后灣水庫大壩安全監測設計

喬 立

（山西水務投資集團有限公司，山西 太原 030002）

1 工程概況

后灣水庫位于襄垣縣后灣村，是海河流域濁漳河西源的控制性工程，控制流域面積1 300 km2，是一座以防洪為主，兼顧農業灌溉和工業供水的大（二）型多年調節水庫。水庫于1959—1960年建成，之后進行了5次改擴建，現狀總庫容1.3億m3，樞紐主要建筑物包括大壩、溢洪道、輸水洞及壩后發電站。

水庫大壩為均質碾壓土壩，最大壩高26 m，壩頂寬8 m，壩長300 m。建庫以來，大壩曾出現過裂縫，雖經幾次加高培厚，仍存在局部壩體質量較差、壩體滲透性差異較大、浸潤線較高、集中滲漏等問題，2002年9月經山西省水利廳及水利部大壩安全管理中心審、核查，同意后灣水庫大壩安全鑒定結論為三類壩。后灣水庫除險加固防洪標準按100年一遇洪水設計，2 000年一遇洪水校核。工程等別為Ⅱ等，工程設防烈度為Ⅶ度。

2 監測現狀及存在問題

大壩作為攔蓄水的巨大能量的建筑物，從勘測、設計、施工、投入運行直至廢棄都有一定的生命周期，后灣水庫大壩建成至今已有50年之久，隨著運行時間的推移，其安全問題尤為重要，因此實施自動化監測與分析意義重大。

后灣水庫監測現狀包括水文氣象觀測、大壩浸潤線及滲漏量觀測，分別由后灣水庫水文站、后灣水庫灌區管理局負責。大壩浸潤線觀測孔位于大壩上下游壩面，為1980年12月鑿孔埋設，1981年9月開始觀測，1998年7月因全部損壞而停止觀測，歷史觀測資料有1981年10月—1995年2月實測原始記錄。目前，大壩浸潤線觀測設施因老化失修，無法使用。大壩滲漏量觀測設施位于下游壩腳處，分別為壩后集中滲漏、黃土臺地滲漏觀測，歷史觀測資料有2004年實測數據。目前，大壩滲漏量觀測設施簡陋且已損壞，無法進行正常觀測。另外，還存在觀測項目不完善等問題。

3 觀測項目設置

后灣水庫大壩等級為2級，按照《土石壩安全監測技術規范》的要求，結合本次水庫除險加固設計，對觀測設施、安全監測系統進行更新改造及完善，實現自動化監測。觀測項目主要包括大壩表面變形觀測、大壩滲流壓力觀測、滲流量觀測、水位觀測、降水量與氣溫觀測等。

3.1 大壩表面變形觀測

新建大壩表面變形觀測包括壩面水平觀測和壩面沉降觀測。根據壩體地形情況，大壩表面變形觀測布置4個橫斷面、5個縱斷面。4個觀測橫斷面樁號分別為壩 0+050、壩 0+100、壩 0+150、壩 0+200，間距50 m，其中壩0+050、壩0+100為最大斷面，壩0+200為左側壩體（黃土臺地）斷面；5個觀測縱斷面為壩軸線上游側設置1個（距離壩軸線10.0 m），壩軸線下游側設置4個（分別距離壩軸線6.0 m，16.0 m，28.4 m，46.0 m）。壩 0+050、壩 0+100、壩 0+150處觀測橫斷面均布置5個（上游壩坡1個、下游壩坡4個）壩體測點，壩0+200處下游為電站管理區，因此觀測橫斷面布置3個（上游壩坡1個、下游壩坡2個）壩體測點。大壩兩岸每排測點的延長線上各布置1個工作基點、一個校核基點，在大壩下游約1 km處選擇堅實地基分別布設2個水準基點。本次觀測設計大壩表面變形觀測共設壩體測點18個、工作基點10個、校核基點10個、水準基點2個。壩體測點、工作基點和校核基點監測水平及沉降位移，水準基點只測沉降位移。沉降位移采用精密水準法測量，水平位移包括橫向和縱向水平位移，橫向水平位移采用視準線法測量，縱向水平位移采用鋼尺測量。

3.2 大壩滲流壓力觀測

根據大壩滲流壓力觀測設施現狀及現有歷史觀測資料情況，考慮與歷史觀測資料相銜接，使新舊觀測資料能夠相互比較、統一分析，本次觀測設計將滲流壓力觀測位置盡量布置在原觀測斷面周圍，保留原觀測項目，重建觀測設施。

大壩滲流壓力觀測包括壩體、壩基滲流壓力觀測。壩體滲流壓力觀測是為了確定壩體觀測斷面上的滲透壓力分布和浸潤線的位置，壩基滲流壓力觀測是為了確定壩基觀測斷面上的滲透壓力分布。在原有壩體、壩基觀測孔西南向約2 m處重新并排布置壩體、壩基滲流壓力觀測孔，孔距2.0 m。

根據大壩特點及地質條件，大壩滲流壓力觀測布置6個橫斷面、4個縱斷面。壩體3個觀測橫斷面樁號分別為壩0+041、壩0+075、壩0+135，壩基3個觀測橫斷面樁號分別為壩0+043、壩0+077、壩0+137；壩體、壩基4個觀測縱斷面為壩軸線上游側設置1個（距離壩軸線10.0 m），壩軸線下游側設置3個（分別距離壩軸線6.0 m，28.4 m，46.0 m）。本次觀測設計大壩滲流壓力觀測孔共設24個，壩體滲流壓力、壩基滲流壓力觀測孔各12個。滲流壓力采用振弦式測壓計進行觀測，振弦式測壓計測頭放入各測孔，測頭引出信號接入DAU觀測站房內的振弦采集儀，通過電纜與設置在水庫監控中心的電子計算機連接組成自動化觀測系統。振弦式測壓計外部采用直徑為50 mm的透水花管（鍍鋅無縫鋼管制作）、銅絲網、棕皮、麻布等防護。

3.3 滲流量與水位觀測

為準確觀測大壩滲漏量，需在樁號壩0+070處、大壩下游坡腳重新設置三角量水堰，采用量水堰測量儀對其進行觀測，測量包括壩后集中滲漏和黃土臺地滲漏在內的壩體、壩基滲流量。目前水庫通過水尺進行庫水位觀測，本次設計將其更新為超聲波水位計，在庫區左側距壩軸線147.45 m處、溢洪道引渠段入口前側、下游量水堰處分別設置3個超聲波水位計。通過電纜接入水庫監控中心的振弦采集儀，經信號轉換納入自動化監測系統，對上下游水位進行實時監測，為樞紐運行提供參考。

另外，由于水庫現有降雨量與氣溫觀測由后灣水庫水文站負責，目前運行正常，本次設計不予考慮。

4 大壩安全監測系統

大壩表面變形觀測需按照“土石壩安全監測項目測次表”人工進行監測，其余均可利用大壩安全監測系統自動實時監測。

大壩安全自動化監測系統包括兩方面內容：一是實現各觀測項目中監測儀器的自動化測量和數據的自動采集；二是實現觀測數據的集中處理和用計算機對其進行處理分析。由于大壩監測點較分散，為保證自動化監測系統的長期穩定工作，采用抗干擾能力強、可靠性高、故障率低、擴展方便、易于維護的分布式數據采集系統。即采集裝置分散地布置在靠近測點頭儀器的地方，獨立對所轄測點完成控制測量后，形成測量控制單元，采用A/D轉換數據暫存和數據傳輸功能，通過電纜將各監測數據輸入水庫監控中心，進而實現自動化監測。

大壩安全監測系統布置時，根據大壩測點的分布情況，在大壩下游壩面設DAU觀測站房，作為測量控制單元，負責采集大壩6個滲流觀測橫斷面上24個測壓計的原始數據。觀測站房位于大壩下游馬道高程918.00 m、中心線樁號壩0+100處，面朝下游馬道布置，長2.67 m（垂直馬道方向）、寬2.64 m（順馬道方向），高2.80 m。水庫監控中心設在水庫管理站院內，包括相應監控設備及一面水測屏，負責對滲流壓力、滲流量、上下游水位、輸水洞供水量觀測等的監測數據的統一采集、分析、處理及查詢，掌握水庫大壩的實時運行狀況，結合大壩表面變形觀測、降雨量與氣溫觀測結果，為水庫大壩的安全決策提供依據。觀測點至DAU站房、DAU站房至水庫監控中心、觀測點至水庫監控中心的電源、數據信號電纜分別采用穿鋼管地埋方式敷設。

5 結語

后灣水庫除險加固工程于2009年12月底通過竣工驗收，目前，觀測項目基本投入使用，大壩安全監測系統運轉正常。隨著定期巡視檢查和觀測工作的展開，從各觀測點到水庫監控中心實現了自動采集、集中處理和實時分析，確保了大壩的安全。