水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周凌帆

（江西省貴溪市水利局，江西貴溪335400）

水庫(kù)工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周凌帆

（江西省貴溪市水利局，江西貴溪335400）

論文以硬石嶺水庫(kù)為例，對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固中的溢洪道加固、壩體加固等內(nèi)容的安全監(jiān)測(cè)方案的設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析探討，并建立了安全監(jiān)控系統(tǒng)，提高了大壩的安全管理水平。

水庫(kù)；除險(xiǎn)加固；安全監(jiān)測(cè)；自動(dòng)化

1 水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程安全監(jiān)測(cè)的意義及現(xiàn)狀

經(jīng)調(diào)查，當(dāng)前我國(guó)大約有3.2萬(wàn)座水庫(kù)屬于病險(xiǎn)水庫(kù)。到目前為止，其中相繼出現(xiàn)了3549余座潰壩的情況，其中小型水庫(kù)占到了97%，嚴(yán)重影響了人們的生命財(cái)產(chǎn)安全以及當(dāng)?shù)氐慕?jīng)濟(jì)建設(shè)。為降低險(xiǎn)情的發(fā)生率，保證居民的安全，國(guó)家出臺(tái)的“全國(guó)病險(xiǎn)水庫(kù)除險(xiǎn)加固專項(xiàng)規(guī)劃”對(duì)水庫(kù)除險(xiǎn)加固提出了指導(dǎo)意見(jiàn)和實(shí)施措施。在對(duì)水庫(kù)進(jìn)行加固的具體實(shí)施過(guò)程中進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)水庫(kù)進(jìn)行全方位科學(xué)監(jiān)測(cè)，掌握壩體、壩基及滲流等重要部位的安全質(zhì)量，這對(duì)水庫(kù)繼續(xù)投入使用后產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益有著重要的意義。然而由于經(jīng)濟(jì)水平的制約，目前很多中小型水庫(kù)受到資金短缺、技術(shù)設(shè)備落后等各方面條件的影響發(fā)展較為緩慢，因而很難滿足現(xiàn)代水利工程安全監(jiān)測(cè)的要求［1］。加強(qiáng)小型水庫(kù)的安全質(zhì)量監(jiān)測(cè)尤為重要。

2 工程案例

圖1 水庫(kù)主壩斷面圖

硬石嶺水庫(kù)為中型水庫(kù)，位于貴溪市鴻塘鎮(zhèn)何家村，水庫(kù)的集水面積為42萬(wàn)km2，最大壩高18.5m，壩頂高程55.5m，溢洪道高程47.4m，正常蓄水量為4640萬(wàn)m3。水庫(kù)主壩斷面圖如下圖。硬石嶺水庫(kù)現(xiàn)裝有一些壩體安全監(jiān)測(cè)儀器，主要對(duì)大壩的以下項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)控：壩體水平位移監(jiān)測(cè)、垂直位移監(jiān)測(cè)、壩體水位線觀測(cè)、壩基滲透壓監(jiān)測(cè)、大壩排水道和繞壩滲透量的觀測(cè)以及溢洪道的相關(guān)安全項(xiàng)目的觀測(cè)［2］。

部分監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)方法為：采用WI L D T 3經(jīng)緯儀對(duì)水平位移進(jìn)行觀測(cè)，通過(guò)視準(zhǔn)線法進(jìn)行人工監(jiān)測(cè)；選擇水準(zhǔn)測(cè)量法通過(guò)人工觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)垂直位移的記錄；對(duì)壩體浸潤(rùn)線觀測(cè)、壩基滲透壓力觀測(cè)、大壩排水體和繞壩滲流觀測(cè)以及溢洪道堰基滲透壓力觀測(cè)選擇測(cè)壓管觀測(cè)。

通常情況下，水庫(kù)各項(xiàng)目監(jiān)測(cè)所采用的主要是人工方法進(jìn)行，但由于水庫(kù)項(xiàng)目較多，工作量大，數(shù)據(jù)整理工作較為復(fù)雜，采用人工進(jìn)行觀測(cè)可能會(huì)出現(xiàn)一定的誤差，因此相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用加以輔助可有效的避免人工檢測(cè)所存在的弊端，從而使水庫(kù)管理工作更為高效化。

3 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的設(shè)定

按照水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程項(xiàng)目的相關(guān)規(guī)定，安全監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)包含以下基本內(nèi)容，即工程變形現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)、滲流現(xiàn)象的監(jiān)測(cè)、水位監(jiān)測(cè)以及流量監(jiān)測(cè)等內(nèi)容?，F(xiàn)就硬石嶺水庫(kù)除險(xiǎn)加固工程項(xiàng)目為例進(jìn)行探究，在資金滿足條件的基礎(chǔ)上，做好壩體、壩基以及滲流等方面的監(jiān)測(cè)工作。

3.1 滲流監(jiān)測(cè)

滲流監(jiān)測(cè)的主要目的是能準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)出壩體在上、下游水位差作用下產(chǎn)生的滲流場(chǎng)情況。滲流監(jiān)測(cè)的主要內(nèi)容應(yīng)有壩體浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、繞壩滲流監(jiān)測(cè)、基礎(chǔ)滲透壓力監(jiān)測(cè)以及繞閘滲流監(jiān)測(cè)這四方面。滲流監(jiān)測(cè)的主要方法是在監(jiān)測(cè)時(shí)首先要設(shè)置一定的滲流監(jiān)測(cè)區(qū)域，其次在設(shè)計(jì)上要在原測(cè)點(diǎn)周邊重新鉆側(cè)壓孔，然后安裝測(cè)壓孔，最后設(shè)置滲壓計(jì)。

3.2 變形監(jiān)測(cè)

要使監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)保持一定的不間斷性，硬石嶺水庫(kù)變形監(jiān)測(cè)要遵循一定的原則，即原壩體與溢洪道變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)要設(shè)置到位。

（1）水平位移監(jiān)測(cè)措施。通過(guò)全站儀實(shí)現(xiàn)對(duì)水平位移的監(jiān)測(cè)工作，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析后可獲得各測(cè)點(diǎn)的水平位移量。

（2）垂直位移監(jiān)測(cè)措施。使用水準(zhǔn)儀與測(cè)尺等測(cè)量工具，順著壩兩岸起測(cè)基點(diǎn)與壩上各位移標(biāo)點(diǎn)的方向進(jìn)行測(cè)量，嚴(yán)格參照國(guó)家三等水準(zhǔn)測(cè)量方式進(jìn)行監(jiān)測(cè)，誤差控制在1.4m m以下。

3.3 溫度監(jiān)測(cè)

在對(duì)水利項(xiàng)目所監(jiān)測(cè)的各項(xiàng)內(nèi)容中，對(duì)壩體內(nèi)部溫度的監(jiān)測(cè)是不容忽視的一項(xiàng)內(nèi)容。溫度監(jiān)測(cè)的方法是分別在壩面內(nèi)側(cè)等周圍設(shè)置幾只溫度計(jì)，對(duì)壩體表面溫度、壩體自身溫度以及壩基溫度進(jìn)行準(zhǔn)確觀測(cè)，可多放置幾只溫度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，以減小測(cè)量誤差。以上所列舉的觀測(cè)點(diǎn)都應(yīng)接入D A U數(shù)據(jù)采集單元，并歸入自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。

3.4 溢洪道閘墩應(yīng)力觀測(cè)

為了能夠更為直觀的熟悉與掌握溢洪道閘墩在一側(cè)水壓力以及弧門推力作用下的應(yīng)力分布，觀測(cè)人員可在基面閘墩迎水側(cè)的支座下部，分別設(shè)置兩組三向應(yīng)變力，從而可以準(zhǔn)確、快速的了解截面的受力情況。

3.5 溢洪道閘門上、下游水位觀測(cè)

溢洪道閘門上、下游水位及水面線內(nèi)容的觀測(cè)可在溢洪道閘門上游閘墩及下游翼墻上用相應(yīng)的記號(hào)筆做好標(biāo)記，實(shí)現(xiàn)對(duì)大壩上、下游水位的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

3.6 流量監(jiān)測(cè)

為了能夠準(zhǔn)確、有效的監(jiān)測(cè)出泄洪流量的多少，觀測(cè)人員可在泄洪洞的左、右兩側(cè)各設(shè)置一套八聲路超聲波流量計(jì)。

3.7 庫(kù)區(qū)水位觀測(cè)

在對(duì)庫(kù)區(qū)水位觀測(cè)時(shí)，可在監(jiān)測(cè)區(qū)域設(shè)置一支水位計(jì)，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)的精準(zhǔn)性與高效性。

4 大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)主要組成

硬石嶺水庫(kù)所采用的除險(xiǎn)加固安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要選取的是分層分布式結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)主要由傳感器、監(jiān)測(cè)分站、監(jiān)測(cè)總站、光纜以及安全監(jiān)測(cè)管理軟件組成的一個(gè)完整體［3］。在該系統(tǒng)中，監(jiān)測(cè)總站主要位于樞紐中控室內(nèi)，監(jiān)測(cè)總站由監(jiān)測(cè)服務(wù)器、監(jiān)測(cè)工作站、打印機(jī)以及電源等設(shè)備組成。監(jiān)測(cè)總站的主要職責(zé)是對(duì)各分站所獲取的數(shù)據(jù)等進(jìn)行仔細(xì)分析與處理后將其準(zhǔn)確輸出以及進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布等，對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)以及相關(guān)參數(shù)等資料都應(yīng)將其放入指定的數(shù)據(jù)庫(kù)中，從而實(shí)現(xiàn)資源的全面共享。在這里要強(qiáng)調(diào)的一點(diǎn)是系統(tǒng)管理員自身可對(duì)監(jiān)測(cè)服務(wù)器上的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置與操作，而其他人員只能通過(guò)權(quán)限設(shè)置在相關(guān)局域網(wǎng)內(nèi)對(duì)所獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢與監(jiān)視。

4.2 系統(tǒng)主要作用

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主要作用有：①具有一定的檢測(cè)數(shù)據(jù)采集作用；②具有系統(tǒng)操作與顯示作用；③具有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)作用；④具有整合信息的作用；⑤可對(duì)大壩安全監(jiān)測(cè)分析進(jìn)行定性評(píng)價(jià)；⑥具有一定的系統(tǒng)防護(hù)與自檢作用；⑦具有人工接口的作用。

4.3 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)具有如下功能：一是可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化反復(fù)測(cè)量；二是能夠進(jìn)行自動(dòng)選點(diǎn)測(cè)量；三是人工測(cè)量。系統(tǒng)一方面必須對(duì)接入數(shù)據(jù)所使用到的全部?jī)x器進(jìn)行系統(tǒng)、全面的測(cè)量，另一方面還需對(duì)專用接口接入人工測(cè)量?jī)x表所專用的某個(gè)儀器進(jìn)行全面測(cè)量，值得注意的是人工測(cè)量與自動(dòng)化測(cè)量應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行［4］。

系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的主要形式有三種：一是人工采集；二是半自動(dòng)化采集；三是自動(dòng)采集。三種數(shù)據(jù)采集方式的選擇應(yīng)用方法如下：

人工采集：人工采集的主要目標(biāo)是一些采用人工方法或是只能通過(guò)人工檢測(cè)的項(xiàng)目，通過(guò)人工采集這種方式所獲取的數(shù)據(jù)，都應(yīng)該及時(shí)輸入相關(guān)安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)中，以防數(shù)據(jù)丟失。

半自動(dòng)采集：在施工階段或是自動(dòng)化運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)，操作人員可通過(guò)監(jiān)測(cè)儀現(xiàn)場(chǎng)直接進(jìn)行讀數(shù)，待全部數(shù)據(jù)記錄完畢后可轉(zhuǎn)入安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)中。

自動(dòng)采集：自動(dòng)采集主要是針對(duì)一些可進(jìn)行自動(dòng)采集的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，操作人員只需在監(jiān)測(cè)工作站提前將采集參數(shù)設(shè)置到位，然后可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)媒介等對(duì)所取得數(shù)據(jù)進(jìn)行采集并最后傳輸?shù)奖O(jiān)測(cè)中心站的數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4.4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸

大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)信息主要是通過(guò)光纖這一媒介進(jìn)行傳輸?shù)?，而信息通訊管理主要是由無(wú)線通訊以及局域網(wǎng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的，信息通訊管理可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的作用，可完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的管理模式，不需要相關(guān)人員的指導(dǎo)，所有的觀測(cè)點(diǎn)都能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化清楚明了的監(jiān)測(cè)。

4.5 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件主要是把水利專業(yè)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖形等高科技方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定、持續(xù)的運(yùn)行。該系統(tǒng)軟件的優(yōu)點(diǎn)是：一是可操作性強(qiáng)；二是安全可靠；三是便于維護(hù)與管理。該系統(tǒng)軟件還具有在線和離線數(shù)據(jù)管理和分析處理的功能，一方面在數(shù)據(jù)的更新、檢索以及打印等方面都

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10.3969/j.i s s n.1672-2469.2015.09.035

周凌帆（1979—）女，工程師。