碧流河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的運(yùn)行情況分析

曹 洪

(大連市碧流河水庫(kù)管理局，遼寧大連116000)

大壩是水庫(kù)的主要水工建筑物，其類型按建筑材料可分為土石壩和混凝土壩2類。其中土石壩占水庫(kù)總數(shù)的95%以上，由于土石壩是散粒體結(jié)構(gòu)，壩體的分析具有一定難度。壩體滲流和壩基、壩體滲透壓力等重要參數(shù)是進(jìn)行大壩安全穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)信息，及時(shí)獲取尤為重要［1－2］。

大壩安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是確保大壩安全的最主要的非工程措施，在大壩工程設(shè)計(jì)、施工建設(shè)和運(yùn)行管理中是不可或缺的。

1 碧流河水庫(kù)工程簡(jiǎn)介

碧流河水庫(kù)為大連市主水源地，位于碧流河干流上，水庫(kù)控制流域面積2 085 km2，是一座以城市供水為主，兼有發(fā)電、灌溉、養(yǎng)魚(yú)、防洪等綜合效益的大(2)型水利樞紐工程，總庫(kù)容9.34億m3。工程等別為Ⅱ等，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)。防洪標(biāo)準(zhǔn)為500 a一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水位 71.00 m，10 000 a一遇洪水校核，校核洪水位72.60 m。主要建筑物包括主壩、三座副壩、放水洞、輸水洞、壩后電站等，主壩為混合壩型，由堆石壩段、混凝土重力壩段、瀝青混凝土心墻土壩段組成，最大壩高53.5 m。

通過(guò)理論研究，結(jié)合實(shí)際工程監(jiān)測(cè)施工設(shè)計(jì)，應(yīng)用現(xiàn)代電子理論方法對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)監(jiān)測(cè)軟件、傳感器等方面進(jìn)行了優(yōu)選研究［3］。碧流河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)由加方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)和中方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)兩部分組成。加方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)于1995年設(shè)計(jì)，1997年10月份開(kāi)始安裝、調(diào)試，并于同年12月份完成并投入到碧流河水庫(kù)的大壩安全監(jiān)測(cè)工作之中;中方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)始建于1995年，為巡檢SRB監(jiān)測(cè)系統(tǒng);1997年進(jìn)行了更新改造，升級(jí)為MCU監(jiān)測(cè)系統(tǒng);2005年10月更新?lián)Q代成DAMS－IV型智能模塊化結(jié)構(gòu)分布式監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)，同年12月投入使用。

2 碧流河水庫(kù)加方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

碧流河水庫(kù)加方大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采用的監(jiān)測(cè)設(shè)備、2380數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及作圖軟件均由加拿大ROCTEST公司提供的，主要進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)和其它監(jiān)測(cè)。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各自的測(cè)控單元(MCU)中，主機(jī)應(yīng)用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳入計(jì)算機(jī)后，再進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析。各項(xiàng)監(jiān)測(cè)均可進(jìn)行人工比測(cè)，來(lái)確定自動(dòng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)、準(zhǔn)確與可靠性。

2.1 碧流河大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

碧流河大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由壩體裂縫監(jiān)測(cè)和壩體傾斜監(jiān)測(cè)組成。壩體裂縫監(jiān)測(cè)所采用的儀器為測(cè)縫計(jì)，記為(C－1～C－13);壩體傾斜監(jiān)測(cè)采用的儀器為靜力水準(zhǔn)儀，記為(Diff lev)。自1997年12月份運(yùn)行以來(lái)，裂縫監(jiān)測(cè)只有C－7、C－8測(cè)值年變化較大，但最大變化量≤3 mm，其余各處變化量均＜1 mm，這一變化是受庫(kù)水位、水溫及其他因素的影響，總的來(lái)看，變化較小，認(rèn)為裂縫較為穩(wěn)定，沒(méi)有很大的發(fā)展;壩體傾斜監(jiān)測(cè)的測(cè)值經(jīng)計(jì)算所得的的最大傾角為0°0'28″。

2.2 碧流河大壩滲流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

碧流河大壩滲流監(jiān)測(cè)由大壩左、右岸繞壩滲流監(jiān)測(cè)、壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)、一副壩浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)、二副壩滲流監(jiān)測(cè)和壩體滲流量監(jiān)測(cè)組成。大壩左、右岸繞壩滲流監(jiān)測(cè)(RB－1A～RB－12A)、壩基揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)(Y1～Y12)、一副壩浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)(K1－A～K8－A)、二副壩滲流監(jiān)測(cè)(S1a～S7a)均采用振弦式滲壓計(jì);壩體滲流量監(jiān)測(cè)(US－1～US－3)采用超聲波水位計(jì)。左、右岸繞壩滲流監(jiān)測(cè)中，經(jīng)簡(jiǎn)單分析認(rèn)為各繞滲監(jiān)測(cè)點(diǎn)處均有不同程度的繞壩滲流，繞壩滲流大小受到庫(kù)水位、所處位置的地質(zhì)條件等因素的影響;揚(yáng)壓力監(jiān)測(cè)除左連接段的Y14～Y16滲壓系數(shù)較大，主要是地質(zhì)條件較差所引起的，因?yàn)樵搸滋幬挥贔101和F32兩大斷層處，雖然滲壓系數(shù)較大，但到目前為止均小于允許的最大滲壓系數(shù)0.3，其余各處滲壓系數(shù)均較小。一副壩浸潤(rùn)線監(jiān)測(cè)也能真實(shí)反映出其壩體的滲流狀況;壩體滲流量監(jiān)測(cè)反映出了壩體在雨前、雨后的滲流情況，也說(shuō)明了壩體的滲流情況。

2.3 其他監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

其他監(jiān)測(cè)包括庫(kù)水溫監(jiān)測(cè)，上、下游庫(kù)水位監(jiān)測(cè)，氣溫、氣壓和降雨量等的監(jiān)測(cè)。下游庫(kù)水位監(jiān)測(cè)(LIM)采用振弦式滲壓計(jì);上游庫(kù)水位監(jiān)測(cè)采用編碼盤(ENC－1);氣壓(BAR)、雨量(RG－1)監(jiān)測(cè)分別采用氣壓計(jì)和雨量計(jì)。庫(kù)水溫監(jiān)測(cè)(WT1－A～WT1－C)反映出庫(kù)水溫呈現(xiàn)以年為周期的周期性變化，且清楚地表現(xiàn)出夏季水溫上部高于下部，冬季庫(kù)水溫上部低于下部，中間過(guò)渡期，水溫相差不大;氣壓監(jiān)測(cè)只是對(duì)滲流監(jiān)測(cè)進(jìn)行相應(yīng)的修正;上、下游庫(kù)水位監(jiān)測(cè)、氣溫和降雨量的監(jiān)測(cè)是作為資料分析所必要的環(huán)境量。

3 碧流河水庫(kù)中方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)

碧流河水庫(kù)中方大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)主要是進(jìn)行大壩變形監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)中的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)儀器均由南瑞(NARI)大壩監(jiān)測(cè)技術(shù)研究所研制。所運(yùn)用的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及作圖軟件也是由他們提供。自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要進(jìn)行壩體的水平位移和撓度監(jiān)測(cè)。

3.1 主壩水平位移監(jiān)測(cè)

大壩變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是運(yùn)用監(jiān)測(cè)設(shè)備連續(xù)定期測(cè)量大壩在水平方向上的位置變化。規(guī)定向下游方向移動(dòng)為正，向上游方向移動(dòng)為負(fù)。水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由4條引張線和22臺(tái)垂線坐標(biāo)儀及1臺(tái)變位計(jì)組成，其中2條引張線位于主壩壩頂，另外2條引張線位于大壩基礎(chǔ)廊道中。

碧流河水庫(kù)主壩壩頂引張線由29臺(tái)編號(hào)為EX01～EX21和EX23～EX30單向引張線儀組成。壩長(zhǎng)708.5m，如果采用1條引張線，由于引張線線體過(guò)長(zhǎng)，竄風(fēng)等因素影響使線體產(chǎn)生晃動(dòng)，導(dǎo)致測(cè)值不穩(wěn)定，不能正確的反映大壩的運(yùn)行狀況，對(duì)資料分析也會(huì)產(chǎn)生影響。在反復(fù)論證后，采用在主壩壩頂將1條引張線分為2條引張線。由EX01～EX21單向引張線儀組成其中的1條引張線，通過(guò)位于壩右岸的量距儀SD01和倒垂線儀TP01、倒垂線儀TP05進(jìn)行控制觀測(cè);由EX23～EX30單向引張線儀組成另一條位于壩頂?shù)囊龔埦€，由位于壩左岸的量距儀SD01和倒垂線儀TP02、倒垂線儀TP05控制觀測(cè)(其中倒垂線儀TP05、量距儀SD01均位于17#壩段)。

廊道中有2條引張線，1條位于土壩廊道中，由4臺(tái)儀器編號(hào)為ES01～ES04單向引張線儀組成，引張線2個(gè)端點(diǎn)分別由編號(hào)為TD01和TD03雙向垂線儀器控制觀測(cè)。另外1條長(zhǎng)為267.15 m的引張線位于混凝土壩段的灌漿廊道，由16臺(tái)單向引張線儀儀器編號(hào)為EX31～EX46組成，其左端由倒垂線儀器TP03(倒垂線位于17#壩段中)控制觀測(cè)，右端固定于廊道的基巖中。

所有的引張線儀均為電容感應(yīng)式變形儀器。采用比率測(cè)量技術(shù)的測(cè)量單元，通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)進(jìn)行垂直于偏離基準(zhǔn)線的變化量的測(cè)定，測(cè)出測(cè)點(diǎn)相對(duì)于引張線的變化，通過(guò)計(jì)算求得各測(cè)點(diǎn)的水平位移變化量。

材質(zhì)為不銹鋼鋼絲的引張線是通過(guò)中間極(遙測(cè)RY型電容式引張線儀)與兩塊極板(位于測(cè)點(diǎn)儀器底板)測(cè)量大壩水平位移的。當(dāng)水平位移測(cè)點(diǎn)位置變化時(shí)兩極板與中間極之間隨之發(fā)生相對(duì)位移，引起中間極與兩極板間電容比值變化，引張線的位移就是通過(guò)測(cè)量電容比確定的。

系統(tǒng)運(yùn)行原理:

計(jì)算機(jī)工作組、數(shù)據(jù)采集單元(DAU)、通訊網(wǎng)絡(luò)、信息管理軟件及傳感器是組成DAMS－IV型智能模塊化結(jié)構(gòu)分布式監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的五大部分。在系統(tǒng)中，傳感器安裝在需要監(jiān)測(cè)的部位，數(shù)據(jù)采集單元對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;監(jiān)控主機(jī)對(duì)整個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行管理，可隨時(shí)通過(guò)DAU進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，也可定時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。各個(gè)數(shù)據(jù)采集單元(DAU)之間采用RS－485現(xiàn)場(chǎng)總線通訊(本工程的通信介質(zhì)為4目單模光纜)及2芯220 V電源線相連接。每個(gè)數(shù)據(jù)采集單元由若干個(gè)不同類型的智能采集模塊(NDA)、通信模塊和電源部件組成，并配有防雷、防潮及浮充蓄電池供電等部件。智能采集模塊具有獨(dú)立的CPU、時(shí)鐘、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信等功能。

該變形系統(tǒng)運(yùn)行至今，監(jiān)測(cè)數(shù)值真實(shí)、可靠。水平位移主要受溫度、庫(kù)水位(水壓力)等因素的影響。運(yùn)行以來(lái)壩頂、混凝土壩廊道和土壩最大值分別為8.27、1.0 mm和1.0 mm。

3.2 主壩壩體撓度觀測(cè)

碧流河水庫(kù)主壩撓度觀測(cè)通過(guò)雙向垂線坐標(biāo)儀和6臺(tái)單向垂線坐標(biāo)儀，對(duì)混凝土壩及土石壩壩體內(nèi)垂直線上不同高程測(cè)點(diǎn)與倒垂線之間的水平位移進(jìn)行連續(xù)定期監(jiān)測(cè)。碧流河水庫(kù)大壩的自動(dòng)化撓度監(jiān)測(cè)是通過(guò)兩組正垂線和3條倒垂線進(jìn)行的。土石壩的1#和2#豎井中分別布置了一組正垂線，由1#豎井中倒垂線儀TD1控制監(jiān)測(cè)單向垂線坐標(biāo)儀(PL03～PL08);由2#豎井中倒垂線儀TD3控制監(jiān)測(cè)單向垂線坐標(biāo)儀(PL09～PL14)?；炷翂蔚膿隙扔^測(cè)是通過(guò)位于混凝土壩17#壩段中的倒垂線上安裝的3臺(tái)雙向垂線坐標(biāo)儀(TP03～TP05)進(jìn)行。

4 小結(jié)

碧流河水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行至今，整體運(yùn)行良好，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)真實(shí)、可靠，為水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)提供了大量寶貴的資料，該項(xiàng)大壩安全監(jiān)測(cè)真正起到了大壩的耳目作用，也為水庫(kù)運(yùn)行管理和科學(xué)調(diào)度提供了可靠的依據(jù)。

［1］劉奇，高永超，何維民.論棋盤山水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2009(07):280 －282.

［2］朱盟.大伙房水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2007(23):220 －222.

［3］潘偉暉，何建新.淺談磨子潭水庫(kù)大壩安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)［J］.治淮，2007(08):36－38.