5年或必要时进行鉴定，宜结合大坝安全鉴定开展监测系统鉴定。”

[1] 王刚. 洪家渡水电站运行期内观仪器鉴定[J]. 贵州电力技术, 2016（6）: 15~18.

[2] 张秀丽. 用新理念新技术提升监管水平[J]. 大坝与安全，2015（5）: 7~9.

[3] 差动电阻式监测仪器鉴定技术规程（DL/T1254-2013）[S]. 北京: 中国电力出版社, 2014.

[4] 钢弦式监测仪器鉴定技术规程（DL/T1271-2013）[S]. 北京: 中国电力出版社, 2014.

[5] 赵花城. 已埋差动电阻式监测仪器工作状态评价[J]. 大坝与安全, 2015（1）: 79.

[6] 杨小平. 大坝变形监测控制网布设及其基准控制点稳定性分析[J]. 水利与建筑工程学报, 2010（4）: 130~132 .

[7] 大坝安全监测系统鉴定技术规范（SL766-2018）[S]. 北京:中国水利水电出版社, 2018.

Research on Appraisal Technology of Safety Monitoring System for Shankouyan Water Control Project

YI Zhi-wen

（Pingxiang Shankouyan Reservoir Administration Bureau, Pingxiang Jiangxi 337244, China）

For many years of operation, the safety monitoring system of Shankouyan water conservancy project has been aging gradually, and there are problems such as inefficient, unstable or inaccurate measurement, which failed to tell exactly the situation of the project in time. In order to ensure the safety monitoring of Shankouyan water conservancy project, it is urgent to examine the monitoring system comprehensively. According to the characteristics of resistance thermometer, vibrating wire instrument, differential resistance instrument, positive and negative vertical line and other instruments, the paper introduces the field test method, identification standard, instrument identification results and optimization suggestions of instrument identification. Through this instrument appraisal, it provides guarantee and basis for the future operation and management of safety monitoring facilities of Shankouyan water conservancy project, and creates good conditions for the safe operation of the project.

instrument; identification; safety monitoring system

2020-05-29

易智文（1986—），男，湖北黄冈人，工程师，研究方向：工程管理与技术。

TV698.1

A

2095-9249（2020）03-0018-05

〔责任编校：吴侃民〕