第１０期 ２０１３年ｌ０月 广东水利水电 ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＷＡＴＥＲ ＲＥＳ０ＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＨＹＤＲＯＰＯＷＥＲ Ｎｏ．１０ ０ｅｔ．２０１３ 黄龙带水库大坝安全监测系统更新改造设计概述 刘 敏，袁明道，张旭辉，刘 洪，宋 鹏 （广东省水利水电科学研究院，广东省水利重点科研基地，广东广州 ５１０６３５） 摘要：为贯彻落实水利部印发《关于加强水库大坝安全监测工作的通知》（水建管［２０１３］２５０号）精神，确保水库安全运 行，针对黄龙带水库大坝安全监测系统存在的问题及工程实际情况，提出了完善和改造方案，现归纳几个要点，以供大 坝安全监测系统的建设或技术改造工作参考。 关键词：水库；大坝安全监测：技术改造 中图分类号：ＴＶ６９８．１ 文献标志码：Ｂ 文章编号：１００８—０１１２（２０１３）１０—００５４—０４ ２０１３年１月以来，我国发生了多起水库垮坝事 黄龙带水库于１９７２年１２月兴建，１９７５年１１月竣 故，造成了巨大损失。为提高管理水平，保障水库大 坝安全运行，水利部印发《关于加强水库大坝安全监 工，是１座灌溉、防洪、发电综合型水库，最大库容 为９ ００３万ｍ ，集雨面积为９２．３ ｋｍ 。主要建筑物： 浆砌石重力坝１座（长１８１．９ ｍ、高６１．３ ｍ）；溢洪道 １处（２扇８ ｍ×７ ｍ弧形钢闸门）；电站２座（总装机 测工作的通知》（水建管［２０１３］２５０号），就加强水库 大坝安全监测工作提出具体要求： 要充分认识加强水库大坝安全监测工作的重要性 和必要性。安全监测是水库管理的重要组成部分，是 为８ ８００ ｋＷ）；输水隧洞２条（大坝至一级电站１９４ ｍ 为有压隧洞，引水明渠冲沙闸至二级电站前池５６６ ｉｎ 为无压隧洞）；引水明渠１条（长８０３ ｍ）。正常水位为 １７５．０１ ｒｎ，相应库容为８ ２８９万ｍ ；死水位为 １３９．９１ ｒｎ，相应库容２４０万ＩＩｌ ；设计洪水位（１００ａ一 遇）为１７５．８５ ＩＩ１，相应库容为８ ６９８万ｍ ；校核洪水 位（１ ０００ａ一遇）为１７６．４４１１１，相应库容为９ ００３万ｍ 。 掌握水库大坝安全性态的重要手段，是科学调度、安 全运行的前提。通过安全监测和资料整编分析，掌握 施工期工程建设质量、运行期大坝安全程度，及时发 现存在的问题和安全隐患，从而有效监控大坝工作状 态，保证大坝安全运行。 要根据工程特点，按现行技术规范要求，建立监 多年平均降雨量为１ ９７７ ｍｍ、入库水量约为１亿ｍ 、 出库水量为９ ５９５万ＩＴＩ 。 ２０１３年５月，现场调查、核查大坝安全监测项 目有： 测资料数据库或信息管理系统，及时整理各监测项目 的原始数据，认真做好大坝安全监测资料整编，确保 数据准确、完整。 近年来，我省也发生了数起水利工程（水库、水 １）变形监测包括：①坝顶（左半坝段）引张线１ 条，５个测点；②坝顶（左半坝段）静力水准１条，４ 个测点；③廊道静力水准１条，５个测点；④监测结 闸、堤围等）重大事故，给我省人民的生命和财产造 成了重大损失。 为贯彻落实《通知》精神，确保水库安全运行，黄 龙带水库管理处委托我院：在查清水库大坝安全监测 存在问题的基础上，针对工程实际情况提出完善和改 构缝开合度的测缝计，５个测点；⑤用于廊道绕度监 测的１个倒垂线测点和２个静力水准测点。 ２）渗流监测包括：①扬压力，１５个测点；②渗 流量，４个测点。 造黄龙带水库大坝安全监测系统方案，使监测项目的 设置和系统软、硬件的功能能够满足现行规范要求。 １现状及存在的问题 １．１大坝安全监测系统现状 收稿Ｅｔ期：２０１３—０８—２３；修回日期：２０１３—０９—２０ ３）应力应变及温度监测包括：①坝体温度，３个 测点；②基岩温度，３个测点。 ４）环境量监测包括：①库水位，１个测点；②降 作者简介：刘敏（１９５８），男，工学博士，教授级高工，武汉大学硕士研究生导师，主要从事水利量测、仪器仪表、自 动控制及安全监测的技术设计、咨询、检测、施工及研发工作。 ・５４・ ２０１３年１０月 第１０期 刘 敏，等：黄龙带水库大坝安全监测系统更新改造设计概述 Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１３ 水量，３个测点；③大气温度，１个测点。 １．２监测系统存在的问题 参照规范及相关技术标准的要求，黄龙带水库大 坝安全监测系统，在系统的完整性、有效性和实用性 要求；部分扬压力传感器严重老化。②设备选型不当， 例如，ＰＬＣ主要用于工业的过程控制，在本工程中用 于闸门的控制比较合适，但不适于大坝安全监测的数 据采集。目前，大坝安全监测行业已有成熟的ＭＣＵ或 方面，存在如下问题： １）系统完整性问题：①缺漏关键项目，例如，两 坝肩漏设绕坝渗流监测项目；坝顶水平位移缺基准， 得不到水平位移的绝对变化量；坝顶垂直位移缺基准， ＤＡＵ产品供用户选择。③坝顶水平、垂直位移监测项 目缺少基准。由于这些原因，现有的安全监测系统的 观测方法及数据，其有效性及系统性存在问题。 ３）系统实用性问题：①数据不完整，因监测系统 存在漏项、监测项目残缺与漏测点、缺少基准、仪器 设备选型不当等问题，使得观测数据不完整、不系统， 不利于大坝的安全评价；②应用软件功能不能够满足 得不到坝顶沉降的绝对变化量。②主要项目残缺、漏 测点，例如，坝顶引张线，５个测点仅布置在左半坝 段，右半坝段未设测点。坝顶静力水准，５个测点也 仅布置在左半坝段，右半坝段未设测点。 要求，未配置和开发相关的数据库、信息处理与分析 软件、安全预警软件等。因此，现有的大坝安全监测 系统实用性较差，软件的功能不能够满足要求。 ２）系统有效性问题：①仪器设备老化、精度差， 例如，结构缝５支测缝计，精度和稳定性不符合规范 ＼ ＿ｌ０－ｌ郴… ＼ 要 口 ｏＨｌ５８结构缝 １／。 舛结／构／缝 ／ ＿ ＿０＋０２２结构缝 且 山，／二Ⅱ］ 二一 ，一一 一／／ ／ 水平位移测点 垂直位移测点 １ ＿二： ｒ ／ ＝： 图１ 黄龙带水库大坝安全监测系统测点布置示意 ２更新改造目标和内容 性态，及时发现异常迹象，有效地监视大坝安全，为 运行管理提供可靠的依据。①系统能够实时、可靠地 ２．１建设目标 总体目标：达到安全监测系统的完整性、有效性 和实用性，使系统具有预警功能。 １）完整性：结合工程实际情况，补充和完善必要 采集到真实的数据；②应用软件能够将采集的数据有 效地应用于工程的安全管理。 ２．２建设内容 的监测项目——建成一个完整的安全监测系统。①不 缺漏关键的项目；②不残缺、不漏测点。 ２）有效性：对现有安全监测系统的基准、监测项 原则：技术先进、科学合理、安全可靠、经济实 用；总体规划，分步实施。 １）补充和完善水平变形监测系统。①增设坝顶水 平位移基准，即两岸坝肩各设置１个倒垂孔，并装倒 目、监测设施及仪器设备，进行补设和改造，使各监 测项目及测点的设置方式、观测方法及数据采集等有 效。①监测项目及测点的设置必须符合规范要求，能 够真实地反映大坝对应于该监测项目及测点的状况； ②观测方法直观、便捷，同时，必须设有人工比测装 置，以便进行测量精度的校核，或自动监测设备发生 垂线。根据黄龙带水库地质情况，主坝左右岸倒垂孑Ｌ 深为３０ ｍ，开孔６１７１ ｍｍ，有效孔径６１００ ｍｍ。倒垂 线采用ＣＷ—ＣＧⅡ型ＣＣＤ遥测垂线坐标仪，并用ＣＧ 一２Ａ型精密光学垂线坐标仪进行人工比测和校正。② 完善坝顶引张线系统，在右半坝段增设５个测点，使 故障时，进行人工补测数据；③各监测项目的观测数 据，必须具有：ａ基准值和初始值、ｂ有互为对应的相 关参数。 ３）实用性：在完整性和有效性基础上，配置和开 其与左半坝段的５个测点连成一个整体，建成一个完 整坝顶水平位移监测项目。 ２）补充和完善垂直变形监测系统。①补设坝顶垂 直位移监测基准，按照规范要求，在坝顶设置１个双 发相关数据库、信息处理与分析软件、安全预警软件 等。使安全监测系统能够全面、准确地反映大坝工作 金属孔，并在孑Ｌ内分别安装钢管标和铝管标；②完善 坝顶静力水准系统，在右半坝段增设５个测点，使其 ・５５・ ２０１３年１０月 第１０期 广东水利水电 Ｎｏ．１０ ０ｃｔ．２０１３ 与左半坝段的５个测点连成一个整体，建成一个完整 坝顶垂直位移监测项目。 ３）更新改造用于结构缝开合度监测的５支测缝 计，使测量精度和稳定性符合规范要求；补设两坝肩的 绕坝渗流监测项目，并更换部分扬压力传感器；ＭＣＵ 或ＤＡＵ取代ＰＬＣ，以适合大坝安全监测的数据采集。 ４）对大坝安全监测系统的软件进行升级改造，使 功能能够满足要求。实现在线监测及数据初步管理， 具有用户管理、单元配置、采集设定、数据采集、数 据浏览、动态报警、数据录入、图形曲线、报表打印、 数据输出等功能。根据原形观测资料，在定性分析的 基础上建立各种数学模型，用以预测、评判建筑物的 工作性态。 ３技术改造的几个要点 ３．１基准点的改造 大坝安全监测系统中，普遍存在变形监测基点设 置的不完整和不科学问题，起不到基准点的作用，使 资料分析及安全评估工作缺少重要的基准值。因此， 应重视大坝安全监测基点的建设或完善工作。 １）水平变形监测基点。准直线的两端和交会法的 工作基点，应设置倒垂线作为校核基准点 ；当受 地形条件制约，视准线校核基准点无法设置时，可采 用倒垂线作为校核基准点［３１。我省的水库大坝，尤其 是中小型水库大坝监测未设置水平位移基点，或把测 点作为基准点，而测点本身是大坝的一部分，受大坝 变形而变化，其客观的条件决定了测点是不能够作为 基准的。倒垂线由于其结构及其工作原理，决定其作 为水平变形基准的合理性和可靠性，而且测量方便， 测值直观、可靠，既可人工测度，也可遥测，便于实 现自动化。 ２）垂直变形监测基点。水准基准点可设在坝下游 １～５ ｋｍ处，基准点宜用双金属标，若用基岩标应成 组设置，每组不得少于３个水准标石，并采用深埋标 志¨ ；水准基点应选择在土石坝下游不受工程变形影 响的稳定区域，设置数量要求不少于３座 。尽管一 些水库在坝下游１～５ ｋｍ处设置了水准标石，但未成 组设置，也没有保护设施，故是不完整的。另外，由 于设置在１ ｋｍ外，引测极为不方便，且误差大。在实 际的工作中，要么未进行引测，要么未按要求进行成 组校核（专业性很强，且复杂）。因此，为了解决垂直 变形监测基点无效性和不实用性，可选择一个倒垂孑Ｌ， 在孔内分别安装钢管标和铝管标，做成倒垂线＋双金 属。江门市锦江水库大坝安全监测系统就采用这种方 ・５６・ 式，一个孑Ｌ同时解决了水平位移和垂直位移基准问题， 不但测量方便、可靠，而且降低了工程造价。 ３．２渗流监测的改造 １）人工比测。渗流，即水库建成后，在上下游水 位差的作用下，水不断通过坝身、坝基、坝肩等向下 游渗透。如果大坝渗流出现异常（变大）情况，应引起 高度重视。土石坝渗流大渗径就会扩大，这将会加大 坝体的淘刷，并引起坝体的沉陷、倾斜与坍塌，最后 导致管涌和垮坝；混凝土坝渗流大，即渗漏大或扬压 力大，可能产生结构破坏或抗滑稳定性变差。因此， 渗流是安全监测最重要的参数之一，按照规范要求， 必须设置人工比测装置。一方面校核和检验自动化测 量设备的测量精度与可靠性；另一方面，当自动化设 备出故障时，可进行人工补测，保证监测数据的连续 性和完整性 。 ２）绕坝渗流。在大坝的渗流监测项目中，普遍未 设置坝肩、坝基绕坝渗流监测测点，使得监测项目残 缺或不完整。绕坝渗流对大坝的安全威胁很大，因此， 渗流监测项目必须完整和有效。 ３．３系统可靠性改造 １）传感器的可靠性。一些水库大坝安全监测系统 选用的传感器不是大坝监测专用或岩土工程专用仪器， 尽管价格低廉，但不适应于水利工程的恶劣环境，常 常失效，可靠性极低。 ２）数据采集装置的可靠性。有不少的水库大坝安 全监测系统采用ＰＬＣ或工业ＲＴＵ进行数据采集，同样 不适应于水利工程的恶劣环境，关键时刻采集不到数 据，监测不到工程的安全状况。例如，东山水利枢纽 就属于这种情况。 ３）防雷的可靠性。为了省钱，大多数大坝安全监 测系统的通信和电源电缆铺设不符合要求，未有保护 措施，或使用ＰＶＣ管作保护，且未埋深，使系统常常 遭雷击而瘫痪。按照规范要求，电缆应采用国标热镀 锌钢管保护，并埋深７０ ｃｍ；或采用光缆通信。 ４结语 大坝安全监测系统是保障大坝安全运行的一种重 要手段。国内外数十年大坝安全监测实践表明：只要 通过周密、有效的监测、分析、判断，有可能及时了 解大坝工作状态，发现隐患，及时采取补强措施，避 免事故的发生或扩大。 我国对大坝安全监测工作非常重视，颁布了相关 的法律法规及技术标准，对水利水电工程的安全运行 起到了很好的指导作用。但是，在新建工程，或除险 ２０１３年１Ｏ月 第１０期 广东水利水电 Ｎｏ．１０ Ｏｃｔ．２０１３ 加固工程，或技术改造工程中，大坝安全监测系统普 和典型溃坝案例现场调查及广东省水利厅水库蓄水安 ｍ 蛳 遍存在：系统的完整性不够、有效性低和实用性差。 例如，今年“４．２８”韩江东山水利枢纽险情，充分说明 了这一问题：①用于监测枢纽水平位移的视准线，一 是无基准，二是测点低于地面（规范要求高于地面 １．２ ｍ），无法安设站标进行测量，因此，水平位移监 全专项检查等工作中发现的问题，指出我省的大坝安 全监测系统在“完整性、有效性和实用性”方面普遍存 在问题，应引起设计和技术审查部门的高度重视，按 照《通知》精神要求，把大坝安全监测工作做好、做扎 实，为保证工程的安全运行起到真正的作用。 参考文献： 测项目是不完整的和无效的；②用于监测枢纽沉降的 水准网，一是无基准，二是测点未与水平位移的测点 ［１］ＤＬ／Ｔ ５１７８—２００３混凝土坝安全监测技术规范［Ｓ］． ［２］ＤＬ／Ｔ ５２０９—２００５混凝土坝安全监测资料整编规程［Ｓ］． ［３］ＳＬ ５５１～２０１２土石坝安全监测技术规范［Ｓ］． ［４］ ＳＬ １６９—９６土石坝安全监测资料整编规程［Ｓ］． ［５］ＤＬ／Ｔ ５２１１—２００５大坝安全监测自动化技术规范［Ｓ］． ［６］ＳＬ／５３１—２０１２大坝安全监测仪器安装标准［Ｓ］． 同墩，因此，沉降监测项目是不完整的；③枢纽渗流 监测系统未设置人工比测设施，且测点多数稳定性差、 数据不准确或失效；④系统的实用性差，关键时刻测 不到数据，无法进行安全评估。 通过对黄龙带水库大坝安全监测系统更新改造技 （本文责任编辑马克俊） 术方案的总结和梳理，结合参加水利部水库运行督察 （上接第４０页） ｍ Ｔｌ温度 仍 蛳 ｕＰ５．水头～ＩＪＰ６水头一¨Ｐ７．水头 ｕｌ —ｗ１．水头 ＵＰ１０水头－ＵＰＩ１水头 ｕＰ９水头 ｕＩ）８ ｗ１水头～Ｔ１．温度 ／ ｊ ．ｆ一 —ｊ ● ＾Ｉ Ｉ一 厂、 厂 ．＼√ ｎ 。 ＼． ｊ － Ｉ＾Ｉ 。厂。 ＿／Ｊ ｕ １ 妇 －ｒＩ 一一 －啊ｒ Ｖ 一 ＾＾ １ ＿ 一Ｖ ２２ ２７ ０ｌ ２０１ｌ一１ （）６ １１ ６ ２１ ２６ ０１ ｂ６ ２０１２－０ ２２ ２７ ｂ１ ０６ ｌ１ Ｉ６ ２１ ２６ ｂｌ ０６ ２０１ｌ一１ ２０ １一ｌ２ ２Ｏｌ２－０ ２ｆ ｌ一１２ 图７闸坝测压管（２ ～３ 泄洪洞）成果过程线 图８ 闸坝测压管（１ 泄洪洞）成果过程线 ［３］ 张元海．帷幕灌浆在软弱岩石地层中应用［Ｊ］．广东水利 水电，２００５（２）：７４，７７． ４结论 １）耿达水电站由于工程地质条件复杂，设计根据 不同的地层所采取的各种处理措施及对部分缺陷所采 取的处理措施是可行的。 ［４］ 王志红，任光明，赵海营，等．某水电站河床坝基覆盖层渗 透稳定性研究［Ｊ］．长江科学院院报，２０１１（６）：４５—４９． ［５］ 刘有捷，刘建平．喷锚支护应用中存在的几个问题及处 理方法［Ｊ］．广东水利水电，２０００（５）：２７—２８． ［６］ 张朝明．周宁大坝上游面裂缝处理［Ｊ］．江西水利科技， ２００５（４）：２０６—２０８． ２）结合计算分析成果和现场试验报告结果，２０１ １ 年１１月开始蓄水试验，并于ｌ１月２８日蓄至正常蓄水 位１ ５０１．００ ｍ，闸坝水平位移变形量及垂直沉降量均 在规范允许值内；从近期闸坝左右岸绕渗成果过程线 及测压管成果过程线分析，耿达闸坝左右岸绕渗及闸 坝扬压力未发现异常情况，扬压力值也在合理范围内。 因此水库蓄水至正常蓄水位１ ５０１．００ ＩＴＩ是可行的。 参考文献： ［７］ 张彤．高压旋喷灌浆技术在急水坝防渗加固中的应 用［Ｊ］．广西水利水电，２０１０（１）：３９—４２． ［８］ 杜星龙，梅宝澜，崔鑫．有限单元法分析碾压式均质土 坝渗流稳定［Ｊ］．广西水利水电，２００９（２）：８—１０． ［９］ 陈浩洁，吴震宇．罗文广．某水电站大坝扬压力统计回 归分析［Ｊ］．四川水利，２０１１（４）：２４—２６． ［１０］ 张志刚，邓钦．黄龙带水库大坝ｓｙ７测孔扬压力偏高成 因分析及其影响［Ｊ］．广东水利水电，２００９（４）：２７—２９． ［１］ 宋胜武，蒋峰，陈万涛．汶川Ｉ地震灾区大中型水电工程 震损特征初步分析［Ｊ］．四川水力发电，２００９（２）：１—７． ［２］ 王华柱．百色水利枢纽坝基防渗帷幕的初步研究［Ｊ］．广 西水利水电，１９９９（４）：２３—２６． （本文责任编辑马克俊） ５７・ ・