抽水蓄能电站弃渣场自动化监测设置研究

张建龙，刘殿海，王 珏，程亚男，徐亚楠，田 侃

（国网新源控股有限公司抽水蓄能技术经济研究院，北京市 100761）

0 引言

通常情况下，抽水蓄能电站的上、下水库均是利用自然地形开挖形成的，发电厂房及输水系统均为地下工程，因此，抽水蓄能电站建设过程中一般会产生大量的弃渣，弃渣场也因此而生，并成为抽水蓄能电站重要的施工辅助工程。然而，由于弃渣场规模大，数量多，且结构疏松，容易在降水、大风和重力作用下发生侵蚀，因此，成为引发水土流失的主要来源，成为抽水蓄能电站建设、运行期间的重大安全风险源[1-2]，如2015年12月20日发生的深圳市光明新区渣土场特别重大滑坡事故。因此，对弃渣场开展日常安全监测是非常必要的。

近期针对我国17个抽水蓄能电站共48个弃渣场的运维情况进行了调研，结果如图1所示，可见，有13个弃渣场在后期运行中出现不稳定情况，并投入专项资金进行维护，约占总量的31%；面对这种不稳定风险源，而仅有3个弃渣场有监测设施，其余电站均无监测设施。

图1 弃渣场运维情况统计[2]Figure 1 Operation and maintenance statistics of spoil area

另在本次调研中，就弃渣场自动监测的必要性与各电站进行了沟通交流，各电站均反映，目前各电站弃渣场基本上均未设监测设施，日常以现场巡检为主要检查手段，方式单一，无法及时发现拦渣坝变形情况，强烈建议在后续电站弃渣场建设中埋设、布置可靠的监测仪器，接入自动化系统。

1 抽水蓄能电站弃渣场自动化监测的任务与作用

1.1 弃渣场监测的任务与内容

弃渣场稳定性监测的主要任务就是确保渣场安全，通过监测数据反演分析边坡稳定性机理及其物理力学的分布特征；同时积累丰富的资料，作为工程其他部位设计和施工的参考依据。根据《生产建设项目水土保持监测规程（试行）》（办水保〔2015〕139号，以下简称《规程》），弃渣场的监测内容包括渣场的数量、位置、方量、表土剥离、防治措施落实情况等。除《规程》规定的监测内容外，还应对弃渣施工方式、堆渣边坡情况、防治措施效果等开展监控。在弃渣场关键部位（具体部位可根据在日常运维过程中发现的有裂缝、滑坡等部位设置）增加自动化监测和视频监控[3]，一方面可提前发现异常情况，另一方面在极端天气情况下可做好预警，提前通知下游人员，做好人员设备转移，确保安全。如某抽水蓄能电站2018年对上水库坝脚渣场左侧边坡进行整体护坡处理。确保拦渣坝边坡结构牢固，防止坝脚渣场出现位移、变形等安全隐患，保障渣场安全稳定运行。电站根据现场实际情况，布设排水沟、排水管等排水设施，并在渣场装设监测设施，测点建成后并入上库变形观测网进行观测。通过监测仪器数字化的手段及时掌握渣场的位移、变形，以及通过排水设施的装设及时排除渣体的渗水、积水，保障渣场安全稳定运行。

1.2 弃渣场监测作用

渣场监测内容应根据渣场等级、失事危害程度、渣场布置等因素确定，并纳入工程整体监测范围。渣场监测断面或监测点设置应根据渣场布置、稳定分析、地形地貌等因素确定，监测设施宜采用自动化设备，并设置监测通道。对渣体边坡工程实施监测的作用在于：

（1）边坡监测可获得更充分的现场资料和边坡稳定性发展的动态，从而圈定边坡的不稳定区段[4]。

（2）通过渣体边坡监测，确定不稳定边坡的滑坡破坏模式，确定不稳定边坡变形和滑移的变化规律，为采取必要的防护措施提供重要的依据[4]。

（3）为渣体边坡的稳定性分析和安全预警提供重要依据[4]。

2 弃渣场的监测方法

弃渣场边坡稳定性监测系统包括仪器安装、数据采集、传输和存储、数据处理、预测预报等。稳定性监测应采用先进和经济实用的方法技术。监测内容一般包括：地表大地变形监测、地表裂缝位移监测、边坡内钻孔倾斜仪变形观测、边坡裂缝多点位移计监测、边坡深部位移监测、地下水动态监测、孔隙水压力监测等[4]。

（1）地表大地变形监测是边坡监测中常用的方法。采用全站式电子测距经纬仪、水准仪以及GPS自动化遥测系统等测量仪器，用以监测了解边坡体的水平位移、垂直位移以及变化速率。

（2）地下水动态监测是了解地下水位、水压的变化，以进行地下水孔隙水压力、动水压力及地下水浸润线的观测。

（3）边坡深部位移监测是监测边坡体内部变形的重要方法，采用钻孔伸长计和倾斜仪了解边坡深部的位移情况。

2.1 渣场地表位移观测方法

（1）应用几何测量方法进行渣场变形与位移观测；在渣场平台及边坡上埋设观测点，采用经纬仪和水准仪分别对观测点的水平位移和垂直位移进行定期观测。这种常规测量方法的精度较高，但是外业和内业工作量较复杂。

（2）应用高精度红外线测距仪，全站式光电测距经纬仪代替常规的钢尺量距，三角高程和一般经纬仪导线网测量，可以提高观测精度和工作效率。

（3）应用立体摄影经纬仪监测渣场大面积位移，当渣场表层位移量大时，摄影测量可能达到实用的精度。同时，它的外业工作量大量减少，内业计算和成图可以自动化。

2.2 渣体边坡内部位移监测

边坡深部位移监测是监测渣场边坡内部变形和潜在滑移面位置的重要手段。传统的地表测量具有范围大、精度高等优点；裂缝测量也因其直观性强、方便适用等特点而广泛使用，但它们不能测到渣体边坡岩土体内部的变化；而深部位移测量可以了解边坡深部，特别是滑动带的位移情况[4]。内部位移监测手段目前使用较多的有钻孔伸长仪和钻孔测斜仪。

（1）在渣场和地基岩层内部安装多点位移计和长距离发送信号的位移传感器（无线传送）可以高精度遥测渣场边坡内部测点的变形，也可以在渣场边坡面设置 GPS点位自动观测站，做到自动监测和滑坡预报。

（2）安装水压计进行渣场及地基孔隙水压力的观测，可以预测基底承载能力和边坡稳定性状态。

2.3 渣场自动化监测

常规导线测量的观测方法对于渣场稳定性的监控数据精度不足以满足位移预测分析的需要，尤其采用人工观测方法，往往观测频度不够，观测数据较为分散，对于地下水的变化和地下水位线观测等难于得到连续而自动化的观测数据，故难以满足渣场滑坡位移预测分析的需要，使得渣场安全管理存在不确定性和潜在风险。

渣场稳定性的自动化监测系统组成和监测目标包括整体监测系统、GPS表面变形监测系统，以及电脑监测软件系统。观测站采用的仪器设备包括GPS卫星坐标自动观测系统，钢丝（含玻璃纤维线）伸长计、钻孔倾斜仪、钻孔水压计、振弦式渗压计、应力应变计、浮子式水位计等。

自动监测系统的监测目标是保证在任何气候条件下，能在现场及时采集浸润线数据、渣体内部位移数据、降雨量数据、渣体表面水平位移和坝体沉降数据；电脑监测软件系统，可及时地对有关数据信息进行自动采集、存储、加工处理和输入输出，可以利用安全监测数据和各种安全信息对渣体活动性态做出初步分析判断和报警，能对坝体的安全监测资料进行整编分析，生成有关报表和图形，并可通过网页浏览和发布，做好渣场安全运行和管理工作。

渣场监测宜根据原始地形、地貌、地下水位线选取典型监测断面，采取自动化监测手段，减少人力成本，降低安全风险。

3 典型案例

本文以福建某抽水蓄能电站1号弃渣场边坡自动化监测[5]进行分析。

3.1 自动化监测系统的布设

边坡自动化监测系统由3个子系统组成，即深部位移监测子系统、地下水监测子系统、雨量监测子系统，监测内容为边坡土体深部位移、地下水位变化、降雨量等（见图2、图3）。边坡自动化监测系统可以监测水电站渣场堆填体变形数据以及边坡渗流场变化情况，并对边坡滑移方向、滑移变化速度、滑动面位置进行监测，得到变形与渗流场相互作用情况，从而对边坡安全进行分析评估。

图2 自动化监测系统技术框架图[5]Figure 2 Technical framework of automatic monitoring system

图3 监测设备布设示意图[5]Figure 3 Schematic diagram of monitoring equipment layout

边坡自动化监测系统包括深部位移自动化监测子系统、地下水监测子系统、降雨量监测子系统。

深部位移自动化子监测系统是以柔性测斜仪进行监测，地下水监测子系统是以渗压计进行监测，而雨量计则承担降雨量监测子系统的功能。

根据电站1号弃渣场特点，选取了3个位置进行深部位移自动化监测，分别是CX1、CX2、CX3。基站的放置位置需考虑到太阳能使用，且与3个孔位相距不宜太远，经过综合考虑，地表监测设备放置在钻孔 CK2 附近。

3个渗压计放置于3个测斜孔内，安装顺序先于柔性测斜仪。柔性测斜仪与渗压计放置于同一个孔内，安装顺序上是渗压计优先。渗压计放置于孔底后，进行填砂处理，使得柔性测斜仪能够在制定位置上进行放置。鉴于柔性测斜仪价格昂贵，本项目选购是3个长度10m的柔性测斜仪，选取的柔性测斜仪固定点位置是入岩4m位置，柔性测斜仪放置完毕后，仍进行填砂处理，以便固定柔性测斜仪于测斜孔内，达到同步变形的效果。随后进行灌水处理，使得沙子可以随重力下降，避免产生测斜仪孔部分位置中空现象，影响测量数据异常。现场照片见图4。

图4 现场照片Figure 4 The scene photos

本次采用的柔性测斜仪有如下特点：

（1）自动化程度高，通过外网，可远程、自动化采集和处理数据。

（2）变形测试范围大，可测试10m长度范围内渣体的位移和变形。

（3）不仅可以测试顺坡面方向位移，还可以测试平行于坡面方向的位移。

（4）测斜仪有4m长位于中风化基岩中，理论上位于基岩中的测斜仪无任何方向的位移，可以用来作为基准校核其余6m长度的位移。

（5）地下水位、降雨量测试和渣体变形同时监测，即监测系统可以同时接收到的监测信息包括：3个柔性测斜仪收集的深层水平位移；渗压计收集的地下水位变化；雨量计收集的降雨量。

（6）监测设备维护要注意防治蚂蚁对传输线路的破坏，本次踏勘发现现场数据采集和传输箱内蚂蚁聚集，可能会损坏设备[见图4（c）]，后续类似项目野外设备要考虑和做好密封和防虫处理。

3.2 自动化监测数据分析评估

监测数据采集、传输均为自动化，可通过外网无线收集处理，通过对接收到的监测信息进行处理来对边坡进行稳定性评估。

监测系统于2019 年3 月20 日初始值设定后便持续采集监测信息，开始采用的监测频率为每小时采集一次数据，监测获取信息经过“某抽水蓄能电站安全监测信息处理系统”以图表形式表示，鉴于监测频率过高，该处理系统中数据以“日”为单位显示变化情况。

3.2.1 位移监测成果

根据监测成果，监测周期内总位移相对变化量较少，最大不超过1mm，考虑到监测设备的精度和误差等，就变形监测而言，弃渣体处于稳定状态。

3.2.2 地下水位

监测期内地下水位的变幅有如下特点：

（1）DXS1 渗压计埋设于CX1 孔内，初始值读数为79.35kPa，可见在监测周期内，水位一直处于上升趋势，最高上升了1.94m，这和CX1钻孔所处的位置可能有关。钻孔CX1位于斜坡段，且高程较低，可能受渣体内地下水潜在排泄的影响，弃渣受大气降雨影响，下渗和运移的地下水对CX1钻孔处的水位可能有一定的补给作用，故地下水位不断抬升，见表1。

表1 DXS1水位变化情况汇总表Table 1 A summary table of changes in water levels for DXS1

（2）DXS2 渗压计埋设于CX2 孔内，初始值读数为144.78kPa，根据表2进行分析，地下水水位变化幅度不及CX1显著，但一定程度上表明，虽然弃渣体透水性较差，但是CX2钻孔底部的地下水仍然受周边地下水的影响。

表2 DXS2水位变化情况汇总表Table 2 A summary table of changes in water levels for DXS2

（3）DXS3 渗压计埋设于CX3 孔内，初始值读数为87.93kPa，由表3分析可知，监测期内地下水水位均低于初始水位，和钻孔中原始水位相比，5月28日最大高度差可达1.3m，但6月19日水位又回升显著，和原始水位仅差0.17m。CX3钻孔位于弃渣场的平台地区，地下水位变化可能和渣体表面大气降雨入渗渣体有关。

表3 DXS3水位变化情况汇总表Table 3 A summary table of changes in water levels for DXS3

3.2.3 降雨量监测数据分析

从2019 年3 月20 日到6 月10 日的雨量变化趋势见图5，可以看到，5月1日降雨量最大，雨量达到6.8mm。3月23日雨量达到2.6mm，6月2 日雨量达到2.0mm。

图5 雨量变化曲线[5]Figure 5 Rainfall curve

地下水水位的变化和降雨量有一定的相关性，且明显滞后于降雨量的变化，这一规律也符合混杂堆积体—弃渣体中地下水的渗流和运移特点。

4 结论和建议

综上所述，弃渣流失具有形式多样、失稳后强度变化大、危害大等特点，因此，埋设自动化监测设备是非常必要的，特别是在极端天气情况下，正是弃渣场发生稳定风险的关键时间[6-7]。通过自动化监测设备可实时获得渣场的情况，为安全事故的发生起到很好的应急预警作用。建议新建抽水蓄能电站在设计时就考虑监测设施的布设，观测和监测设施尽可能采用先进可靠的自动化采集设备。已运行电站，建议在弃渣场运维期间投入专项资金改造现有渣场的监测监控设备，确保安全生产稳定运行。