巴基斯坦卡洛特水電站安全監(jiān)測(cè)及 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

丁林 杜澤快 彭紹才

摘要：根據(jù)巴基斯坦卡洛特水電站地質(zhì)條件和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，考慮水電站在施工期、蓄水期和運(yùn)行期對(duì)安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)自動(dòng)化的需求，在工程安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)時(shí)，合理選擇監(jiān)測(cè)部位，有針對(duì)性地布設(shè)各類監(jiān)測(cè)儀器，以監(jiān)控各建筑物在全生命周期的安全狀況，為評(píng)價(jià)建筑物的穩(wěn)定性和安全度提供數(shù)據(jù)支撐?？逄厮娬景踩O(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)以變形和滲流為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，組建了一套完善高效的安全監(jiān)測(cè)及自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可有效監(jiān)控工程的安全，是工程安全施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要保證。

關(guān)鍵詞：安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng);監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì);自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì);變形;滲流;卡洛特水電站;巴基斯坦

中圖法分類號(hào)：TV698文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.03.014

1 工程背景

卡洛特水電站位于巴基斯坦旁遮普省卡洛特區(qū)域，是吉拉姆河流域水電規(guī)劃項(xiàng)目的第四級(jí)。該電站工程由瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪沖沙建筑物、引水發(fā)電建筑物、導(dǎo)流建筑物等組成，其中瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高95.5 m。

該工程規(guī)模大，設(shè)計(jì)施工技術(shù)復(fù)雜，且自動(dòng)化程度要求高。在安全監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)中，需要考慮監(jiān)測(cè)建筑物及建筑物的基礎(chǔ)，依照2個(gè)層次選擇重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位和一般監(jiān)測(cè)部位，有針對(duì)性地選擇和布設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施。同時(shí)，應(yīng)結(jié)合目前監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展情況，通過(guò)可靠且先進(jìn)的監(jiān)測(cè)儀器和監(jiān)測(cè)方法，準(zhǔn)確地獲取建筑物及基礎(chǔ)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為分析和評(píng)價(jià)建筑物安全性態(tài)和制定處理決策提供依據(jù)。

2監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)原則

根據(jù)卡洛特水電站樞紐布置、地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和施工安排，確定安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以“全面兼顧、重點(diǎn)突出、統(tǒng)一規(guī)劃，逐步實(shí)施”為設(shè)計(jì)原則。監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以一種監(jiān)測(cè)手段為主，同時(shí)通過(guò)其他手段互相校驗(yàn)，監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)需要兼顧施工期的臨時(shí)監(jiān)測(cè)和永久監(jiān)測(cè)，做到儀器監(jiān)測(cè)與人工巡視檢查相結(jié)合，人工采集與自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合[1-2]。

根據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和地質(zhì)條件，選取具有代表性的斷面作為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位。在重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位，集中布置監(jiān)測(cè)儀器，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目應(yīng)考慮齊全。一般部位只需監(jiān)測(cè)重要的物理量（變形或滲流），少量且合理布設(shè)測(cè)點(diǎn)，從而掌握工程整體性態(tài)或施工過(guò)程中出現(xiàn)的各種狀況。主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為變形和滲流，并輔以應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)。

3 監(jiān)測(cè)斷面的選擇

為做好卡洛特水電站工程安全監(jiān)測(cè)工作，快速準(zhǔn)確地量化敏感部位的工作狀態(tài)，宏觀且全面地掌握整個(gè)工程的運(yùn)行狀況，將監(jiān)測(cè)部位劃分為2個(gè)層次：重點(diǎn)部位（斷面）、一般部位（斷面）。根據(jù)各建筑物布置情況、地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇下列部位作為工程的重點(diǎn)監(jiān)測(cè)部位：瀝青混凝土心墻堆石壩最大壩高斷面及左右側(cè)約80 m間隔監(jiān)測(cè)斷面、溢洪控制段3號(hào)壩段、溢洪控制段8號(hào)壩段、2號(hào)引水發(fā)電系統(tǒng)、4號(hào)引水發(fā)電系統(tǒng)、溢洪道左右岸邊坡、電站進(jìn)出口邊坡、導(dǎo)流洞進(jìn)出口邊坡、2號(hào)導(dǎo)流洞。一般監(jiān)測(cè)部位是重要監(jiān)測(cè)部位的延伸和補(bǔ)充，是為了從整體了解建筑物的工作狀態(tài)，或施工過(guò)程中的新情況，或用來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵研究項(xiàng)目，而布置監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的零散監(jiān)測(cè)部位。

4 主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

卡洛特水電站為大Ⅱ等大（2）型工程，大壩、泄水建筑物、電站引水及尾水系統(tǒng)、電站廠房等主要永久性水工建筑物為2級(jí)建筑物，按照DL/T5259-2010《土石壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》等監(jiān)測(cè)規(guī)范的要求，選定各主要建筑物監(jiān)測(cè)項(xiàng)目如下。

（1） 瀝青混凝土心墻壩。主要監(jiān)測(cè)大壩表面變形、壩體內(nèi)部變形、心墻與填筑料間的錯(cuò)動(dòng)、心墻撓度變形、大壩內(nèi)部滲流壓力、壩基滲流壓力、繞壩滲流、水質(zhì)分析、心墻應(yīng)力應(yīng)變、心墻底部壓應(yīng)力及壩體填筑料壓力等。

（2） 泄洪沖沙建筑物。以控制段作為監(jiān)測(cè)重點(diǎn)，主要監(jiān)測(cè)壩頂表面變形、壩基變形、結(jié)合面和裂縫開(kāi)度、壩基揚(yáng)壓力、壩體和壩基滲漏量、繞壩滲流、水質(zhì)分析、結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、錨索預(yù)應(yīng)力及大體積混凝土溫度等。

（3） 引水發(fā)電建筑物。主要監(jiān)測(cè)進(jìn)水塔的表面變形和基礎(chǔ)沉降、引水隧洞圍巖的表面及深部變形、引水隧洞圍巖與襯砌的開(kāi)度、主廠房基礎(chǔ)沉降、主廠房與邊坡巖體的開(kāi)度、引水隧洞外水壓力、主廠房外圍地下水位、排水洞排水量、結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、鋼板應(yīng)力及大體積混凝土溫度等。

（4） 工程邊坡。主要監(jiān)測(cè)邊坡表面及深部變形、邊坡巖體裂隙開(kāi)度、邊坡地下水位、支護(hù)錨桿應(yīng)力及錨索預(yù)應(yīng)力等。

（5） 導(dǎo)流建筑物。主要監(jiān)測(cè)土石圍堰的表面變形與邊坡測(cè)移、圍堰堰體浸潤(rùn)線、圍堰背水側(cè)漏水量、導(dǎo)流洞的表面及深部變形、圍巖與襯砌的開(kāi)度、襯砌結(jié)構(gòu)混凝土應(yīng)力及鋼筋應(yīng)力等。

5 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體構(gòu)成

卡洛特水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜而龐大的信息采集、管理、分析、評(píng)價(jià)和反饋系統(tǒng)，由多種建筑物、多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和成千上萬(wàn)的監(jiān)測(cè)儀器、設(shè)備和計(jì)算機(jī)軟硬件組成。安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)可以概括為：一個(gè)整體系統(tǒng)，若干監(jiān)測(cè)對(duì)象，多種監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，上千監(jiān)測(cè)儀器;監(jiān)測(cè)中心統(tǒng)一監(jiān)控，設(shè)計(jì)單位提供技術(shù)支持，業(yè)主單位決策 （見(jiàn)圖1）。

卡洛特水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行可分為3個(gè)部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)分析和建筑物安全評(píng)估。數(shù)據(jù)采集包括自動(dòng)化采集裝置、人工采集和人工巡視檢查。數(shù)據(jù)管理是對(duì)源數(shù)據(jù)的基本處理和存儲(chǔ)管理。數(shù)據(jù)分析及建筑物安全評(píng)估主要是初步分析數(shù)據(jù)的規(guī)律，確定其合理性，然后初步評(píng)價(jià)建筑物安全。這3個(gè)運(yùn)行環(huán)節(jié)依次進(jìn)行，相互銜接。

工程安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)以翔實(shí)精確的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，以符合工程實(shí)際的分析解釋為依據(jù)，始終對(duì)各建筑物的工作狀態(tài)和安全進(jìn)行評(píng)估，對(duì)保證工程的正常運(yùn)行起著重要作用。

6 安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化設(shè)計(jì)

6.1 自動(dòng)化系統(tǒng)項(xiàng)目及測(cè)點(diǎn)選擇

卡洛特水電站安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)覆蓋了瀝青混凝土心墻堆石壩、泄洪沖沙建筑物、引水發(fā)電建筑物、導(dǎo)流建筑物、工程邊坡等部位。為了使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能及時(shí)提供大量的有效數(shù)據(jù)供分析和決策，以滿足工程對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和快速反饋的要求，并盡可能減少后期監(jiān)測(cè)工作中的人力投入，擬將大部分持續(xù)監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)（扣除少量臨時(shí)性測(cè)點(diǎn)、施工期測(cè)點(diǎn)、零星分布測(cè)點(diǎn)和失效測(cè)點(diǎn)）接入工程自動(dòng)化系統(tǒng)。需接入自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)儀器具體種類如下。

（1）變形監(jiān)測(cè)儀器。垂線座標(biāo)儀、雙金屬標(biāo)儀、引張線儀、測(cè)縫計(jì)、位錯(cuò)計(jì)、靜力水準(zhǔn)儀、水管式沉降儀、鋼絲位移計(jì)、多點(diǎn)位移計(jì)及基巖變形計(jì)等。

（2）滲流滲壓監(jiān)測(cè)儀器。滲壓計(jì)、測(cè)壓管及量水堰水位計(jì)。

（3）應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)儀器。應(yīng)變計(jì)、無(wú)應(yīng)力計(jì)、溫度計(jì)、鋼筋計(jì)、鋼板計(jì)、錨桿應(yīng)力計(jì)及錨索測(cè)力計(jì)等。

（4）環(huán)境量監(jiān)測(cè)儀器。水位計(jì)等。

（5）強(qiáng)震監(jiān)測(cè)儀器。三分量加速度計(jì)。

6.2 自動(dòng)化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

根據(jù)卡洛特水電站各建筑物布置和運(yùn)用相對(duì)獨(dú)立，監(jiān)測(cè)儀器多且分散的特點(diǎn)，監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)初步擬定采用環(huán)上多分支網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及配置見(jiàn)圖2。

自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)為智能型分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要由安全監(jiān)測(cè)管理站、瀝青混凝土心墻堆石壩自動(dòng)化采集單元（MCU）群、泄洪排沙建筑物及兩岸邊坡MCU群、引水發(fā)電系統(tǒng)及進(jìn)出口邊坡（含導(dǎo)流洞進(jìn)出口邊坡）MCU群、各自動(dòng)采集傳感器及人工采集數(shù)據(jù)離線輸入及分析等組成?？逄厮娬颈O(jiān)測(cè)管理站與其他現(xiàn)地管理機(jī)構(gòu)一起，設(shè)在工程現(xiàn)場(chǎng)管理大樓內(nèi)。各MCU群分別設(shè)在監(jiān)測(cè)儀器相對(duì)集中的各建筑物現(xiàn)地觀測(cè)站內(nèi)，監(jiān)測(cè)管理站及各MCU群通過(guò)光纖交換機(jī)接入光纖環(huán)網(wǎng)，并按監(jiān)測(cè)管理站的指令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和信息交換。對(duì)于未進(jìn)入自動(dòng)化系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)測(cè)點(diǎn)，采取用人工方式采集數(shù)據(jù)，并離線錄入工程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。

7 結(jié) 語(yǔ)

在卡洛特水電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間，安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可有效監(jiān)測(cè)各建筑物及邊坡運(yùn)行狀態(tài)和安全狀態(tài)，直接指導(dǎo)、反饋工程問(wèn)題，為工程問(wèn)題處理決策提供數(shù)據(jù)支撐。建立完善、先進(jìn)的安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，及時(shí)埋設(shè)監(jiān)測(cè)設(shè)施進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并分析和反饋監(jiān)測(cè)結(jié)果，是工程安全施工和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)的重要保證。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖所揭示的實(shí)際地質(zhì)條件和有關(guān)建筑物的實(shí)際施工方式對(duì)監(jiān)測(cè)布局進(jìn)行優(yōu)化，使監(jiān)測(cè)系統(tǒng)布置方案更加合理，結(jié)構(gòu)更加優(yōu)化。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張宇，史波，曹健. 倒垂系統(tǒng)在邊坡變形監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)中的應(yīng)用[J]. 水利水電快報(bào)，2019，40（12）：18-21.

[2] 索麗生，劉寧. 水工設(shè)計(jì)手冊(cè)[J]. 北京：中國(guó)水利水電出版社，2013.

（編輯：李 慧）

Design of safety monitoring and automatic monitoring system for Karot Hydropower Station in Pakistan

DING Lin，DU Zekuai，PENG Shaocai

（ Changjiang Survey， Planning， Design and Research Co.，Ltd.，Wuhan 430010，China）

Abstract： According to the geological conditions and structural characteristics of Karot Hydropower Station and considering the automation requirements of the monitoring system during construction， impoundment and operation periods， in the design and arrangement stages of safety monitoring system， the monitoring points were selected reasonably and various monitoring devices were arranged accordingly for monitoring the safety status of the buildings during the full life cycle to provide data support for evaluating the stability and safety of the buildings. The design focused on deformation and seepage monitoring and a perfect and efficient automatic safety monitoring system was established， which can effectively monitor the safety status of the project and ensure the safe construction and dynamic design.

Key words： ?safety monitoring system; monitoring design; automatic monitoring system design; deformation; seepage; Karot Hydropower Station; Pakistan