徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒841000）

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土石壩自動(dòng)化監(jiān)測(cè)常用技術(shù)初探

徐繼紅

（新疆塔里木河流域希尼爾水庫管理局，新疆庫爾勒841000）

摘要：針對(duì)目前水庫大壩安全監(jiān)測(cè)存在問題，對(duì)水庫大壩滲流監(jiān)測(cè)、變形監(jiān)測(cè)與視頻監(jiān)控中采用的重要監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了闡述，希望能對(duì)水庫大壩安全運(yùn)行管理工作起到借鑒作用。

關(guān)鍵詞：土石壩；安全監(jiān)測(cè)；技術(shù)應(yīng)用；運(yùn)行管理

我國是一個(gè)水災(zāi)害頻繁的國家，建國后曾一度興建了眾多水庫，但水庫安全度汛一直是我國防汛抗洪的難點(diǎn)和重點(diǎn)，大部分中小型水庫缺少必要的水雨情測(cè)報(bào)及大壩安全監(jiān)測(cè)等設(shè)施，檢查手段落后，隱患很大，水庫自動(dòng)監(jiān)測(cè)的問題亟待解決［1，2］。

近年來，國家高度重視水庫安全度汛工作，大力推動(dòng)水庫安全自動(dòng)化監(jiān)測(cè)體系的建設(shè)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)水文汛情、水庫大壩監(jiān)測(cè)手段和方法的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性提出了越來越高的要求。

1　大壩安全監(jiān)測(cè)存在問題

目前，國內(nèi)水庫以常見的土石壩為主（超過90%），主要有均質(zhì)壩、心墻壩、斜心墻壩、斜墻壩以及一些改良?jí)渭盎旌蠅蔚?。這些壩體有以下幾個(gè)共同特點(diǎn)［3］。

（1）壩基壩身具一定的透水性，對(duì)防滲要求較高。

（2）因壩體材料受溫度變化可能會(huì)產(chǎn)生物理性狀改變，如土體脹縮產(chǎn)生孔穴和裂縫等，對(duì)壩體的質(zhì)量有一定影響。

（3）壩頂受材料因素限制無法溢洪，必須另外開設(shè)溢洪通道。

（4）筑壩的填筑量較大，施工受到季節(jié)和天氣的影響。

（5）壩體具一定塑性，不易出現(xiàn)整體性滑坡，抗震性能較好。

據(jù)國外歷史上土石壩發(fā)生潰壩事故的統(tǒng)計(jì)分析，約有40%的事故是由于漫壩引發(fā)的，其余因?yàn)橘|(zhì)量和運(yùn)營管理原因而導(dǎo)致。而因質(zhì)量問題造成的潰壩事故中，又有超過64%因?yàn)闈B透破壞所造成。

據(jù)國內(nèi)近年來的統(tǒng)計(jì)資料顯示，約有50%的潰壩事故是由于漫壩引發(fā)的，其余因?yàn)橘|(zhì)量和運(yùn)營管理原因而導(dǎo)致。其中，由質(zhì)量問題導(dǎo)致的潰壩事故中，滲流問題約占50%，溢洪瀉洪涵洞等問題占比超過25%，滑坡塌陷約占10%。

2　大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

由于滲流滲漏問題是導(dǎo)致潰壩的主要質(zhì)量原因，其余的工程質(zhì)量問題以及管理問題也應(yīng)引起足夠重視。那么，針對(duì)所出現(xiàn)的這些事故原因，從監(jiān)測(cè)角度來講，我們還可以采用哪些手段來預(yù)防、減少甚至避免這些事故呢？

眾所周知，大壩監(jiān)測(cè)的常用手段有：變形監(jiān)測(cè)（內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)、表面位移監(jiān)測(cè)）、滲流滲漏監(jiān)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)、氣象水文監(jiān)測(cè)、視頻監(jiān)控等。

對(duì)于眾多現(xiàn)有中小水庫的運(yùn)行管理而言，理想情況下，當(dāng)然是應(yīng)該建設(shè)一個(gè)全面的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，能夠覆蓋到大壩安全運(yùn)行的方方面面是最理想的。

據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，我國目前已有大中小型水庫超過9.8萬座（第一次水利普查數(shù)據(jù)），其中病險(xiǎn)水庫數(shù)量超過40%。如果只給每座病險(xiǎn)水庫設(shè)立全面的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，所需的費(fèi)用也是相當(dāng)驚人的，更不要說所有的水庫［4，5］。

結(jié)合水庫管理及大壩安全運(yùn)行的實(shí)際需要，以及土石壩常見潰壩原因，我們可以根據(jù)水庫實(shí)際情況，選擇一些現(xiàn)場(chǎng)認(rèn)為關(guān)鍵的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行監(jiān)測(cè)；而對(duì)于目前對(duì)水庫運(yùn)行影響不太大的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，可暫緩實(shí)施，待資金允許時(shí)再進(jìn)行。

就水庫管理而言，水文監(jiān)測(cè)（水位、雨量）是最基本的；就壩體質(zhì)量來講，滲流監(jiān)測(cè)和變形監(jiān)測(cè)尤為關(guān)鍵；針對(duì)無人管理或人為破壞等現(xiàn)象，在關(guān)鍵設(shè)施或區(qū)域布設(shè)視頻監(jiān)控則能發(fā)揮重要作用。

針對(duì)上述提出的問題，根據(jù)多年工作經(jīng)驗(yàn)，筆者認(rèn)為應(yīng)當(dāng)采用以下幾種重要的監(jiān)測(cè)手段。

2.1滲流監(jiān)測(cè)

滲流監(jiān)測(cè)是我國土石壩監(jiān)測(cè)中對(duì)壩體壩基監(jiān)測(cè)最關(guān)鍵的一環(huán)，且統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，我國壩體壩基滲流異常引起的潰壩約占總潰壩事故數(shù)的20%。所以，在水庫監(jiān)測(cè)的過程中滲流監(jiān)測(cè)是不可或缺的，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況確定傳感器的布控位置。一般部署原則如下。

（1）橫斷面監(jiān)測(cè)，可選擇最大壩高處或壩中心、合龍段、地形地質(zhì)條件復(fù)雜地段部署，一般不少于3個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（2）對(duì)于橫斷面上測(cè)點(diǎn)的布置，可根據(jù)壩型結(jié)構(gòu)、斷面大小和滲流場(chǎng)特征，設(shè)置3～4條觀測(cè)垂線，在壩肩、坡腳（一般也是滲流出口附近）處一般應(yīng)設(shè)有觀測(cè)垂線。滲壓計(jì)高程布設(shè)在預(yù)計(jì)最低浸潤線之下，針對(duì)滲流相異性明顯的位置，可在一條垂線不同高程上布設(shè)多個(gè)測(cè)點(diǎn)。對(duì)于已建成的大壩，迎水面滲流入口可不設(shè)監(jiān)測(cè)垂線。

（3）大壩兩端的繞壩滲流可沿流線方向或滲流集中的透水帶布設(shè)2～3個(gè)測(cè)點(diǎn)來觀測(cè)橫斷面，每個(gè)斷面上設(shè)3～4條觀測(cè)垂線（含滲流進(jìn)出口地段）。

（4）已安裝監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的水庫中，對(duì)于水壓偏高或明顯偏低的斷面，可加大傳感器的部署密度；對(duì)于壩體變形較大的橫斷面，也可以加大儀器部署密度，同時(shí)提高監(jiān)測(cè)的頻率。

（5）根據(jù)水頭和土層滲透系數(shù)決定是否埋設(shè)測(cè)壓管。

（6）應(yīng)盡量分別監(jiān)測(cè)兩岸繞壩滲流量、壩體滲流量和壩基滲流量，一般情況下，推薦采用量水堰計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

（7）對(duì)于滲流水質(zhì)，可部署含沙測(cè)量?jī)x器或人工觀測(cè)的方式，若水質(zhì)混濁應(yīng)警惕管涌。

2.2變形監(jiān)測(cè)

變形監(jiān)測(cè)是大壩監(jiān)測(cè)最重要的手段之一，大多數(shù)潰壩事故發(fā)生前都能從變形監(jiān)測(cè)上找到征兆。

變形監(jiān)測(cè)主要分為表面變形監(jiān)測(cè)和內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)，壩體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中表面位移監(jiān)測(cè)主要有近壩岸坡位移、水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)。內(nèi)部位移監(jiān)測(cè)主要由水平位移監(jiān)測(cè)和豎向位移監(jiān)測(cè)等對(duì)于土石壩壩體變形監(jiān)測(cè)組成，內(nèi)部變形一般要先于表面變形表現(xiàn)出來，所以會(huì)比表面變形更能提前發(fā)出警示。

管涌、裂縫往往有可能伴隨內(nèi)部變形而發(fā)生，由此可見，內(nèi)部變形對(duì)壩體監(jiān)測(cè)具有非常重要意義。

表面變形監(jiān)測(cè)可通過儀器手段如經(jīng)緯儀、全站儀等儀器進(jìn)行，亦可在裂縫、結(jié)合部等易產(chǎn)生裂縫的關(guān)鍵部位安裝表面位移傳感器。

隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的進(jìn)步，GNSS表面變形監(jiān)測(cè)手段也越來越成熟，精度比以前有所提高，完全滿足壩體監(jiān)測(cè)精度要求。相比人工采用儀器觀測(cè)，GNSS可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)的絕對(duì)位移觀測(cè)，避免人為觀測(cè)誤差。同時(shí)，相比自動(dòng)全站儀具有全天候、無需通視的優(yōu)勢(shì)。表面位移觀測(cè)點(diǎn)一般部署原則有以下幾點(diǎn)。

（1）橫斷面監(jiān)測(cè)，可分別布置在大壩最高處或壩中心、河床處、施工合龍段、地形或地質(zhì)條件復(fù)雜的部位以及其他被認(rèn)定為關(guān)鍵的部位。

（2）縱斷面監(jiān)測(cè)，一般不少于3～4個(gè)測(cè)點(diǎn)，可分別布置在壩頂上下游、壩坡腳以及在半坡適當(dāng)增設(shè)，對(duì)于軟基壩體，可在坡腳外增設(shè)1～2個(gè)測(cè)點(diǎn)。

（3）在橫斷面和縱斷面交匯處設(shè)置觀測(cè)點(diǎn)。

（4）在岸坡上或上、下游穩(wěn)定基巖上設(shè)立觀測(cè)基準(zhǔn)參考點(diǎn)，如果采用GNSS監(jiān)測(cè)手段，參考站和觀測(cè)站無需通視，只需要在同一星空下即可，且一般只要設(shè)1～3個(gè)參考站；而對(duì)于采用光學(xué)儀器作為觀測(cè)手段時(shí)，壩外基準(zhǔn)點(diǎn)作為工作基準(zhǔn)，與相應(yīng)的觀測(cè)點(diǎn)應(yīng)通視，如果條件允許，盡量每個(gè)縱斷面兩岸都設(shè)有工作基準(zhǔn)點(diǎn)。

內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)主要通過沉降儀和測(cè)斜儀來進(jìn)行，其部署原則與表面位移觀測(cè)點(diǎn)基本相一致，對(duì)于不同結(jié)構(gòu)的土石壩，可以根據(jù)其自身設(shè)計(jì)特點(diǎn)針對(duì)性的增設(shè)觀測(cè)點(diǎn)。

由于壩體整體主要受到水庫蓄水的側(cè)向壓力，對(duì)于土石壩應(yīng)重視坡腳的內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)。如果大壩施工時(shí)坡腳處理得不好的應(yīng)在除險(xiǎn)加固時(shí)特別注意加固，確保坡腳深入到基巖中。

2.3 視頻監(jiān)控

大部分易導(dǎo)致潰壩的壩體質(zhì)量問題都可以通過變形監(jiān)測(cè)和滲流監(jiān)測(cè)提前發(fā)現(xiàn)征兆，但對(duì)于溢洪道、涵洞的質(zhì)量問題以及人為破壞等容易引起突發(fā)事件的因素，即使在潰壩前能通過壩體監(jiān)測(cè)提前發(fā)現(xiàn)，留給決策者做出反應(yīng)的時(shí)間往往不足。

視頻監(jiān)控雖然難以獲取壩體質(zhì)量的詳細(xì)數(shù)據(jù)，但是對(duì)于一些非量化監(jiān)測(cè)，如人為破壞、管理不當(dāng)、溢洪道被占用等問題，可以很直觀的通過錄像或圖片抓拍記錄下來，從而起到重要作用。通常情況下，視頻監(jiān)控點(diǎn)的布設(shè)主要需考慮以下幾個(gè)方面。

（1）庫區(qū)全貌，特別是壩區(qū)全景，可及時(shí)發(fā)現(xiàn)壩區(qū)的人為破壞行為。

（2）重要建筑結(jié)構(gòu)體，如影響溢洪泄洪的地段。

（3）歷史上變形比較明顯需加強(qiáng)觀察的地方。

（4）設(shè)備房，重要設(shè)備或儀器安置地。

（5）水庫水位監(jiān)控，如水尺旁，通過視頻可直觀反映水庫蓄水情況。

3　結(jié)語

綜上所述，每個(gè)水庫有其自身的實(shí)際情況，除了最基本的雨量、水位監(jiān)測(cè)外，即使在資金不充足的情況下，應(yīng)結(jié)合水庫（特別是已投入運(yùn)行多年的水庫）自身特點(diǎn)合理布置滲流監(jiān)測(cè)特別是浸潤線監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，合理部署以表面變形監(jiān)測(cè)與內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)相結(jié)合的變形監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，關(guān)鍵場(chǎng)所布設(shè)視頻監(jiān)控等措施，對(duì)于提高水庫管理水平、保障水庫安全平穩(wěn)運(yùn)行具有非常重要的意義。

在監(jiān)測(cè)到一些對(duì)水庫安全不利的因素發(fā)生時(shí)，應(yīng)當(dāng)視具體情況進(jìn)一步針對(duì)性地部署監(jiān)測(cè)項(xiàng)目或直接進(jìn)行險(xiǎn)情排查，從而確保水庫安全運(yùn)行。

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中圖分類號(hào)：TV698.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-1305（2016）01-0015-03

DOI：10.3969 /j.issn.1008-1305.2016.01.005

收稿日期：2014-09-02

作者簡(jiǎn)介：徐繼紅（1970年—），女，技術(shù)員。