楊敏剛，李戰(zhàn)備，張金杰

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，443002）

運(yùn)行期水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)常見問題與改進(jìn)建議

楊敏剛，李戰(zhàn)備，張金杰

（葛洲壩集團(tuán)試驗(yàn)檢測有限公司，湖北宜昌，443002）

當(dāng)前我國已成為世界上水庫最多的國家，已有8萬余座，大部分水庫已經(jīng)處于運(yùn)行期。水庫大壩作為國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性備受矚目。變形監(jiān)測是大壩安全監(jiān)測重要的一部分，可以較為直觀地反映水庫大壩的變形位移情況，但有些水庫大壩運(yùn)行期間，變形監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)各種問題。文章闡述部分水庫大壩運(yùn)行期變形監(jiān)測系統(tǒng)出現(xiàn)的問題以及改進(jìn)方案，以供其他單位參考借鑒。

大壩；運(yùn)行期；變形監(jiān)測

1 我國水庫大壩運(yùn)行現(xiàn)狀

目前，我國已建成水庫近8.7萬座，其中包括三峽、丹江口、小浪底等大型水庫，也包括建于20世紀(jì)50～60年代的小型水庫。眾所周知，水庫大壩作為國民經(jīng)濟(jì)重要的基礎(chǔ)設(shè)施，其安全性備受矚目。

由于歷史原因、三邊工程（邊勘測、邊設(shè)計(jì)、邊施工）等“先天因素”[1]及后期管理不當(dāng)引起的維護(hù)費(fèi)用不足等，造成了大量病險(xiǎn)水庫的存在。

許多水庫大壩主管單位缺乏專業(yè)的監(jiān)測知識(shí)，導(dǎo)致變形監(jiān)測設(shè)施設(shè)備在設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)行期間也遭受不同程度的破壞和損毀，甚至造成監(jiān)測項(xiàng)目不可恢復(fù)的重大損失。

2 常規(guī)的變形監(jiān)測系統(tǒng)及方法

大壩安全監(jiān)測既是大壩長期安全運(yùn)行的保障手段，又是工程管理的耳目，在安全運(yùn)行管理中起著無可替代的關(guān)鍵作用，同時(shí)也是大壩實(shí)際狀況的信息采集和分析評(píng)價(jià)不可或缺的可靠途徑，只有及時(shí)掌握大壩運(yùn)行性態(tài)，才能防患于未然，以杜絕潰壩災(zāi)難。

（1）水平位移監(jiān)測：對(duì)水工建筑物的順?biāo)鞣较蚧蝽樰S線方向的水平位移變化進(jìn)行監(jiān)測。常用觀測方法分基準(zhǔn)線法、大地測量方法兩大類。

基準(zhǔn)線法是通過一條固定的基準(zhǔn)線來測定監(jiān)測點(diǎn)的位移，常見的有視準(zhǔn)線法、引張線法、真空激光準(zhǔn)直法、垂線法。

大地測量方法主要以外部變形監(jiān)測控制網(wǎng)點(diǎn)為基準(zhǔn)，以大地測量方法測定被監(jiān)測點(diǎn)的大地坐標(biāo)，進(jìn)而計(jì)算被監(jiān)測點(diǎn)的水平位移。常見的方法有交會(huì)法、精密導(dǎo)線法、三角測量法、極坐標(biāo)法、GNSS觀測法等。

（2）垂直位移觀測：對(duì)水工建筑物垂直方向的位移變化進(jìn)行測量，用以了解水工建筑各個(gè)設(shè)計(jì)監(jiān)測部位的垂直位移變化情況，從而確定水工建筑隨著施工及蓄水等因素變化、基礎(chǔ)的沉降抬升情況，從而掌握水庫大壩的狀態(tài)。

常用的方法有幾何水準(zhǔn)測量方法、三角高程測量法、液體靜力水準(zhǔn)法、雙金屬標(biāo)法、水管式沉降儀法等。

（3）撓度觀測：一般用于混凝土壩，以壩體內(nèi)置的鉛垂線（正垂線和倒垂線）為基準(zhǔn)，測量壩體不同高度相對(duì)于鉛垂線的水平位置變化，從而確定壩體的撓曲變化。

（4）裂縫觀測：對(duì)建筑物產(chǎn)生的裂縫或庫岸邊坡裂縫進(jìn)行位置、長度、寬度、深度、錯(cuò)距等監(jiān)測，以了解裂縫的變化情況。

一般采用丈量方式，可采用檢定過的鋼尺、銦鋼尺等進(jìn)行精密量距，也可在內(nèi)部壩塊接縫處埋設(shè)測縫計(jì)，在壩趾和混凝土面板接縫之間還需要埋設(shè)三向、雙向測縫計(jì)，在山體或基礎(chǔ)應(yīng)力較大處埋設(shè)裂縫計(jì)，用于監(jiān)測施工縫、周邊縫等開合情況。

（5）滑坡及崩岸觀測：滑坡體崩岸區(qū)應(yīng)進(jìn)行定期監(jiān)測，并進(jìn)行巡視檢查，必要時(shí)進(jìn)行預(yù)警，減少突發(fā)事件發(fā)生時(shí)的損失。

一般采用布設(shè)水平和垂直位移觀測標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行定期監(jiān)測，并通過采用測斜管、多點(diǎn)位移計(jì)等監(jiān)測邊坡內(nèi)部深層位移及收斂情況。

3 運(yùn)行期變形監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題

我國大部分水庫大壩目前已處于運(yùn)行期，然而由于設(shè)計(jì)不足、維護(hù)不當(dāng)、管理不嚴(yán)、技術(shù)落后、安保措施欠缺等，導(dǎo)致變形監(jiān)測系統(tǒng)存在各種問題。

3.1 設(shè)計(jì)不足

某些水庫大壩在初期勘測設(shè)計(jì)階段，由于未考慮到運(yùn)行期周邊市政工程的影響，將部分控制網(wǎng)點(diǎn)、視準(zhǔn)線工作基點(diǎn)、水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)、水準(zhǔn)工作基點(diǎn)等布設(shè)在高邊坡或公路旁邊，以便不遭受人為破壞，也便于觀測人員到達(dá)。

但部分邊坡在電站施工后期，因邊坡出現(xiàn)塌方、道路進(jìn)行拓寬等原因，造成基點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)破壞，需要進(jìn)行測點(diǎn)重建和數(shù)據(jù)引測。

圖1 某水庫在運(yùn)行期平面控制網(wǎng)點(diǎn)失穩(wěn)Fig.1 Instability of horizontal control points of a reservoir during operation

圖2 某電站水準(zhǔn)測量基點(diǎn)因施工造成破壞Fig.2 Damage of leveling base point caused by construction of a hydropower station

3.2 維護(hù)不當(dāng)

某些水庫大壩監(jiān)測人員缺少專業(yè)的監(jiān)測知識(shí)，運(yùn)行期間對(duì)變形監(jiān)測設(shè)施儀器維護(hù)不當(dāng)，保護(hù)措施不到位，導(dǎo)致部分儀器設(shè)備失效、自動(dòng)化系統(tǒng)癱瘓，或存在缺陷卻依然采集“正常數(shù)據(jù)”。

圖3 某正垂線系統(tǒng)被滲漏水灌滿浮筒Fig.3 Float bowl filled with leak water in a positive vertical system

3.3 管理不嚴(yán)

（1）水庫大壩進(jìn)入運(yùn)行期后，一般管理單位僅投入較少的人員進(jìn)行現(xiàn)場管理，安全監(jiān)測專業(yè)技術(shù)人員缺失。大量的監(jiān)測工作需要具備專業(yè)技術(shù)能力的人員來完成，主管人員經(jīng)常身兼數(shù)職。

（2）監(jiān)測工作實(shí)施過程中極少能按照國家規(guī)范、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)來執(zhí)行，導(dǎo)致采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)粗差、誤差較大，不能滿足監(jiān)測分析要求。

（3）許多變形監(jiān)測儀器設(shè)備需要定期檢定，部分電站主管部門監(jiān)測管理不嚴(yán)，導(dǎo)致監(jiān)測儀器多年未進(jìn)行檢驗(yàn)、率定，其測量數(shù)據(jù)可信度不高。

3.4 技術(shù)落后

隨著社會(huì)的進(jìn)步和技術(shù)的革新，安全監(jiān)測技術(shù)也有了很大發(fā)展。新儀器、新方法、新軟件等一系列新技術(shù)的出現(xiàn)，極大地減小了安全監(jiān)測人員的工作強(qiáng)度，也有利于科學(xué)、高效地進(jìn)行安全監(jiān)測施工、實(shí)施以及最終分析。

部分水庫大壩管理方由于資金不足、觀念落后等因素，至今仍采用老舊的設(shè)備、方法進(jìn)行安全監(jiān)測工作，不僅精度滿足不了要求，有時(shí)受天氣影響，甚至無法完成觀測任務(wù)。

3.5 安保措施欠缺

部分運(yùn)行期水庫大壩管理人員容易忽略安全監(jiān)測交通道路的建設(shè)和保護(hù)工作。由于建設(shè)期有施工排架，監(jiān)測便道相對(duì)安全暢通。進(jìn)入運(yùn)行期后，監(jiān)測便道只有監(jiān)測人員在進(jìn)行例行觀測時(shí)使用，而運(yùn)行期監(jiān)測頻次比較低，故管理者在監(jiān)測道路維護(hù)上投入的資源越來越少，導(dǎo)致監(jiān)測道路荒廢，甚至部分爬梯設(shè)施被盜被毀，存在極大隱患。

更重要的是由于監(jiān)測道路隱患導(dǎo)致監(jiān)測人員無法進(jìn)行正常的變形觀測，從而使運(yùn)行期水庫大壩部分部位監(jiān)測項(xiàng)目無法獲取數(shù)據(jù)，造成監(jiān)測盲區(qū)，損失巨大。

4 改進(jìn)建議

（1）建議大壩主管單位及設(shè)計(jì)單位在水庫大壩設(shè)計(jì)階段及時(shí)聯(lián)系當(dāng)?shù)卣耙?guī)劃部門，索要近十年的規(guī)劃藍(lán)圖，了解庫區(qū)及所在地今后計(jì)劃建設(shè)的項(xiàng)目，充分考慮這些項(xiàng)目會(huì)對(duì)運(yùn)行期變形監(jiān)測系統(tǒng)造成的影響。通過優(yōu)化監(jiān)測設(shè)計(jì)，增加必要的備用監(jiān)測設(shè)施和監(jiān)測方法等設(shè)計(jì)項(xiàng)目，保證運(yùn)行期變形監(jiān)測系統(tǒng)各項(xiàng)設(shè)施運(yùn)行正常，為運(yùn)行期水庫大壩變形監(jiān)測工作提供有力保障。

（2）建議水庫大壩管理單位加強(qiáng)專業(yè)監(jiān)測人員培養(yǎng)，掌握必要的監(jiān)測知識(shí)，以便于更好地管理水庫大壩安全監(jiān)測工作。若某些水庫大壩主管單位人力資源有限，可以將安全監(jiān)測服務(wù)對(duì)外委托給專業(yè)的監(jiān)測單位或者定期邀請(qǐng)安全監(jiān)測專家指導(dǎo)工作。

（3）建議監(jiān)測人員應(yīng)建立全面的變形監(jiān)測設(shè)備臺(tái)賬，掌握基本設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)方法，制定維護(hù)保養(yǎng)、量值溯源計(jì)劃。對(duì)技術(shù)難度較高的維護(hù)項(xiàng)目，可向儀器廠家尋求技術(shù)支持。

對(duì)于自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，部分電子元件容易損壞，建議根據(jù)損耗頻率，適當(dāng)采購一定數(shù)量的備品備件，以保證系統(tǒng)故障時(shí)，不至于中斷監(jiān)測。另外，如果接入自動(dòng)化變形監(jiān)測系統(tǒng)，應(yīng)定期進(jìn)行人工比測，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)出現(xiàn)系統(tǒng)誤差或測值漂移等現(xiàn)象，從而對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

對(duì)于大壩內(nèi)部的變形監(jiān)測儀器，例如多點(diǎn)位移計(jì)、測縫計(jì)，應(yīng)定期檢查電纜的絕緣度。水管式沉降儀應(yīng)定期加蒸餾水，更換老化管路和閥門，定期進(jìn)行管路清洗，寒冷地區(qū)還應(yīng)注意防止水管凍裂。正倒垂線應(yīng)注意浮筒油量情況，及時(shí)增添油，以保證浮標(biāo)張力。

建議有條件的情況下，對(duì)雙金屬標(biāo)安裝傳感器進(jìn)行電測。每三個(gè)月采用精密水準(zhǔn)測量進(jìn)行人工比測。

邊坡測斜管應(yīng)加裝特制的保護(hù)裝置，以避免發(fā)生管口堵塞現(xiàn)象。活動(dòng)式測斜儀導(dǎo)輪應(yīng)在每次測量結(jié)束后進(jìn)行清洗，并使用特制潤滑油潤滑軸承，避免發(fā)生“卡輪”現(xiàn)象。一些邊坡可能會(huì)因?yàn)榍捌谥ёo(hù)不到位而發(fā)生較大位移，導(dǎo)致測斜管內(nèi)部發(fā)生彎曲、測斜儀卡孔現(xiàn)象，應(yīng)采用專業(yè)設(shè)備進(jìn)行拾取，不能貿(mào)然蠻力拉拽。

建議對(duì)外觀監(jiān)測標(biāo)點(diǎn)采取責(zé)任制進(jìn)行維護(hù)，每年做一次測點(diǎn)標(biāo)識(shí)；強(qiáng)制對(duì)中裝置應(yīng)加裝保護(hù)蓋，對(duì)中螺絲應(yīng)定期用潤滑油潤滑。對(duì)于庫區(qū)征地管理范圍外的變形監(jiān)測點(diǎn)，可采取加強(qiáng)測繪法宣貫或有償看護(hù)等措施進(jìn)行有效保護(hù)。

（4）建議安全監(jiān)測主管人員把握住變形監(jiān)測管理重點(diǎn)，即監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性、監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性以及監(jiān)測成果的科學(xué)性。

真實(shí)性：即在監(jiān)測工作中應(yīng)嚴(yán)格杜絕數(shù)據(jù)造假現(xiàn)象，所有原始數(shù)據(jù)均應(yīng)該有據(jù)可查，所有現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)均應(yīng)由觀測人員、記錄人員和主管領(lǐng)導(dǎo)簽字存檔。電子數(shù)據(jù)也應(yīng)保留儀器導(dǎo)出的最原始數(shù)據(jù)。可通過抽查原始數(shù)據(jù)、現(xiàn)場督查旁站等方式保證數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性。

可靠性：變形監(jiān)測數(shù)據(jù)一般都是通過特定的儀器設(shè)備測量得來，儀器設(shè)備、觀測方法的可靠性直接影響著數(shù)據(jù)的可靠性[2]。

建議與技術(shù)檢定單位建立長久有效的溝通機(jī)制，每年將讀數(shù)儀表、全站儀、水準(zhǔn)儀、水準(zhǔn)尺、溫度計(jì)、氣壓計(jì)、棱鏡、鋼尺等測量儀器進(jìn)行送檢，不合格儀器按照實(shí)際情況進(jìn)行維修或報(bào)廢，以保證變形監(jiān)測儀器的可溯源性。

測量過程中應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求方法和頻次進(jìn)行觀測、重測和補(bǔ)測，使數(shù)據(jù)符合測量精度要求，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的可靠性。

科學(xué)性：變形監(jiān)測數(shù)據(jù)在處理過程中，應(yīng)按照規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行修約取位，計(jì)算過程應(yīng)保留備查，采用的計(jì)算軟件應(yīng)是國家或行業(yè)批準(zhǔn)的合法軟件，計(jì)算成果應(yīng)歸算至正確的方向，便于準(zhǔn)確反映水庫大壩變形位移情況。

（5）建議組織有效的巡視檢查機(jī)制，將巡視檢查落到實(shí)處，檢查出來的問題應(yīng)及時(shí)反饋和解決。

畢竟大部分變形監(jiān)測儀器只是點(diǎn)、線式布置，以局部測點(diǎn)反映整體變形，而巡視檢查是最全面、最直觀有效的破壞性異常變形監(jiān)測項(xiàng)目。

巡視檢查可采用“智能點(diǎn)檢系統(tǒng)”，該系統(tǒng)通過在待巡視點(diǎn)布置一個(gè)“紐扣”，巡視檢查人員通過網(wǎng)絡(luò)將巡檢路線和任務(wù)下載至手持終端機(jī)上，然后行至巡檢部位通過手持終端機(jī)識(shí)別“紐扣”，顯示巡檢部位信息和待巡檢，可選擇“正常”、“異常”，異常時(shí)，可編輯異常情況。巡檢結(jié)束后，將數(shù)據(jù)上傳至網(wǎng)絡(luò)，可傳至主管領(lǐng)導(dǎo)和發(fā)電廠值長，便于運(yùn)行調(diào)度。這一措施可極大地保證巡視檢查工作的落實(shí)情況，但巡視檢查內(nèi)容、項(xiàng)目、需反饋的信息還需要進(jìn)一步完善。

（6）建議及時(shí)對(duì)老舊監(jiān)測儀器設(shè)備、監(jiān)測手段進(jìn)行更新改造。

任何電子設(shè)備均有一定的壽命，安全監(jiān)測儀器設(shè)備也不例外。許多水庫電站進(jìn)入運(yùn)行期多年后，仍使用施工時(shí)遺留下來的全站儀、水準(zhǔn)儀、讀數(shù)儀表、棱鏡等儀器設(shè)備，有的甚至已破敗不堪，有的即使儀器設(shè)備能正常工作，但是電池早已虧損，難以續(xù)航。

工欲善其事，必先利其器。建議監(jiān)測人員及時(shí)掌握變形監(jiān)測儀器設(shè)備、軟件的使用狀態(tài)，向主管部門做出準(zhǔn)確的設(shè)備更新升級(jí)計(jì)劃，高效、準(zhǔn)確地做好變形監(jiān)測工作。

建議在有必要的情況下，大力發(fā)展變形監(jiān)測自動(dòng)化?？刹捎冒惭bGNSS、建設(shè)測量機(jī)器人實(shí)時(shí)監(jiān)測測站、內(nèi)部傳感器接入自動(dòng)采集MCU測站等方法，既可以減小監(jiān)測人員工作強(qiáng)度，又可保證采集到實(shí)時(shí)的安全監(jiān)測數(shù)據(jù)，便于安全監(jiān)測工作的科學(xué)管理。

（7）建議相關(guān)單位相互協(xié)調(diào)，提供變形監(jiān)測工作必要的條件和安全可控的工作環(huán)境。

做好大壩安全監(jiān)測的前提是保證監(jiān)測人員的工作安全，對(duì)于監(jiān)測便道存在安全風(fēng)險(xiǎn)的水庫電站，建議相關(guān)單位監(jiān)測主管部門權(quán)衡利弊，通過修繕觀測便道以及采用GNSS監(jiān)測、固定棱鏡等監(jiān)測手段，既能保證監(jiān)測人員的安全，又能保證變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的延續(xù)性。

（8）水庫大壩在進(jìn)入運(yùn)行期后，外部變形較少受施工、震動(dòng)及快速蓄水等影響，由于受溫度、水位等影響，季節(jié)性變化較大。可通過對(duì)運(yùn)行期內(nèi)位移特征值統(tǒng)計(jì)分析的方法，統(tǒng)計(jì)測點(diǎn)位移最大值、最小值及當(dāng)前值與往年同時(shí)期測值進(jìn)行比較，并結(jié)合設(shè)計(jì)允許值進(jìn)行運(yùn)行期變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，從而更好地掌握水庫大壩運(yùn)行期的安全狀態(tài)[4]。

5 展望

我國是一個(gè)淡水資源、綠色能源相對(duì)匱乏的國家，發(fā)展水利水電建設(shè)可以有效利用水資源、減少排放，對(duì)于國民經(jīng)濟(jì)保障、產(chǎn)能結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換有著至關(guān)重要的作用。今后還將有一大批水庫電站投入到運(yùn)行管理階段，水庫大壩變形監(jiān)測工作不容松懈。

相信通過科學(xué)的管理、嚴(yán)謹(jǐn)精細(xì)的施工、一絲不茍的維護(hù)檢查，越來越多的水庫大壩變形監(jiān)測系統(tǒng)會(huì)趨于健康、趨于完善?！?/p>

[1]李雷.我國水庫大壩安全監(jiān)測和管理[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測,2000,24(6)：6-9.

[2]趙花城.運(yùn)行期大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)評(píng)價(jià)[J].大壩與安全, 2015(1)：73-76.

[3]王川,楊?yuàn)檴?董澤榮,等.GNSS監(jiān)測系統(tǒng)在小灣拱壩安全監(jiān)測中的應(yīng)用[J].水電自動(dòng)化與大壩監(jiān)測,2013,37(1)：63-67.

[4]晏衛(wèi)國,余雷.浪詳水電站運(yùn)行期水庫大壩安全監(jiān)測分析[J].黑龍江水利科技,2012,40(7)：40-41.

作者郵箱：1156809320@qq.com

With more than 80 thousand reservoirs,China has the largest number of reservoirs in the world,most of which are in operation.As an important infrastructure for national economy,the safety of reservoir dams has attracted much attention.Deformation monitoring is an important part of dam safety monitoring,which can directly reflect the deformation and displacement of dam.However,there are various problems with the deformation monitoring system of some reservoir dams during operation.In this paper,these problems and corresponding improvement suggestions are discussed,for reference.

dam;operation period;deformation monitoring

TV698

A

1671-1092（2017）02-0018-04

2016-09-24

楊敏剛（1991-），陜西武功人，助理工程師，主要從事運(yùn)行期大壩安全監(jiān)測工作。

Title:Problems and improvement suggestions for deformation monitoring system of reservoir dam during operation period//by YANG Min-gang,LI Zhan-bei and ZHANG Jin-jie//China Gezhouba Group Testing Co.,Ltd.