胡國平

(江西省水利科學(xué)研究院，江西南昌 330029)

1 概述

調(diào)查表明，在以往失事的土石壩中，30%～40%是直接由滲流破壞造成的，而大壩滲流監(jiān)測方法落后、人工監(jiān)測不及時、監(jiān)測數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確、不能及時發(fā)現(xiàn)壩體隱患等是其失事主要原因之一，因此先進(jìn)的大壩滲流監(jiān)測方法和技術(shù)在工程中的地位顯得日益重要，我國相關(guān)的規(guī)程、規(guī)范都對土石壩的滲流監(jiān)測有著詳盡的闡述和規(guī)定，滲流監(jiān)測現(xiàn)已是中型及以上水庫土石壩除險加固環(huán)節(jié)中的必測項目［1］，并隨著現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，已逐步向自動化監(jiān)測的方向發(fā)展。

2 滲流監(jiān)測目的

滲流監(jiān)測設(shè)計的目的是設(shè)計一套監(jiān)測系統(tǒng)，通過監(jiān)測獲取大壩滲流、滲透壓力等重要參數(shù)，掌握大壩的工作性態(tài)，實現(xiàn)對其在線、實時監(jiān)控，為實施大壩安全預(yù)警和制定應(yīng)急預(yù)案提供基礎(chǔ);通過分析監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律和有無異?，F(xiàn)象，判定大壩的安全與否，分析異常原因和發(fā)展趨勢，為項目管理者提供技術(shù)保障，為其制定適宜的大壩加固方案和運(yùn)行管理計劃;通過分析整理各監(jiān)測物理量的規(guī)律，驗證原設(shè)計及原除險加固措施，科學(xué)指導(dǎo)施工，同時為科研提供必要的資料。

3 滲流監(jiān)測設(shè)計基本原則

1)安全監(jiān)測的范圍。

大壩安全監(jiān)測范圍包括壩體、壩基、壩肩，以及對大壩安全有重大影響的近壩區(qū)岸坡和其他與大壩安全有直接關(guān)系的建筑物和設(shè)備［2］。具體可以分為壩體滲流壓力及浸潤線、壩基滲流壓力、繞壩滲流監(jiān)測等幾個方面。

2)項目布置及基本原則。

大壩滲流監(jiān)測是一門需要不斷研究探索的學(xué)科，它要求設(shè)計人員必須具備較廣博的知識，既要精通壩工理論和設(shè)計工作，又要對監(jiān)測儀器和設(shè)備的性能有充分的了解，特別是要及時掌握現(xiàn)代快速發(fā)展的自動化監(jiān)測系統(tǒng)的硬軟件設(shè)備的知識，并要求設(shè)計人員有較豐富的安全管理經(jīng)驗。一個成功的監(jiān)測設(shè)計者不僅要能充分領(lǐng)會設(shè)計和施工中的關(guān)鍵問題，還要能盡量估計出大壩在今后的運(yùn)行中可能出現(xiàn)的問題，選擇適宜的監(jiān)測方法，恰到好處地布置相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備，以最少的費(fèi)用投入，獲得最大的實際效益［3］。同時還要兼顧到監(jiān)測系統(tǒng)的靈活性和可擴(kuò)充性，以備在運(yùn)行期間根據(jù)需要加以改造和完善。為確保大壩滲流安全監(jiān)測系統(tǒng)達(dá)到預(yù)期，其基本原則可概括為:要保證自動化系統(tǒng)軟硬件的可行性、可靠性、實用性與先進(jìn)性;滿足信息發(fā)布和資源共享等信息化要求，使數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理和分析實現(xiàn)全自動化要求;具有故障診斷功能和可靠的安全性能;應(yīng)滿足規(guī)范要求并考慮工程實際情況監(jiān)測點(diǎn)布置，監(jiān)測點(diǎn)既要有代表性，又要有連續(xù)性。監(jiān)測儀器設(shè)備的選型既要有安全性又要有經(jīng)濟(jì)性;監(jiān)測項目在設(shè)計時應(yīng)該有重點(diǎn)地進(jìn)行，在施工期和運(yùn)行期應(yīng)區(qū)別對待。

4 滲流監(jiān)測系統(tǒng)

1)監(jiān)測儀器的選用。應(yīng)根據(jù)大壩實際情況(土體特性及埋設(shè)條件等)而選用適宜土石壩滲流監(jiān)測儀器及設(shè)備，目前對大中型水庫大壩監(jiān)測儀器主要是振弦式滲壓計，尤其是采用自動化監(jiān)測系統(tǒng)的水庫。振弦式滲壓計(孔隙水壓力計)其原理是土隙有壓水作用于承壓膜上而引起鋼弦應(yīng)力變化，將感應(yīng)到的振動頻率信號傳送出來，以便采取監(jiān)測數(shù)據(jù)。采用高靈敏度固態(tài)壓阻式壓力傳感器構(gòu)成，用不銹鋼外殼封裝，在內(nèi)部基片上有激光刻蝕的溫度補(bǔ)償電阻，溫度特性好，可在0℃ ～50℃溫度范圍內(nèi)正常使用。具有分辨率高、對壓力變化反應(yīng)靈敏、動態(tài)響應(yīng)好、測值可靠、穩(wěn)定性好和體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各建筑物土體的動、靜孔隙水壓力觀測和測壓管水位計。目前市場上主要采用的是進(jìn)口Geokon公司生產(chǎn)的振弦式儀器，比國內(nèi)各廠家生產(chǎn)的振弦式滲壓計具有一定的優(yōu)勢［4］。

2)監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)成。大壩滲流監(jiān)測的數(shù)據(jù)量測、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析利用了現(xiàn)代信息技術(shù)中的傳感器技術(shù)、通信技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，它們分別構(gòu)成了安全監(jiān)測系統(tǒng)中的“感官”“神經(jīng)”和“頭腦”［5］。整個系統(tǒng)由密封機(jī)箱、智能數(shù)據(jù)采集模塊、電源模塊、防雷模塊、通信模塊等組成，采用分布式結(jié)構(gòu)、智能節(jié)點(diǎn)技術(shù)、遙測遙控技術(shù)、工業(yè)控制及計算機(jī)等技術(shù)手段來共同完成對目標(biāo)的變化狀況進(jìn)行實時監(jiān)測。中心控制單元、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件組成系統(tǒng)的信息接收、處理、存貯、計算分析等。其中野外測量單元是由埋設(shè)壩內(nèi)的傳感器(滲壓計)和相關(guān)配套設(shè)施組成，按運(yùn)行要求進(jìn)行一定方式的自動化測量。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由測量控制單元(MCU)和專業(yè)軟件兩部分構(gòu)成，是一種智能化、模塊化的多功能裝置，體積小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，具有控制、測量、數(shù)據(jù)存儲、防潮、防雷、抗干擾等各種功能，是分布式系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。管理分析系統(tǒng)主要是由相關(guān)工程分析軟件組成，并以報表、圖形、過程線等形式輸出數(shù)據(jù)處理結(jié)果。

該系統(tǒng)具有先進(jìn)性、可靠性、準(zhǔn)確性、適用性、環(huán)境適應(yīng)性、兼容性和通用性、可擴(kuò)性、易維修性、經(jīng)濟(jì)性等特點(diǎn)，具有選測、巡測、自報等多種數(shù)據(jù)采集方式，實現(xiàn)可視化數(shù)據(jù)采集，具有數(shù)據(jù)存儲、查詢、圖形繪制、報表制作、信息發(fā)布、網(wǎng)絡(luò)瀏覽、模型建立、誤差分析、安全評價等功能。

5 監(jiān)測資料分析及方法

根據(jù)相應(yīng)的規(guī)程、規(guī)范規(guī)定，應(yīng)對滲流監(jiān)測資料進(jìn)行整編分析，使之達(dá)到經(jīng)?；?、正規(guī)化、標(biāo)準(zhǔn)化，其分析成果是安全評價的主要依據(jù)。目前規(guī)范上推薦并應(yīng)用比較廣泛的分析方法主要有比較法、作圖法、特征值統(tǒng)計法和數(shù)學(xué)模型法，并形成分析報告，分析成果對大壩當(dāng)前的工作狀態(tài)包括整體安全性和局部存在問題作出綜合評估并為進(jìn)一步追查原因、加強(qiáng)安全管理和監(jiān)測乃至采取防范措施提出指導(dǎo)性意見。以上分析方法均屬于正分析范疇，其結(jié)果受制于土工試驗獲得的物理力學(xué)參數(shù)的可靠性和準(zhǔn)確性。為了克服這種參數(shù)受外界條件影響的局限性，可根據(jù)實測數(shù)據(jù)，以滲流模型理論為依據(jù)，用反演分析得出土石壩的滲透系數(shù)和滲流場，將其成果再次應(yīng)用數(shù)值計算得出土石壩的實際滲流性態(tài)，作為判斷土石壩滲流安全的標(biāo)準(zhǔn)。目前市場上已開發(fā)了大壩原型觀測資料的分析評價系統(tǒng)軟件，該軟件集中了大壩原型觀測資料的各種分析技術(shù)(包括統(tǒng)計分析、反饋分析、有限元分析、灰色理論)，實現(xiàn)了與觀測儀器數(shù)據(jù)采集的接口，實現(xiàn)對觀測資料的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)庫管理與整編、資料的圖形處理、綜合分析與評價，并運(yùn)用各種數(shù)學(xué)模型、分析理論預(yù)測大壩未來發(fā)展性狀。

6 工程滲流監(jiān)測布置實例

1)工程概況。七一水庫位于江西省玉山縣境內(nèi)，坐落于鄱陽湖水系信江支流。始建于1958年7月1日，1960年3月基本建成并發(fā)揮效益，后經(jīng)1970年～1974年、1984年～1987年，2009年～2011年三次加固擴(kuò)建達(dá)現(xiàn)有工程規(guī)模。壩址以上控制流域面積324．0 km2，總庫容22 862 ×104m3，設(shè)計灌溉面積 19．92 萬畝，電站裝機(jī)9 250 kW，是一座以灌溉為主，兼有防洪、發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游等綜合效益的大(二)型水庫。樞紐工程主要擋水建筑物主壩、副壩為心墻壩，主壩壩頂長430．0 m，壩頂寬12．0 m，最大壩高56．68 m;副壩壩頂長135．0 m，壩頂寬 8．0 m ～12．0 m，最大壩高24．5 m。為了使水庫主副壩能在有效的監(jiān)控下安全運(yùn)行，2010年～2011年由我院安裝了七一水庫大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)。在主、副壩各斷面布置了滲流監(jiān)測儀器設(shè)備，以監(jiān)測大壩滲流狀態(tài)的變化，評價大壩滲流安全。2)滲流安全監(jiān)測系統(tǒng)。七一水庫大壩滲流監(jiān)測系統(tǒng)由安裝在壩體和壩基內(nèi)的GK4500S振弦式滲壓計、水工專用電纜、自動采集系統(tǒng)(MCU×2套)、通訊和電源控制電纜、中央控制器系統(tǒng)(CCU)、計算機(jī)系統(tǒng)組成(見圖1)。監(jiān)測內(nèi)容主要有壩體滲流浸潤線、壩基滲透和繞壩滲流監(jiān)測三部分。主壩在(0+080，0+140，0+200，0+260，0+320，0+370)布置了六個浸潤線監(jiān)測斷面，測壓管編號 0+080 為 P1-1，UP1-1，UP1-2，UP1-3，UP1-4，UP1-5;0+140 為 UP2-1;0+200 為 P3-1，UP3-1，UP3-2，UP3-3，UP3-4;0+260 為 UP4-1;0+320 為 P5-1，UP5-1，UP5-2，UP5-3，UP5-4，UP5-5;0+370 為 UP6-1，UP6-2。其中 P1-1，UP1-1，P3-1，UP3-1，P5-1，UP5-1布置在壩體塑性混凝土心墻前，UP1-5，UP5-5，UP6-2為混凝土心墻后壩基觀測點(diǎn)，測壓管深入壩基1．0 m，用以監(jiān)測壩基滲流情況，斷面其他測點(diǎn)均布置在壩體塑性混凝土心墻后;同時在左壩肩布置了6根繞壩滲流測壓管，在右壩肩布置了3根繞壩滲流測壓管以監(jiān)測大壩繞壩滲流情況。共安裝了30支滲壓計;副壩同理在左右壩肩各布置兩個測點(diǎn)，在壩體分四個斷面分混凝土心墻前、后布置壩體及壩基觀測點(diǎn)，共安裝了18支滲壓計。

圖1 七一水庫大壩滲流監(jiān)測自動化系統(tǒng)示意圖

7 結(jié)語

大壩滲流安全監(jiān)測是水庫運(yùn)行管理中的重要環(huán)節(jié)之一，而自動化監(jiān)測是檢驗大壩安全運(yùn)行的有效手段，通過該系統(tǒng)一年多的試運(yùn)行，其故障率極低，監(jiān)測資料精確可靠，運(yùn)行維護(hù)方便，能滿足大壩滲流安全監(jiān)測的實際需要，是一套能長期運(yùn)行的實用化系統(tǒng)。通過滲流監(jiān)測可以使水利主管部門及時掌握大壩的實際狀態(tài)，進(jìn)行大壩安全評價，提高運(yùn)行水平，充分發(fā)揮經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。

［1］黃敏武，羅少彤．廣東水庫大壩——土石壩安全監(jiān)測［J］．吉林水利，2006，291(9):34-36．

［2］何玉春，謝明勇．水庫大壩安全觀測與運(yùn)行管理［J］．水利技術(shù)監(jiān)督，2009(1):71-72．

［3］胡 軍．土石壩自動化安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計［J］．水電能源科學(xué)，2010，28(4):127-129．

［4］方衛(wèi)華，李燕輝．土石壩安全監(jiān)測綜述［J］．四川水力發(fā)電，2004，23(4):68-71．

［5］周 揚(yáng)，劉頂明．大壩安全監(jiān)測儀器應(yīng)用問題探討［J］．水電自動化與大壩監(jiān)測，2009，33(2):41-44．