土石坝安全监测系统应用研究

土石坝安全监测系统应用研究

马丽莎

深圳市东部水源管理中心 广东深圳 518000

摘要：清林径引水调蓄工程大坝安全监测系统包含安全监测数据采集装置、GNSS自动监测和土建三部分内容，其中数据采集装置包括各传感器和测控单元等组成。系统选用分布式数据采集系统（即分散采集、集中管理的结构形式）。分布式数据采集系统主要具有较好的可靠度、通用性、组态灵活、安装简便、抗干扰性能强等优点，能保证监测数据的连续性。系统具有一定的扩展性，可根据工程需要随时组建和扩充，而且工程费用较为合理。

关键词：土石坝 安全监测 应用研究

一、工程概况

清林径引水调蓄工程中调蓄水库总库容1.86亿m³。依据《水利水电工程等级划分及洪水标准》，本工程为Ⅱ等，属大（2）型工程，主要建筑物包括水库大坝、溢洪道及输水隧洞等，级别为2级，其它为次要建筑物，级别为3级。

二、大坝安全监测的主要内容

根据《土石坝安全监测技术规范》（SL551-2012）、《溢洪道设计规范》（SL 253-2000）的要求，结合本工程的等级和实际情况，设立巡视检查、变形、渗流、水文气象监测及专项监测项目等。

变形监测的内容包括监测1＃～11＃坝和溢洪道的表面变形和1#、2#、6#、7#、9#、10#坝的内部变形。1＃～11＃大坝参数情况见下表：

1＃～11＃大坝参数统计表

渗流量监测的内容包括监测1＃～5#和7#～11#号坝（6号坝下游垭口地面高程80m高于正常水位79.0m）和坝基渗透压力、坝体渗透压力、绕坝渗流等。

水文气象监测包括上下游水位，气温监测等，为避免重复投资，该部份引用水情自动化测报系统的数据，不再另外设置监测设施。

三、监测设施布置

监测设施布置主要从表面变形监测、内部变形监测和渗流监测三个方面统筹考虑。

（一）表面变形监测

表面变形包括竖向位移和水平位移。根据规范“坝长大于300米时，宜取50～100m”的要求，设计横断面间距视各坝段的实际长度和坝高情况在100m范围内分别设置。横向观测断面选在“最大坝高、合龙段、地形突变处、地质条件复杂处和坝内埋管处”。每个横断面布置3～4个测点，这些测点分别位于上游正常高水位与坝顶之间、下游坝肩、下游坝坡1/2坝高（马道）、坝下游面1/3坝高或坝脚处排水棱体上游侧（马道）。为保证下游面纵向测点在一条平行坝轴线的直线上且位于同一高程，在施工过程中应根据对应坝高予以调整。水平位移和垂直位移测点设置在同一个观测墩上。本次设计断面布置的总体原则是根据规范有关要求结合地形地质情况，并尽可能与渗流监测断面结合。各大坝的横断面选定如下：

1号坝为粘土心墙坝，坝顶长度309.80m，最大坝高34.6m；选取0+075、0+147、0+187、0+255等4个变形监测横断面。

2号坝为粘土心墙坝，坝顶长度755m，最大坝高46.8m, 选取0+130、0+145、0+160、0+280、0+365、0+380、0+395、0+410、0+425、0+440、0+530、0+597、0+612、0+627等14个变形监测横断面。

3号坝为均质土坝，坝顶长度55.0m，最大坝高6.2m, 选取在0+040布置变形监测横断面。

4号坝为粘土心墙堆石坝，坝顶长度111.5m，最大坝高14.0m, 选取在0+024和0+060布置变形监测横断面。

5号坝为均质土坝，坝顶长度54m，最大坝高6.3m；选取0+026、0＋042、等2个变形监测横断面。

6号坝为均质土坝，坝顶长度235.m,最大坝高30.0m。选取0＋090、0＋128、0＋183等3个变形监测横断面。

7号坝为均质土坝，坝顶长度163.5，最大坝高20.6，选取0+020、0+049和0+84等3个变形监测断面。

8号坝为均质土坝，坝顶长度132、最大坝高14.51。选取0＋020、0+050、0+080等3变形监测横断面。

9号坝为厚心墙土石坝，坝顶长度290、最大坝高34.4、选取0+060、0+110、、0+130、0+160、0+205等5个变形监测断面。

10号坝为分区土石坝，坝顶长度306 m，最大坝高33m，选取0+087、0+114、0+178、0+240、0+259等5个变形监测断面。

11号坝为均质土坝，坝顶长度46.3m，最大坝高4.0m, 选取在0+021布置变形监测横断面。

溢洪道右侧布置3个位移监测点。

水库大坝共计布置43个表面变形监测横断面，设置表面变形位移标点160个，基点72个（含工作基点和校核基点）。

（二）内部变形监测

本工程坝高≥20m的大坝包括1号、2号、6号、7号、9号和10号共6座大坝，按规范SL566-2012要求，需进行坝体内部变形监测，其余坝高小于20m的低坝按3级建筑物考虑。本设计选择坝高较大、地基较复杂的断面和隧洞进出口高边坡作为监测重点。大坝内部竖向位移采用多点位移仪观测，水平位移采用测斜仪观测，隧洞进出口高边坡采用测斜仪观测，断面布置与表面变形监测断面相结合。具体布置如下：

在每个选择断面的坝顶布置1组多点位移计监测大坝内部沉降位移和一组多点式固定测斜仪监测水平位移，测斜管的底部伸入坝基2m或强风化层2m，多点位移计锚头间距约5m。布置的断面桩号如下：

1号坝：0+075、0+147、0+187、0+255

2号坝：0+145、0+280、0+380、0+425、0+530、0+612

6号坝：0+090、0+128

7号坝：0+049、0+084.8

9号坝：0+060、0+110、0+130、0+160、0+205

10号坝：0+087、0+114、0+178、0+240、0+259

3号隧洞进口高边坡：闸室平台高程埋设多点位移计。

（三）渗流监测

渗流监测包括渗流量、坝基渗透压力、坝体渗透压力、绕坝渗流，溢洪道基础扬压力等，渗流断面选择方法与变形监测断面选择方法基本相同，两者监测断面应尽量结合。

渗流监测的目的是为了了解坝体、坝基中的渗流分布情况、帷幕灌浆尤其是漏水部位的处理效果。根据本工程的地质和大坝填筑材料的特点，心墙与防渗墙结合部位的渗流情况采用渗压计监测，其余部位渗流压力采用测压管监测。大坝渗流监测横断面与变形观测横断面相对应，坝体渗流监测与坝基渗流监测相结合，具体布置如下：

1号坝为厚心墙土石坝，选择桩号为0+075、0+147、0+187、0+255 4个渗流监测横断面。每个断面设坝体测压管3根，坝基测压管3根，共计测压管24根，每根测压管配一个渗压计，共计24个渗压计。

2号坝为厚心墙土石坝，选择桩号为0+145、0+223、0+245、0+280、0+310、0+380、0+425、0+530、0+612共9个渗流监测横断面，每个断面布置坝体测压管3根，坝基测压管3根，共计测压管54根，每根测压管配一个渗压计，共计54个渗压计。

5号坝为均质土坝坝，选择桩号为0+026为渗流监测横断面。0+026断面布置坝体测压管3根，坝基测压管1根，共计测压管4根，每根测压管配一个渗压计，共计4个渗压计。

7号坝为粘土心墙坝，选择桩号为0+049为渗流监测横断面。每个断面布置坝体测压管2根，坝基测压管2根。共计布置测压管4根，每根测压管配一个渗压计，共计4个渗压计。

8号坝为均质土坝，选择桩号为0+030、0+0802个渗流监测横断面。其中0+030断面坝体测压管3根，坝基测压管1根；0+080断面坝基测压管1根，坝体测压管2根；共计测压管7根，每根测压管配一个渗压计，共计7个渗压计。

9号坝为厚心墙土石坝，选择桩号为0+060、0+110、0+130、0+160、0+205

5个渗流监测横断面。每个断面布置坝体测压管3根，坝基测压管3根，共计测压管30根，每根测压管配一个渗压计，共计30个渗压计。

10号坝为分区土石坝，选择桩号为0+087、0+114、0+178、0+240、0+2595个渗流监测横断面。每个断面布置坝体测压管3根，坝基测压管3根，共计测压管30根，每根测压管配一个渗压计，共计30个渗压计。

绕坝渗流监测：根据每座大坝两端的地质情况，结合设计处理措施进行绕渗监测设计。具体布置如下：

1号坝两侧山体各布置4根测压管，每根测压管长25米，每根测压管配1个渗压计。

2号坝右侧山体布置7根测压管，每根测压管长25米，每根测压管配1个渗压计；

9号坝的左右山体各布置4根测压管，每根测压管根长25米，共计8根测压管；

溢洪道的绕坝渗流监测：溢洪道右侧布置3根测压管，每根测压管长20米，每根测压管配一支渗压计。

本项目区共计26根绕渗测压管。测压管顺流线布置，深度至少达到天然地下水位下2m。

单薄分水岭：根据大坝之间的山体的地质情况，结合设计处理措施进行单薄分水岭设计。具体布置如下：

本工程单薄分水岭共有5段：1＃单薄分水岭：从2号坝右侧至3号坝左侧，沿着山体布置3排测压管，每排上游侧布置1根测压管，下游侧布置2根测压管，每根测压管配1个渗压计，共计9根测压管，9个渗压计；

2＃单薄分水岭：从3坝右肩至4坝左侧，沿着山体布置2排测压管，每排上游侧布置1根测压管，下游侧布置2根测压管，共计6根测压管，6个渗压计；

3＃单薄分水岭：位于7号坝左侧，在7号坝左侧布置1排测压管，上游侧布置1根测压管，下游侧布置2根测压管，每根测压管配1个渗压计，共计3根测压管，3个渗压计；

4＃单薄分水岭：位于7号坝右岸，在7号坝右侧布置1排测压管，上游侧布置1根测压管，下游侧布置2根测压管，每根测压管配1个渗压计，共计3根测压管，3个渗压计；

5＃单薄分水岭：位于8号坝右侧，在8号坝右侧布置1排测压管，上游侧布置1根测压管，下游侧布置2根测压管，每根测压管配1个渗压计，共计3根测压管，3个渗压计。

由于目前的渗漏情况无法确定，因此初步决定渗流量监测采用分段方式进行，即在坝下游排水棱体后排水沟每隔一定距离设置一个量水堰，分段进行渗流量计算，各坝量水堰具体数量如下：

在1号坝1个，2号坝1个， 4号坝1个，5号坝1个，8号坝1个，9号坝1个，10号坝1个，共计7个。

量水堰位置要尽量与坝体坝基测压管布置相结合，具体位置根据现场情况确定。

四、监测系统结构和监测频次

图：大坝安全监测系统结构图

各阶段的观测频次表

结语：本项目大坝安全监测系统采用基于低功耗无线广域网技术的智能采集技术，大幅度减少坝体开挖敷设大量电缆和无需建设观测房。监测网络由1台或多台无线网关和多个无线终端组成，该采集网络为一最简单的星形结构。依据本项目监测内容及监测设计，本项目自动化监测拟采用4台无线网关，网关选取2#、7#、8#、9#坝段附近地势较高且开阔稳定地带安装。无线采集终端根据具体监测点位布设于传感器附近，如渗压计的可布设在测压管管口处。每只传感器连接一台单通道无线数据采集终端，多点位移计每组可接入1台6通道无线数据采集终端，无线数据采集终端完成数据采集及传输工作。通过对大坝监测系统的应用及数据分析研究，为大坝的安全运行起到了保驾护航的作用。

参考文献：

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[3]胡波,陈军,李新,等.大坝安全监测信息管理 系统设计及应用[J].水电与抽水蓄能,2017,(6).

[4]王婷婷.大坝安全监测中存在的问题及对策[J].智能城市,2017,(12).

作者简介：马丽莎，1987年1月，女，汉族，河南洛阳，工程师，大学本科、学士学位，水利水电工程施工与管理