新建重力坝自动化安全监测系统设计与应用

张力鹏

(山西省水利水电勘测设计研究院有限公司，山西 太原 030000)

1 工程概况

某在建水库位于山西省境内，水库正常蓄水位为304.50m，死水位为298.00m，坝顶高程为306.50m，正常库容为982万m3，水库总库容为1080万m3，死库容为345万m3，属Ⅲ等中型水库工程。大坝采用混凝土重力坝，最大坝高为31.2m，最大坝宽为34.8m，坝顶轴线长度为180.9m，共分为12个坝段。坝址区地层主要为第四系和侏罗系中下统自流井组(泥岩、砂岩、粉砂岩以及页岩)，未见断层发育，在侏罗系中下统自流井组砂岩中发育有三组裂隙，整个坝址区岩体以弱透水性为主，地表水和地下水对混凝土均无腐蚀作用。坝址区多年平均气温为12.3℃，多年平均年降雨量为876.0mm。

2 安全监测系统设计

2.1 设备选型

为实现大坝运行状态全过程监控，利用计算机、传感器和信息采集处理技术构建大坝运行状态自动化监测系统，该系统由监测仪器系统、监测数据自动采集系统、计算机网络系统和安全监测信息管理系统组成[1- 3]，可实现环境量监测、变形监测和渗流监测，如图1所示。

根据实用性、可靠性、先进性、标准化、经济性和可扩展性的原则，采用TS11全站仪、Sprinter 250M水准仪，LCF- 1强制对中基座以及B- 2水准标志对大坝变形进行监测，采用VWD- 50J振弦式二向测缝计对大坝接缝变形进行监测，采用BGK- 4500SR渗压计对绕坝渗透压力和大坝扬压力进行监测，采用BGK- 4675LV量水堰计对渗流量进行监测，同时采用NCT3000测量控制单元对所有监测仪器进行控制，并将数据进行统计和汇总。

图1 自动化监测系统组成

2.2 系统安装

大坝水平位移监测主要采用强制对中基座和全站仪，监测仪器安装在坝顶、坝肩处，其中包括工作基点2个、校核基点2个、测点12个(每个坝段布设1个)；大坝垂直位移监测主要采用水准标志和水准仪，监测仪器安装在坝顶、坝肩处，其中包括起测基点2个、水准基点3个、测点12个(每个坝段布设1个)；接缝变形监测主要采用两向测缝计，安装在大坝廊道处，共安装7组(分别在②和③、③和④、④和⑤、⑤和⑥、⑥和⑦、⑦和⑧、⑧和⑨坝段分缝处)共计14支；扬压力监测和绕坝渗流监测均采用渗压计，扬压力共布设18个监测点(12个坝段各布置1个，并在坝横0+041.500、坝横0+089.800、坝横0+107.700各布设2个横向观测点)，均在坝基，而绕坝渗流共布设4个监测点(左、右岸各2个)，均在坝肩；渗流量监测采用量水堰计，两组均布设在廊道中(左、右岸各布设1组)[4- 5]。

2.3 监测频率

大坝水平和垂直位移监测频率为1次/月，大坝外部接缝、裂缝变形监测频率为1次/月，大坝内部接缝、裂缝监测频率为1次/月～1次/季，绕坝渗流监测频率为1次/月，渗流量和扬压力监测频率为1次/旬～2次/月[6- 8]。

3 监测成果分析

3.1 表面变形

监测得到的大坝水平和垂直位移基准值情况如图2所示。从图2中可知：靠河两侧的坝段水平位移为正，而中间坝段的水平位移为负，表明中间坝段偏离视准线下游方向，两侧坝段偏离视准线上游方向；由于各坝段接缝的存在，各坝段之间存在一定的高程差；由于工程还未正式蓄水，因此目前表面变形监测值可作为今后大坝变形的基准值。

图2 大坝表面变形监测结果

3.2 接缝变形

不同坝段接缝处的接缝变形量统计结果如图3所示。从图3中可知：接缝最大变形量出现在4号监测点(③和④分缝的4号监测点)，为0.56mm；接缝最小变形量出现在13号监测点(⑧和⑨坝段分缝的13号监测点)，为-0.58mm；平均最大变形量为0.32mm，平均最小变形量为-0.51mm，最大变幅为0.78mm，最小变幅为0.22mm。大坝各测缝计测值无突变现象，变形量较小且均匀，总体上向闭合方向发展；大坝分缝开合度受温度的影响较大，且呈负相关关系，当气温较高时，缝面呈闭合状态，当温度降低后，缝面呈张开状态，因此各测点的接缝变形量最小值均出现在12月—次年2月这段时间。

图3 接缝变形监测结果

3.3 绕坝渗透压力

监测得到的绕坝渗流渗压结果如图4所示。从图4中可知：在4个绕坝渗流监测点中，右岸(3和4)监测点的渗流水位略大于左岸，平均渗流水位分别为291.07、293.91、294.11和294.88m；由于水库目前尚未正式蓄水，河道内水位在290m左右，大坝两侧绕坝渗流主要受地下水位的影响，与河道当前水位基本不相关，待水库正式蓄水后，绕坝渗流会发生相应变化。

图4 绕坝渗流监测结果

3.4 大坝扬压力

18个扬压力渗压计监测结果如图5所示。从图5中可以看到：两侧坝段(1～3监测点、10～12监测点)的扬压力要明显大于中间坝段(4～9监测点)的扬压力；在横向观测断面中，坝横0+041.500、坝横0+089.800、坝横0+107.700的最大扬压力(13～18监测点)基本相等，但最小扬压力和平均扬压力则呈逐渐减小的变化特征，扬压力的变化幅度逐渐增大；河床段扬压力主要受河道水位的影响，而岸坡段的扬压力受河道水位的影响较小，由于目前水库尚未正式蓄水，因而渗压计呈现渗透压力逐渐消散的情况，坝基渗流情况需在正式蓄水后作进一步分析。

图5 扬压力监测结果

3.5 渗流量

量水堰实测结果如图6所示。从图6中可知：水库大坝左岸的渗流量大于右岸的渗流量，且变幅也较大；左岸最大渗流量为0.602L/s，平均渗流量为0.15L/s，右岸最大渗流量仅为0.055L/s，平均渗流量为0.041L/s，左岸平均渗流量约为右岸的3.65倍；由于水库建成时间不长，还未正式蓄水，观测时间较短，渗流量并没有明显规律，但总体来讲，渗流量较小，可以认为坝基渗流正常。

图6 渗流量监测结果

4 讨论

本工程采用的是渗流渗压一体化自动监测设备，可实现对水库变形和渗流的实时监测，由于水库并未正式蓄水，因而地下水位对水库大坝的渗流渗压的影响较大，这也适用于本地区其他重力坝蓄水初期的变形和渗流渗压监测，同时可以推测后期影响渗流渗压的主要因素将是库区水位和地下水位，同时在系统监测过程中不可忽视的一个重要影响因素是降雨，降雨量和降雨频率的升高，必然会导致地区地下水位的上升，在这种情况下地下水位对大坝渗流渗压的影响可能会大于库区水位对渗流渗压的影响，从而对大坝整体抗滑稳定性造成危害，因此，在监测过程中必须重视降雨时段数据的异常情况，设置合理的预警值和报警值，从而避免大坝发生溃坝的风险。

5 结语

利用计算机、传感器和信息采集处理技术，构建重力坝自动化安全监测系统，得出如下结论：

(1)河床段重力坝的渗流渗压主要受库区水位升降的影响，而岸坡段渗流渗压主要受地下水位的影响较大。

(2)大坝分缝开合度受温度的影响较大，且呈负相关关系，当气温较高时，缝面呈闭合状态，当温度降低后，缝面呈张开状态。

(3)左岸的渗流量略大于右岸，前者平均渗流量约为后者的3.65倍，但整体上渗流量均较小，表明坝基岩体较为完整。

(4)由于属于新建水库，还未正式蓄水，监测资料还比较少，部分数据没有表现出明显规律，这将随着进一步的观测而逐渐完善；同时建议后期观测过程中重点关注降雨时段渗流渗压的变化情况。