高店砌石拱壩自動化監測系統的設計

溫卉周斌

（廣東省汕尾市水利水電規劃設計院 廣東 汕尾 516600）

1 工程概況

高店水庫位于江西省鉛山縣武夷山鎮的信江二級支流石塘水上，是一座具有防洪、發電、灌溉、供水以及水產養殖等綜合利用的中型水利樞紐工程，樞紐建筑物由大壩、發電引水隧洞、廠房及升壓站等組成。

高店拱壩為壩體自防滲統一二次曲線變厚砌石雙曲薄拱壩，最大設計壩高為81.5m，壩頂高程為388.5m，河床段建基面高程為307m。高店拱壩上、下游壩面為M12.5水泥砂漿砌砼預制塊，拱腹為C15細石砼砌塊石，底部為C15或C20砼墊層。壩基上游設置一道防滲帷幕，下游設置1排排水孔，壩身設置了2.6m×3.5m（寬×高）的城門洞型廊道。壩頂河床段設3孔單孔凈寬10m的表孔式溢洪道，采用6.5m高的露頂式弧形閘門控制、頂高程為380.0m的WES堰泄洪，出口采用差動式挑流鼻坎挑流消能。大壩右岸設有總長30m的重力墩。大壩下部河床段左側設孔徑為1.0m的放空孔，出口設錐閥控制。

2 壩體結構計算與監測項目的選擇

高店拱壩采用北京水科院多拱梁法ADASO軟件計算壩體應力。多拱梁法采用了7拱15梁，計算高程依次為307m、318m、329m、341m、353m、365m、377m、388.5m， 共計算了正常蓄水位（386m）+溫降、校核洪水位（388.24m）+溫升、死水位（350m）+溫降、死水位+溫升4組工況。4組工況的最大拉、壓應力和最大位移計算成果見表1。

高店拱壩壩頭整體穩定分析按成組的裂隙面相互切割組合形成的滑移體采用剛體極限平衡法計算，左壩頭穩定安全系數最小值為3.37、右壩頭穩定安全系數最小值為3.15。

高店拱壩監測項目根據結構計算揭示的壩體安全的關鍵因素進行設置。變位和應力是拱壩安全的關鍵要素，需進行監測；變位觀測選擇對荷載變化最敏感的同時也是變位最大的拱冠梁作為監測的重點；壩體應力計算中揭示出拱冠梁和拱端是高店拱壩壩體拉、壓應力最大的部位（尤其是在中下部），因此高店拱壩拱冠梁和拱端也是應力（應變）監測的重點；應力計算也揭示出壩體初始溫度場對壩體運行期的溫度應力有著至關重要的作用，直接影響到壩體應力安全，為使每個封拱時段均能觀測到壩內溫度，以保證施工期封拱時機的準確把握，壩體溫度也應進行重點監測。高店拱壩壩頭穩定安全系數稍大于規范允許值，壩頭穩定也是高店拱壩安全運行的關鍵，需對壩頭巖體變位進行監測；經壩頭穩定試算，壩基揚壓力的變化對壩頭穩定的影響十分敏感，因此將壩基滲流作為高店拱壩監測的一個重要內容。拱壩封拱效果的好壞，直接關系到壩體拱作用的形成，臨時性橫縫的監測對拱壩意義尤其重要，因此需要對壩體接縫進行監測。高店拱壩左岸布置了一個重力墩，對壩體和重力墩接合面的應力和接縫也應進行監測。結合目前自動化觀測設備的技術水平，高店拱壩自動化監測系統主要監測變位、應力（應變）、滲流、接縫、溫度等項目。

3 大壩自動化監測系統總體設計

自動化監測系統分為三級，自底至頂依次為本地級、分站級、樞紐級。本地級負責采集監測點的數據，并向分站級或樞紐級報送數據。分站級負責收集管理范圍內的本地級數據，進行數據整理、轉換和存貯，在分站工作站顯示進行安全監視，并向樞紐級報送數據。樞紐級接收分站上報的數據，并兼有分站負責收集、整理、轉換管理范圍內的本地級數據的功能，對樞紐的監測數據進行整理、存貯，并在工作站上顯示進行安全監視。

大壩自動化監測系統的本地級為大壩監測點，負責采集監測點的數據，可在MCU上顯示測量數據，通過MCU向大壩監測分站傳送監測數據；大壩監測分站收集大壩監測點和庫區監測點MCU傳來的測量數據，經轉換后在工作站顯示，并形成歷史紀錄保存，同時向樞紐監測站傳送主要的監測數據；樞紐監測站接收大壩監測分站、引水系統監測點、電站監測點的數據，在樞紐監測站工作站計算機上顯示運行狀況。系統總體設計見圖1。

表1 高店拱壩應力和位移計算成果表

表2 高店大壩自動化監測儀器一覽表

圖1 自動監測系統邏輯結構圖

圖2 大壩上游觀測設備埋設布置圖

圖3 大壩下游觀測設備埋設布置圖

4 自動化監測儀器選型

自動化儀器按照先進性、可靠性、經濟性、相容性的原則，按照監測項目分別選擇建設時國內成熟先進的自動化監測設備。

變位觀測采用南京葛南實業有限公司生產的GN—1型固定式測斜儀進行監測，可通過分層埋設固定式測斜儀測量各測點的轉角變化，間接計算各分層的徑向變位；壩體（應變）采用南京電力自動化設備總廠生產的DI—10五向應變計和配套的WYL型無應力計監測；滲流通過南京電力自動化設備總廠生產的SZ型差動電阻式滲壓計監測；接縫采用南京電力自動化設備總廠生產的CF—12型測縫計監測；壩內溫度采用南京電力自動化設備總廠生產的DW型溫度計監測；重力墩和壩體接合面的壓應力采用WL—30型壓應力計監測應力；主要監測項目與監測儀器見表2。

5 自動化監測點布置

為與計算成果對比，方便壩體安全狀況評價，測點原則上布置在與多拱梁法計算點相對應的部位。根據結構計算的成果，壩體最大徑向位移將在拱冠梁頂產生，因拱冠梁曲率較大無法布置垂線，采用分層布設固定式測斜儀測量拱冠分層轉角以計算壩頂徑向變位；根據應力計算的成果，壩體最大拉、壓應力主要發生在拱冠梁及拱端的中下部位，因此應變計和無應力計布置在拱冠梁和拱端處，且以中下部為重點；壓應力計布置在壩體與重力墩的接縫處；滲壓計布置在拱冠梁底和兩岸壩基內；壩內溫度除利用具有測溫功能的應變計和測縫計觀測溫度外，還在拱冠梁內及壩基內分高程埋設溫度計，觀測壩內、壩基溫度，以確保每個封拱區段及封拱時段內均能觀測到壩內溫度，以掌握最佳封拱時機；沿寬縫、壩體與重力墩結合面、壩基周邊縫均埋設了測縫計。觀測儀器埋設的布置見圖2和圖3。

6 人工觀測與巡視檢查

作為自動化監測系統的補充，高店砌石拱壩還設置了少量人工觀測項目，并需定期和不定期進行巡視檢查，通過自動化監測和人工監測保證大壩安全。人工觀測項目主要有：壩身變位、下游水位、廊道滲水量。

壩身變位和壩頭巖體變位：采用全站儀定期觀測平面變位（三角網法），水準儀定期觀測壩體豎直變位；泄洪時采用水尺觀測下游水位；設三角堰定期觀測廊道滲水量。

7 自動化監測運行情況

高店大壩于2004年11月5日開始施工，2007年2月6日通過一期下閘蓄水驗收（一期蓄水位355.0m），2007年3月31日下閘蓄水。2008年1月，大壩基本完工，2008年5月通過二期蓄水驗收，大壩開始正常蓄水。水庫運行至今，庫水位于2012年8月3日22時達到最高值386.49m。

施工期間，自動化系統通過本地層的MCU進行人工觀測，經資料整編，供設計、施工參考[1]；2008年5月后，大壩監測分站和樞紐監測站分別建成，自動化監測系統形成，開始進行自動化監測。經過多年運行，水庫運行正常，壩內應力、應變、壩體變位、接縫開度、壩基滲透壓力等監測值均在設計許可范圍之內。

8 結語

高店砌石拱壩在壩體內埋設了自動化監測儀器，按照應力計算的多拱梁選擇性埋設監測設備，形成了實測值與計算值對比的條件，有利于大壩安全狀態的實時監測和分析；大壩自動化監測系統設置了本地級、分站級、樞紐級，可實現多層次的實時監控。大壩經過幾年的運行，自動化監測系統運行總體正常，達到了安全監測的預定目標。

[1]王東生、郭士洲.高店雙曲拱壩原型觀測系統設置及蓄水前觀測資料分析[J].江西水利科技，2007年，33卷（2期）.

[2]周斌、侯永紅等.江西省鉛山縣高店水庫二期蓄水安全鑒定設計自檢報告[R].

[3]熊國文，周干武.江西省鉛山縣高店水庫二期蓄水安全鑒定安全監測自檢報告[R].

[4]SL282—2003.混凝土拱壩設計規范[S].

[5]DL/T5178—2003.混凝土壩安全監測技術規范[S].